基于MIKE21的城市桥梁防洪影响分析研究

杜 麦 陈小威

（1.石家庄丰水工程咨询有限公司，石家庄 050000；2.宁夏水利水电勘测设计研究院有限公司河北分公司，石家庄 050000）

0 引 言

近年来，随着城市的发展，桥梁工程日益增多，新建城市桥梁附近河道的流势流态将产生局部变化，对河道行洪、河势和周围桥梁造成一定的影响，同时河道行洪也对桥梁本身的安全造成影响，因此，对城市桥梁建设的防洪影响分析十分必要。

目前采用丹麦水利研究院（DHI）开发的MIKE21 FM模型对桥梁工程进行水位和流场模拟已得到广泛应用[1-3]，且计算稳定性强和精确度高。本文以河北沧州黄骅市南排河桥为例，通过建立二维数值模型，对建桥前后的水位和流场等进行模拟，为城市桥梁建设的防洪影响分析提供依据。

1 基本原理

MIKE21 平面二维数学模型是以垂线平均的水流因素作为研究对象，对河段的平面水位、流场及河床细部的变化情况进行数值模拟计算。二维浅水控制方程组如下：

式中：η为水位，m；h为静止水深，m；u、v、w分别为流速在x、y、z方向上的分量，m∕s；Pa为当地大气压，N∕m2；ρ为水密度，kg∕m3；ρ0为参考水密度，kg∕m3；g为重力加速度，m∕s2；f为Coriolis 参量，f=2Ω sin Ψ；Ω为地球自转角速度，s-1；Ψ为地理维度，（°）；Sxx、Sxy、Syx、Syy为辐射应力分量，m2∕s2；Txx、Txy、Tyy为水平黏滞应力项，m2∕s；S为源汇项，m3∕s；uS、vS为源汇项水流速度，m∕s。

2 研究概况

以城市桥梁南排河桥为例，通过建立二维水动力模型模拟桥梁建设前后水位及流场变化情况，为桥梁防洪影响分析提供依据。

南排河桥位于黄骅城区，于春熙体育公园附近跨越南排河，跨越位置处河道断面形式为复式断面，现状河道宽约220 m，主槽宽约128 m，深约7 m，河底为平坡。

南排河桥设计桥梁与河道交角85°，桥长220 m，跨度组成11×20 m，墩柱直径1.3 m，桩直径为1.4 m。

3 模型构建

3.1 计算范围

本次计算区域的上边界选在南排河桥断面上游3 100 m处，下边界为扣村闸处，地形采用2021 年12 月实测地形，本次将桥墩概化为一个独立的剖分单元（Polygon），在桥墩周边区域的网格适当加密，计算域内共布设了28 763个三角形单元和15 563节点，1 226个水深点。

3.2 相关参数

模型相关系数参照相关经验选取，经过参数调试，确定相关参数如下：

（1）防洪标准。根据《黑龙港运东地区防洪除涝规划》，南排河排涝标准近期为10年一遇，远期为20年一遇。考虑南排河远期河道治理方案的不确定性，本次河道标准按近期为10 年一遇评价。桥梁标准根据《城市桥梁设计规范》（CJJ 11—2011）按相交河道洪水频率取近期10 年一遇，结构安全按100年一遇设计。

（2）河床阻力。参考《水力计算手册》，本次计算取河床阻力（Bed Resistance）为33 m1∕3∕s，并采用一维模型计算成果率定。将桥墩概化为一个独立的剖分单元后，建桥前桥墩区域按过水处理，河床阻力（Bed Resistance）为33 m1∕3∕s，建桥后桥墩部分不参与计算[4]。

（3）动边界处理。采用干湿判别确定计算区域由于水位变化产生的动边界，干水深取0.01 m，洪水深取0.01 m，湿水深取0.1 m。

（4）边界条件输入。上游边界为10 年一遇洪峰流量540 m3∕s，下游边界取闸孔出流公式计算得出的扣村闸闸前水位5.39 m。

3.3 模拟成果

根据以上分析确定的河道有关计算条件，模拟建桥后桥墩处水位等值线图和流场图如图1 和图2 所示，建桥前后水位模拟成果表（由于篇幅限制，本次仅呈现部分成果）如表1所示。

表1 建桥前后水位与流速成果表

图1 建桥后桥址处水位等值线示意图

图2 建桥后桥址处流场示意图

3.4 合理性分析

由于本次计算区域内无南排河大洪水的实测资料，本次河槽糙率利用HEC-RAS 一维水力模型模拟建桥前成果进行率定[5]，率定成果如下。

由图3 可知，二维模型成果与一维模型水面线成果基本一致，MIKE21 模拟流速成果较HEC-RAS 成果较为偏大，但成果趋势基本一致，两种模型计算模拟结果相互吻合较好，因此选定的糙率合适，建立的二维模型计算成果合理，模拟精度较为精确，可作为新建城市桥梁防洪影响分析的依据。

