二維潮流數(shù)學(xué)模型在碼頭防洪影響分析中的應(yīng)用

建立了基于有限體積法的平面二維非恒定流數(shù)學(xué)模型,采用黎曼近似解通量差分裂(fds)格式計算通過各單元邊的水流法向數(shù)值通量,并應(yīng)用相關(guān)的懸移質(zhì)、推移質(zhì)河床變形計算公式計算沖淤變化。模型應(yīng)用于浙江省49省道溫溪至鶴城段改建工程河道水流狀況的模擬,結(jié)果表明工程修建后工程段的中間部位以上以及外側(cè)附近水位略有壅高,最大壅高值0.03m;工程區(qū)附近流速減緩、靠近河道中央流速略微增大,最大增幅約0.12m/s,河道沖淤幅度在0.3m以內(nèi)。

數(shù)學(xué)模型是防洪評價的一個重要技術(shù)手段。介紹了廣州水道某碼頭工程局部水域平面二維水沙數(shù)學(xué)模型的建立和驗證及實際應(yīng)用效果,結(jié)果表明,模型能較好地模擬工程附近水流泥沙運動以及河床沖淤變化規(guī)律,為預(yù)測分析工程建設(shè)對河道河床沖淤演變影響以及量化分析提供了一種手段和途徑。

采用河道平面二維水流數(shù)學(xué)模型,對襄樊河段水流運動以及襄樊電廠二期工程大件碼頭和取水口工程對防洪的影響進行了數(shù)值模擬計算。結(jié)果表明:工程修建后上游河段最大壅水高度約0.02m,最大壅水長度約為630m,水流流態(tài)及水流流速分布無明顯變化,對防洪影響不大。

在研讀近年來眾多優(yōu)秀防洪影響評價報告的基礎(chǔ)上,通過仔細對比、研究,歸納二維非恒定流數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用條件、方法和范圍:總結(jié)模型應(yīng)用的具體情況,包括參數(shù)率定、工程概化、結(jié)果統(tǒng)計與分析;最后,探討二維非恒定流數(shù)學(xué)模型在防洪評價實際應(yīng)用中的問題。為今后更好地進行防洪影響評價提供良好的理論依據(jù)和實際解決方法。

本文介紹了二維非恒定流數(shù)學(xué)模型的控制方程、定解條件、邊界條件、模型剖分、模型調(diào)試、計算過程,以及二維非恒定流數(shù)學(xué)模型在鄭武鐵路防洪影響評價中的應(yīng)用實例等。

依據(jù)《防洪法》等有關(guān)規(guī)定,對河道管理范圍內(nèi)的建設(shè)項目和位于河流影響范圍內(nèi)的重要建設(shè)項目應(yīng)進行防洪影響評價,重要的防洪工程應(yīng)運用數(shù)學(xué)模型分析計算。選用數(shù)學(xué)模型時,可根據(jù)實際情況,在滿足工程實際的需要條件下,適當(dāng)?shù)倪x用一維或二維數(shù)學(xué)模型。本文運用二維數(shù)學(xué)模型對吉林油田新民采油廠擬在河道灘地內(nèi)新建油井工程進行壅水計算,并采用經(jīng)驗公式法進行校核。結(jié)果表明:對于河道內(nèi)復(fù)雜地形及建筑物的防洪評價壅水計算,相比二維模型計算結(jié)果,經(jīng)驗公式計算結(jié)果偏小,采用二維模型計算結(jié)果進行防洪評價,結(jié)論更安全、可靠。

二維水流數(shù)學(xué)模型作為一種先進的工具,可為工程研究提供更豐富、更精確的信息,在港口、河道治理等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。本文采用二維水流數(shù)學(xué)模型分析了鷹潭信江特大橋興建后對工程河段行洪及流場的影響,為橋梁防洪影響評價提供了科學(xué)的決策依據(jù)。

根據(jù)江蘇灌河(鹽城與連云港兩市交界河)天然潮汐河道特點,結(jié)合船舶修造行業(yè)舾裝碼頭建設(shè)要求,采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型,對擬建碼頭處的潮位、流速、潮形等水力因素,利用上下游實測資料進行求解和率定,通過分析和計算,能夠更加準(zhǔn)確地反映碼頭等涉水構(gòu)筑物產(chǎn)生的壅水影響及潮流場變化情況,為科學(xué)合理地評價船舶修造項目的行洪影響提供依據(jù)。

通過建立二維水動力學(xué)數(shù)學(xué)模型,對阿什河珍珠島圍堤擴建進行了防洪影響分析及評價,分析表明圍堤擴建引起的河道水位最大壅高0.19m,流速最大增加0.25m/s,局部河段將不再滿足防洪規(guī)劃堤頂安全超高要求,但不會影響其它防洪規(guī)劃的安排與實施、防洪規(guī)劃的總體要求和整體目標(biāo),對本河段的防洪、河勢穩(wěn)定、防汛搶險以及第三方合法的水事權(quán)益也無明顯的不利影響。

文章以跨遼河的某座大型橋梁為例,對5a一遇設(shè)計洪水條件下的河道流場分布特征和水位變化情況,利用平面二維數(shù)學(xué)模型進行了模擬分析,并對比分析了流場變化和雍水。研究表明:在5a一遇設(shè)計洪水條件下的橋墩附近,跨遼河的某座大型橋梁的橋墩出存在一定的流場變化和雍水,工程建設(shè)可對遼河產(chǎn)生局部的影響作用。

