山东省新台高速跨韩庄运河桥梁工程洪水影响分析研究

邓海燕 李维硕 谢敬永 景晓林

（1.山东省水利勘测设计院有限公司，济南 250000；2.山东建勘集团有限公司，济南 250000；3.泗水县水务局，济宁 273200）

0 引 言

洪水灾害是我国最频繁的自然灾害之一。“自然-社会”二元水循环模式下，人类活动成为洪水致灾的主要因素。随着经济社会的发展，越来越多的非防洪建设项目在河道管理范围内修建，人水争地导致行洪断面压缩束窄，蓄滞洪区萎缩，流态改变，这不仅影响工程本身安全，而且可能损害河道管理范围内已建成的防洪工程体系[1-2]。随着我国基础建设能力的增强和物流运输业的持续发展，跨河桥梁逐渐成为公路渡河的重要建筑物。因此通过建立完善的防洪评价制度，研究桥梁建设对河道行洪的影响以及河道水流对桥梁安全的影响，在前期设计阶段提出工程建设的不利影响并及时提出补救措施，对提高跨河桥梁工程项目审批决策水平、防治水毁水灾具有重要意义[3]。本文以新台高速为例，采用目前国内外应用比较广泛的MIKE21 软件构建了跨韩庄运河处上下游平面二维水流数学模型，分析了建桥前后20 年一遇水位时桥址上下游各300 m 范围内的流速、流向、水位分布，论证了跨河桥梁对韩庄运河的影响。

1 工程概况

新泰至台儿庄（鲁苏界）高速公路（以下简称新台高速），是山东省“九纵五横一环七连”高速公路网规划中的“纵五”无棣（鲁冀界）-莱芜-台儿庄（鲁苏界）的重要组成部分，项目起自京沪高速与泰新高速交叉的新泰枢纽处，途经泰安市新泰市，临沂市蒙阴县、平邑县，枣庄市山亭区、市中区、峄城区、台儿庄区等7个县（区、市），止于枣庄市台儿庄区马兰屯镇附近的X017 台韩线，路线全长155.945 km，公路采用双向四车道高速公路标准建设，路基宽度27 m，设计速度120 km/h。新泰至台儿庄公路工程是介于京沪、京台高速间的快速通道，项目建成后，对于完善沿线各地高速公路网络，提高交通通行能力，优化和改善投资环境，加快沿线经济社会发展，推动交通基础设施、能源、物流、金融、信息、文化旅游等产业发展，加快实施新旧动能转换重大工程，全面建成小康社会，都具有十分重要的意义。新台高速跨韩庄运河位置示意图见图1。

图1 新台高速跨韩庄运河位置示意图

新台高速沿线跨越河流众多，其中韩庄运河属淮河流域沂、沭、泗水系，东邻沂河流域，西接南四湖，北靠泰沂山区，南与苏北搭界。它除承泄南四湖流域山东、江苏、安徽、河南4 省8 个地（市）34 个县（区、市）31 700 km2的洪涝水外，兼排韩庄以下区间1 828 km2的来水，省界处汇水面积为33 528 km2[4]。

2 基础资料

（1）地形资料。分析范围内韩庄运河横断面资料，1∶10 000实测地形图资料。

（2）河道指标。韩庄出口20年一遇下泄流量4 000 m3/s，万年闸闸下水位32.19 m，台儿庄闸上水位30.07 m，万年闸下3 km、台儿庄闸上13.7 km处20年一遇水位为31.81 m。

（3）公路桥梁设计资料。

3 模型建立

3.1 模型选择

新台高速跨越处韩庄运河水面宽度远大于水深，水流流速沿水深方向变化不大，属于宽浅型河道，为了准确反映拟建桥梁工程前后20年一遇水位时桥址上下游各300 m范围内的流速、流向、水位分布，论证跨河桥梁对韩庄运河的影响，本次采用沿垂向平均的平面二维水流数学模型MIKE21进行模拟分析。

MIKE21 模型是丹麦水力学研究所（DHI）开发的二维数学模拟软件，广泛应用于国内外水动力模拟当中，是目前国际上较为先进的模型之一。

模型采用的基本计算方程为：

（1）水流连续方程：

（2）水流运动方程：

式中：x、y、t分别为空间、时间坐标；z为水位，m；h为水深，m；u、v分别为垂线平均流速在x、y方向的分量，m/s；M、N分别为单宽流量在x、y方向的分量，m2/s，M=hu，N=hv；n为曼宁糙率系数；C为谢才系数；vt为紊动黏性系数；g为重力加速度。

3.2 模型建立

（1）模拟范围。根据工程设计方案，综合考虑拟建工程所在河段的河势、工程可能影响范围等因素，选择跨越点上游约6 km 至下游约4 km 之间的河道作为模拟区域，全长约10 km，河底宽130 m。

