二維水動力模型在河道防洪分析中的應(yīng)用

1、<p>　　二維水動力模型在河道防洪分析中的應(yīng)用</p><p>　　摘要：河道防洪堤設(shè)置的合理性是影響河道行洪的關(guān)鍵問題，針對防洪堤設(shè)置是否會對河道行洪產(chǎn)生影響的問題，提出了河道水流的數(shù)值模擬計算方法。利用二維水動力模型對河道水流的二維模擬，能分析出修建防洪堤前后河道水位及流場的相對變化。該方法的運用解決了在缺乏相關(guān)資料的情況下的水力計算問題，而且還為防洪堤設(shè)置的合理性提供了有力的依據(jù)。 </p

2、><p>　　關(guān)鍵詞：防洪堤河道行洪 數(shù)值模擬 能量方程 水力計算 </p><p>　　由于防洪工程所在河段地形條件的限制，所以防洪堤一般布置于河道兩側(cè)。汛期來臨時防洪堤可能會受到洪水的沖刷影響，同時還要考慮防洪堤的穩(wěn)定性問題[1]。這兩方面內(nèi)容都受到了學(xué)者們的關(guān)注，本文即基于河道水面變化的連續(xù)性，綜合考慮防洪堤所在位置河段的水力條件變化，更加合理地分析防洪堤束窄河道后對行洪的影響。 <

3、;/p><p><b>　　1.行洪分析方法 </b></p><p>　　目前在防洪堤河道行洪分析中，通常利用曼寧公式計算防洪堤河道過水?dāng)嗝姹皇昂蟮乃?，來對比防洪堤的修建是否會對河道行洪產(chǎn)生影響。采用這種計算方法，對比的僅僅是獨立的斷面，防洪堤的修建會造成原河道束窄，過水?dāng)嗝婷娣e減小，導(dǎo)致相同的過流量水位壅高，這個孤立的斷面只是面積減小，造成相同高程下的過水量減小

4、，忽略了河道上下游之間的水力關(guān)系，不能真實反映防洪堤修建并且河道斷面束窄后對水流流態(tài)造成的影響。 </p><p>　　2 .防洪堤-（防洪堤概況） </p><p>　　防洪堤位于河道右岸，防洪堤位置如圖1所示。防洪堤的修建占用了原河道行洪斷面，造成河道斷面束窄。防洪堤高程為562.80m，其修建改變了河道原有地形，計算條件下將防洪堤布設(shè)在原河道地形上，并將防洪堤的高程賦值給相應(yīng)的地形線

5、，得到防洪堤的計算地形。 </p><p>　　模型初始條件的變量包括流量、流速、水位，計算區(qū)域內(nèi)流量和水位為計算相應(yīng)的初值，流速為零。模型計算時上游進(jìn)口邊界采用流量條件，下游出口邊界采用水位條件，河床糙率取值為0.025。 </p><p>　　本次計算中，假定防洪堤修建后的水位未受到影響。由于防洪堤修建束窄河道，會造成上游壅水，對下游河道水流流態(tài)造成影響，為了保證兩種計算條件下的對比性

6、，不計該斷面水位的變幅。因此，計算中進(jìn)口流量采用20年一遇洪峰流量Q=5080m3/s，出口水位采用3#斷面水位Z=560.90m。計算在相同條件下，防洪堤修建后的河道水位變幅。 </p><p><b>　　3. 計算成果 </b></p><p>　　3.1 模型計算成果 </p><p>　?。?）圖2是模型計算修建防洪堤前后的河道水位圖

7、。為從圖中可以看出，修建防洪堤后改變了河道的原有地形，阻擋了水流向溝道方向的流動。除修建防洪堤部分外，其河道過水?dāng)嗝嫠欢荚?63m以下，說明防洪堤的修建對束窄河道后，造成水位壅高是有限的，不會影響洪峰流量條件下的河道斷面的行洪能力，河道束窄沒有對水位造成明顯的影響。在相同斷面條件下，過流能力是一定的，由液體運動的流束理論可知，未造成過流斷面面積的增大，其流速會有所增大。 </p><p>　?。?）圖3即為模型

8、計算河道的流場圖，黑色箭頭代表水流的方向。從圖中可以看出，原河道地形在未修建防洪堤前溝道中還有一定的流速，修建防洪堤后即不存在這部分流速，并且對比修建防洪堤前后的水面寬度有明顯的減小，河道中水流流速也有所增大，特別是在防洪堤防護(hù)擋墻的外側(cè)，河道流速明顯增大，從0.6～0.8m/s增大到1.2～1.4m/s。從部分來看，圖3中所標(biāo)注的位置在原河道地形中出現(xiàn)了流速增大的現(xiàn)象，這些地方容易造成嚴(yán)重的沖刷；相同條件下的防洪堤河道地形，防洪堤的修

9、建將河道順直，原有流速集中增大區(qū)域也在順直的河道中消失，有效地減小了水流對河道的沖刷，同時也避免了河道洪水對擋墻墻角的沖刷，保證了擋墻的穩(wěn)定性。 </p><p>　　3.2 計算成果驗證 </p><p>　　將能量方程計算結(jié)果和模型計算成果進(jìn)行對比，盡管水位不完全相同，整體來說是相近的。采用能量方程對模型計算結(jié)果進(jìn)行驗證，模型計算結(jié)果是可以接受的，說明采用該模型計算的結(jié)果是可信的。 &

10、lt;/p><p><b>　　4.結(jié)論 </b></p><p>　　綜上所述，采用二維水動力模型計算河道水位的方法是可行的，由于二維水動力模型計算具有模擬水流在X方向的運動的功能，恰好滿足了河道沿岸防洪堤束窄河道，改變水流在X方向流態(tài)的條件，更好地模擬了河道被束窄后河道洪水的水流流態(tài)。 </p><p>　　對于河道水面線而言，模型計算可以得到

11、整個河道的水位變化，而能量方程只能夠得到某幾個斷面的水位，特別是在編制防洪方案水文水情資料缺乏的條件下，適用性較模型差。對于所需要的防洪堤修建前后河道水位變幅，模型計算能夠完整地反映出修建防洪堤位置河道的水位和水流流態(tài)變化，不僅得到了河道束窄段水面線的波動，更可以清晰的看出河道流場變化，對選擇和設(shè)計防洪堤的防護(hù)措施具有積極的作用。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></

12、p><p>　　[1] 王崢，林鋒，趙如雄.強度折減法在錦屏水電站對外專用公路13#渣場邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用[J].甘肅水利水電技術(shù). 2010，46（2）：16-18. </p><p>　　[2 吳持恭.水力學(xué)[M].北京，高等教育出版社. 2003. </p><p>　　[3] 孫德強，胡方，姜國徽. Mike21模型在白浪河治理工程中的應(yīng)用[J].山東水利.