為分析橋梁工程的修建對原河道水文情勢的影響,以小龍門大橋工程為例,采用平面二維數(shù)學(xué)模型,模擬了5a一遇設(shè)計洪水條件下工程修建前后河道內(nèi)水位和流場分布特征的變化。結(jié)果表明,橋梁工程修建后在橋墩附近產(chǎn)生了一定的壅水與流場變化,有局部性的影響。

采用二維數(shù)學(xué)模型計算并分析了某擬建橋梁和某電廠取水建筑物興建前后對河道水位及河勢的影響情況,與采用橋渡設(shè)計規(guī)范的經(jīng)驗公式計算結(jié)果比較,兩種計算結(jié)果比較接近,表明二維數(shù)學(xué)模型能較準(zhǔn)確地計算涉河工程興建引起的工程局部水位及流場變化情況,且能生動地表現(xiàn)其平面形態(tài)。該技術(shù)已成為當(dāng)前研究涉水工程防洪影響情況最常用的一種技術(shù)手段和方法。

采用無結(jié)構(gòu)不規(guī)則網(wǎng)格技術(shù)對滯洪區(qū)地形進行自動剖分,根據(jù)三維流體動力學(xué)方程建立了適合滯洪區(qū)計算的一、二維洪水模擬模型,將地形條件概括為地面型通道、河道通道、特殊型通道和連續(xù)堤或缺口堤4種通道對方程進行了離散,利用天津市大清河滯洪區(qū)的實測資料對模型進行驗證,結(jié)果吻合較好,并模擬了百年一遇洪水在本滯洪區(qū)的演進情況.為防洪減災(zāi)和經(jīng)濟發(fā)展提供了可靠的依據(jù).

通過建立的基于有限體積法的平面二維非恒定流數(shù)學(xué)模型,對馬家咀航道整治一期工程建設(shè)前后的河道水流運動進行模擬計算。結(jié)果表明:工程建設(shè)前后工程河段水位變化較小,工程附近河段水流流態(tài)及水流流速分布無明顯變化。研究建立的二維水流數(shù)學(xué)模型可準(zhǔn)確模擬工程河段水流運動,能在防洪影響評價中對工程前后河道水流、水位變化變提供較為可靠的依據(jù),具有實用價值。

為研究河道橋梁阻水問題,運用二維水流數(shù)學(xué)模型及其求解方法,建立了河道平面二維潮流數(shù)學(xué)模型并進行求解。經(jīng)對3座已建橋梁阻水的計算表明,模型計算精度經(jīng)驗證能滿足應(yīng)用要求。最后,應(yīng)用該模型進行了某擬建橋梁工程對河道的壅水、流場變化模擬計算,為橋梁阻水影響提供了較為準(zhǔn)確的評價。

規(guī)劃中的四川江安長江第二過江公路橋采用鉆石形串排圓柱型主塔，為了研究其主塔橋墩對該橋區(qū)河段各通航水力要素的影響程度，通過建立平面二維水流數(shù)學(xué)模型，模擬該河段方案實施前后的水流流場，從工程應(yīng)用的角度分析串列圓柱橋墩對河段水流條件的影響。分析數(shù)模仿真結(jié)果得知：在各級流量下橋區(qū)河段水位、流速在工程實施前后變化較小，橋軸線橫向流速較小，橋梁的建設(shè)對通航水流條件影響較小，不會對船舶安全通過橋區(qū)產(chǎn)生影響。

以橫沙東灘促淤圈圍六期工程為例,利用二維潮流數(shù)學(xué)模型,結(jié)合初擬的龍口合龍施工的具體收縮步驟,分析了合龍期龍口處典型的水力特性,并計算出各收縮步驟中水力充填合龍的最佳作業(yè)時段和可作業(yè)時段,為施工單位具體安排施工強度、配套設(shè)備等提供了重要支撐,最終完成了國內(nèi)罕見的單純采用水力充填方式合龍大型龍口的高難度施工,為類似條件的大型圈圍工程提供了參考。

采用平面二維非恒定全沙數(shù)學(xué)模型,結(jié)合滹沱河倒虹吸工程附近河道進行了模型驗證,得到了較好的結(jié)果。

本文通過對某碼頭工程建設(shè)實例的研究,分析了碼頭建設(shè)后對河道防洪安全所產(chǎn)生的影響,并提出消除或減少不利防洪影響的防護措施,供碼頭設(shè)計參考。

針對長江中游宜昌至枝城河段卵石夾沙河床級配分布寬等特點,建立了非均勻懸沙、底沙二維數(shù)學(xué)模型,尤其是考慮了底沙的不平衡輸移及沖淤過程中床沙的級配調(diào)整問題,對計算中的關(guān)鍵問題提出了處理方法,利用水文、泥沙及河床變形資料對模型進行了水面線、流速分布及沖淤過程的詳細驗證,尤其是進行了葛洲壩水利樞紐運用后、1998年洪水前后及三峽工程運用后的驗證。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)設(shè)計單位一維數(shù)模提供的水沙邊界條件,預(yù)測了三峽工程蓄水初期該河段的沖刷量、分布及床沙粗化過程。

通過對北盤江石板寨河段實際情況的勘察,結(jié)合歷史流量和輸沙率資料,采用準(zhǔn)二維泥沙數(shù)學(xué)模型對石板寨水庫有堰和無堰兩種設(shè)計方案進行了計算比較.最后給出了無堰方案更有利于確保電站及水庫的安全運行的結(jié)論.

應(yīng)用mike軟件對某碼頭工程進行防洪評價計算,分析了不同水文條件下工程前后的水位、流場變化,評價其對防洪的影響,為工程建設(shè)提供了科學(xué)依據(jù)。