图3 MIKE21与HEC-RAS模拟成果对比

4 防洪影响分析

4.1 布置分析

新建桥梁采用全桥跨越方式跨越南排河，桥梁轴线与河道水流方向交角为85°，同组桥墩中心连线与水流方向平行，桥梁设计跨径为20 m，同时与上游桥梁并孔布置，发生10 年一遇设计标准的洪水时，桥墩阻水比为6.38%，阻水比较小；桥长不小于河道上口宽。综上，桥梁布置基本合理。

4.2 壅水分析

桥前壅水直接关系到河道两岸的防洪安全及桥梁梁底是否安全[6]，通过常用的两种方法分析南排河桥前壅水情况。

（1）计算方法。通过建立的二维数学模型分析建桥前后的水位变化[7-9]，表明桥址处的壅水高度。采用D’Aubuisson公式计算，该公式结构简单，易于计算[10]，如下：

式中：ΔZM为桥前最大壅水高度，m；η'为计算系数，根据阻断流量和设计流量的比值取0.15；Vˉ为天然河道断面平均流速，为0.75 m∕s；VˉM为桥下平均流速，为0.80 m∕s。

（2）计算成果。根据计算两种方法成果较为相近，计算结果较为合理（表2）。南排河桥位于平原河道，水面比降较缓，为安全考虑，拟建桥梁最大壅水高度采用相对较大的数学模型成果即0.018 m[11]。

表2 壅水计算表

4.3 冲刷分析

桥址跨河位置土层为黏性土，液性指数为0.33，冲刷计算采用《公路工程水文勘测设计规范》（JTGC30—2015）中推荐的黏性土河槽一般冲刷和局部冲刷计算公式，由于河道冲刷深度影响桥梁结构安全，冲刷分析采用100 年一遇计算冲刷深度，经计算，桥址处100 年一遇洪水时南排河将漫堤行洪，设计流量取平堤流量，为1 192 m3∕s。冲刷深度计算见表3，计算得到一般冲刷深度为0 m，局部冲刷深度为0.21 m。

表3 冲刷深度计算表

4.4 行洪及河势影响分析

根据洪水位成果，建桥后桥址处仅壅高0.018 m，故桥梁修建几乎不会降低河道行洪标准，不会明显加重两岸及上游的洪水灾情，对河道行洪的影响不大。

根据模拟成果，桥墩位置局部发生绕流现象，桥墩断面流速较建桥前有所增加，由0.75 m∕s 增加至0.80 m∕s，桥前及其余河段受建桥影响流速降低0.01～0.02 m∕s，已建桥梁附近河段受影响较大，但对河道总体河势影响较小。

4.5 第三方影响分析

（1）对两岸城区的影响分析。南排河桥两岸为黄骅市，桥梁建成后，桥前壅水高度为0.018 m，壅水较小，故桥梁的修建不会明显加重两岸建筑和居民的洪水灾情。

（2）对上下游桥梁的影响。根据二维模型计算结果，受拟建桥梁影响，上游的北王曼桥水位增加0.016 m，平均流速0.72 m∕s 降低至0.71 m∕s；新G205 国道桥，壅水高度为0.016 m，流速由0.72 m∕s 降低至0.70 m∕s；王庄子桥，壅水高度为0.017 m，流速0.79 m∕s降低至0.78 m∕s。

桥梁建设后，上游桥梁洪水位有所增加，周边流速有所减小，但壅高较低，且壅高后水位均不出槽，流速降低不明显，对其影响较小；下游桥梁无水位壅高，虽流速有所降低，但对其影响较小。

4.6 桥梁自身安全影响分析

（1）桥梁梁底高程分析。根据计算，桥址处10年一遇风浪高度为0.15 m，桥下净空取0.50 m，故计算允许梁底高程为6.95 m，南排河桥设计最低梁底高程为7.53 m，梁底基本不会受到洪水威胁。

（2）竖向布置分析。桩基埋深将影响桥梁结构安全，按100年一遇洪水来临时产生冲刷控制。经计算，桥梁位置最大冲刷深度0.21 m，桥梁桩基埋深40 m，完全满足冲刷要求。

5 结 论

（1）通过MIKE21 建立二维水力模型，以南排河桥为例，对建桥前后水位及流速进行仿真，并通过HEC-RAS 一维模型进行率定，由率定成果可知，两种模型计算模拟结果相互吻合较好，因此选定的糙率合适，建立的二维模型计算成果合理，模拟精度较为精确，可为城市桥梁防洪影响分析提供依据。

（2）根据二维模型模拟成果和壅水分析成果，建桥后桥梁位置壅水高度为0.018 m，上游水位壅高0.016～0.017 m，建桥后桥墩局部发生了绕流现象，桥墩处平均流速增加0.05 m∕s，其余河段受建桥影响平均流速降低0.01～0.02 m∕s，对河道行洪、河势及第三方影响较小。

（3）桥梁布置基本合理，桥梁梁底基本不会受到10 年一遇洪水威胁，桩基埋深满足抗冲刷要求，工程自身安全。