（2）网格剖分。采用三角形网格对模拟区域进行剖分，综合考虑模拟区域面积、模拟精度、计算时间等因素，本次共划分网格65 632个，节点33 591个。

（3）地物处理。拟建工程上游约1.5 km处为马兰大桥。对于桥墩，由于其水平尺度较模型计算用的网格尺度小很多，在模型中采用piers模块进行设置。

（4）地形插值。模拟范围内高程散点由1∶10 000 实测地形图提取。插值后的地形见图2。

图2 工程所在区域地形

（5）糙率选取。根据《水力学手册》[5]，对子槽和滩地设定不同的糙率。结合《韩庄运河（湖口-台儿庄）续建工程初步设计报告》[6]，最终选取子槽n=0.025；边滩n=0.04。

（6）边界条件。以拟建工程下游约4 km 处为模型下边界，给定起推水位，该水位由规划成果中的水位线性插值而来，为30.43 m。以拟建工程上游约6 km 处为模型上边界，将模型上边界设定为流量边界，给定20年一遇设计流量，即4 000 m3/s。

4 模拟结果及影响分析

4.1 水位成果及分析

20年一遇标准洪水时建桥前后局部水位等值线图见图3。

图3 水位等值线图

4.1.1 纵向水面线

取韩庄运河设计中心线为剖面线，提取该剖面上各点的水位，对拟建工程修建前、后的水流状态进行比较分析。纵向水位变化对比如图4所示。

图4 20年一遇洪水时工程前后水面线成果对比

工程实施前，拟建工程上下游300 m 范围内水位为31.041～30.955 m，桥址处水位为30.998 m；工程实施后，跨越处上游附近，水面出现了一定幅度的壅高，最大壅高值0.002 m，壅水范围约250 m，跨越河段下游，河道水位出现了极小幅度下降，但影响极其有限。工程修建前后，水面线趋势相差不大。

4.1.2 典型断面水位对比

为更好地分析工程修建对河道水位的影响，选取工程所在断面上、下游0 m、100 m、300 m 处的断面作为典型断面，提取工程实施前后的水位进行分析。

建桥前后，20年一遇标准洪水下各断面水位对比见图5。

图5 典型断面工程实施前后水位对比图

由典型断面水位对比图可以看出，工程对河道水位的影响主要集中在工程上游约250 m范围内，水位略有增加，但增幅较小。

4.2 流速流向成果及分析

（1）工程前后流速分布。工程实施前，拟建工程上下游300 m 范围内主槽流速一般在1.1～2.1 m/s，滩地流速在0.15～0.80 m/s。工程实施后，工程所在河段上下游300 m范围内流速变化较小，上游略有降低，下游略有增加。拟建工程整体对河道流速影响较小。建桥前后流速等值线图见图6。

图6 流速等值线图

（2）工程前后流向分布。工程实施前，拟建工程上下游300 m范围内韩庄运河流向均为东南方向，根据河道走向及局部地形情况，桥址处上游水流流向与正东方向夹角比下游偏小；工程实施后，拟建工程对流向影响不大，拟建工程上下游300 m范围内流向最大改变量不超过2°。拟建桥梁工程对河道流向基本无影响。工程前后局部流向图见图7。

图7 局部流向图

（3）典型断面流速对比为更好地分析工程修建对河道流速的影响，选取工程所在断面上、下游0 m、100 m、300 m处的断面作为典型断面，提取工程前后的流速进行分析。

建桥前后20年一遇标准洪水下各断面流速对比见图8。

图8 典型断面工程实施前后流速对比图

由典型断面流速对比图可以看出，拟建桥型方案对河道内水流的影响主要集中在桥区附近，上游100 m范围内，流速略有减小，但变化微小，最大减小量为0.026 m/s；下游200 m 范围内，流速略有增加，最大增加量为0.074 m/s，变化较大的地方主要集中在滩地。

通过分析新台高速对韩庄运河水位、流速及流向的影响可知，拟建工程上下游300 m范围内工程实施前后水位、流速及流向变化较小。因此，拟建桥梁工程对韩庄运河水位、流速及流向影响很小，究其原因主要是韩庄运河比较宽，而且拟建桥梁未占用主河槽。

5 结 语

本次构建了新台高速跨韩庄运河处上下游平面二维水流数学模型，分析了建桥前后20年一遇水位时桥址上下游各300 m范围内流速、流向、水位分布，论证了跨河桥梁工程对韩庄运河的影响。根据模拟结果，拟建桥梁工程对韩庄运河水位、流速及流向影响很小。

本次模拟对工程的审批决策具有重要的指导意义，同时也为降低河道防洪风险提供了技术支撑。