二維水動(dòng)力模型在河道防洪分析中的應(yīng)用

1、<p>　　二維水動(dòng)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(wèn)題，針對(duì)防洪堤設(shè)置是否會(huì)對(duì)河道行洪產(chǎn)生影響的問(wèn)題，提出了河道水流的數(shù)值模擬計(jì)算方法。利用二維水動(dòng)力模型對(duì)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(chǎng)的相對(duì)變化。該方法的運(yùn)用解決了在缺乏相關(guān)資料的情況下的水力計(jì)算問(wèn)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(jì)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(lái)臨時(shí)防洪堤可能會(huì)受到洪水的沖刷影響，同時(shí)還要考慮防洪堤的穩(wěn)定性問(wèn)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(duì)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(jì)算防洪堤河道過(guò)水?dāng)嗝姹皇昂蟮乃?，?lái)對(duì)比防洪堤的修建是否會(huì)對(duì)河道行洪產(chǎn)生影響。采用這種計(jì)算方法，對(duì)比的僅僅是獨(dú)立的斷面，防洪堤的修建會(huì)造成原河道束窄，過(guò)水?dāng)嗝婷娣e減小，導(dǎo)致相同的過(guò)流量水位壅高，這個(gè)孤立的斷面只是面積減小，造成相同高程下的過(guò)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(shí)反映防洪堤修建并且河道斷面束窄后對(duì)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(jì)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(xiàn)

5、，得到防洪堤的計(jì)算地形。 </p><p>　　模型初始條件的變量包括流量、流速、水位，計(jì)算區(qū)域內(nèi)流量和水位為計(jì)算相應(yīng)的初值，流速為零。模型計(jì)算時(shí)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(jì)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(huì)造成上游壅水，對(duì)下游河道水流流態(tài)造成影響，為了保證兩種計(jì)算條件下的對(duì)比性

6、，不計(jì)該斷面水位的變幅。因此，計(jì)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(jì)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(jì)算成果 </b></p><p>　　3.1 模型計(jì)算成果 </p><p>　　（1）圖2是模型計(jì)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(dòng)。除修建防洪堤部分外，其河道過(guò)水?dāng)嗝嫠欢荚?63m以下，說(shuō)明防洪堤的修建對(duì)束窄河道后，造成水位壅高是有限的，不會(huì)影響洪峰流量條件下的河道斷面的行洪能力，河道束窄沒(méi)有對(duì)水位造成明顯的影響。在相同斷面條件下，過(guò)流能力是一定的，由液體運(yùn)動(dòng)的流束理論可知，未造成過(guò)流斷面面積的增大，其流速會(huì)有所增大。 </p><p>　?。?）圖3即為模型

8、計(jì)算河道的流場(chǎng)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(duì)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(lái)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(duì)河道的沖刷，同時(shí)也避免了河道洪水對(duì)擋墻墻角的沖刷，保證了擋墻的穩(wěn)定性。 </p><p>　　3.2 計(jì)算成果驗(yàn)證 </p><p>　　將能量方程計(jì)算結(jié)果和模型計(jì)算成果進(jìn)行對(duì)比，盡管水位不完全相同，整體來(lái)說(shuō)是相近的。采用能量方程對(duì)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，模型計(jì)算結(jié)果是可以接受的，說(shuō)明采用該模型計(jì)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(dòng)力模型計(jì)算河道水位的方法是可行的，由于二維水動(dòng)力模型計(jì)算具有模擬水流在X方向的運(yùn)動(dòng)的功能，恰好滿(mǎn)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(duì)于河道水面線(xiàn)而言，模型計(jì)算可以得到

11、整個(gè)河道的水位變化，而能量方程只能夠得到某幾個(gè)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(duì)于所需要的防洪堤修建前后河道水位變幅，模型計(jì)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(xiàn)的波動(dòng)，更可以清晰的看出河道流場(chǎng)變化，對(duì)選擇和設(shè)計(jì)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(qiáng)度折減法在錦屏水電站對(duì)外專(zhuān)用公路13#渣場(chǎng)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(qiáng)，胡方，姜國(guó)徽. Mike21模型在白浪河治理工程中的應(yīng)用[J].山東水利.