某高速公路顺河桥对河道防洪影响的数值模拟研究

作     者：朱可槿 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王新宏

授予年度：2024年

学科分类：081504[工学-水利水电工程] 081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：数值模拟 二维流场 顺河桥梁 防洪影响 

摘      要：目前,国内已建桥梁大多为跨河桥梁,且现有的水文勘测设计规范中相应的经验公式能够满足对跨河桥梁壅水高度、壅水长度等的计算要求,然而目前针对顺河桥梁对河道防洪影响问题的研究还不够完善,规范中已有经验公式并不适用于顺河桥梁壅水等问题的计算。为此,本文基于MIKE21构建平面二维水动力数值模型,使对顺河桥工程所在河道的流场模拟计算相比一维计算更加精确,且计算结果的展示更加直观,更加适用于研究顺河桥工程对河道防洪影响的问题,具有一定的学术价值及实际工程意义。 本文以甘肃省西和至宕昌高速公路顺河桥工程石峡枢纽为研究背景,利用MIKE21构建石峡枢纽建桥前、后河道的平面二维流场数值模型,研究不同洪峰流量下新建顺河桥梁对河道沿程洪水位、主槽及滩地流速、桥墩附近局部水流流场等的影响,并在此基础上分析了新建顺河桥梁对河道防洪的影响。主要研究内容及结论概括如下: (1)构建了石峡枢纽工程建桥前、后河道平面二维流场数值模型,并对模型的可靠性及适用性进行了验证。首先对网格无关性进行了验证,其次对石峡河主流及八峰沟支流进行了糙率敏感性分析,确定了石峡河、八峰沟合适的糙率系数取值分别为0.037、0.040。模型验证计算成果表明,本文所构建模型数值模拟计算结果与实际情况吻合较好,且后续不同洪水工况下流场计算结果均能达到稳定状态,验证了模型的可靠性及适用性。 (2)依据验证后的模型对石峡枢纽建桥前、后河道不同频率洪水工况下的平面二维流场进行了数值模拟计算,并据此分析了新建顺河桥梁对河道沿程洪水位、主槽及滩地流速的影响。对建桥前、后不同洪峰流量下河道沿程洪水位的分析表明,建桥后大部分过水断面处的洪水位均有所抬高,其中D7断面处建桥后洪水位抬高幅度最大,300年一遇抬高值为0.57m;对建桥前、后不同洪峰流量下河道沿程主槽及滩地流速的分析表明,建桥后大部分过水断面处的主槽及滩地流速均有所减小,其中D4断面处建桥后主槽流速有明显降低,300年一遇降低值为1.32m/s。从整体来看,不同洪峰流量下建桥后水面线衔接平顺,沿程各典型断面水位抬高幅度及主槽、滩地流速的变化均在合理范围内,不会对河道行洪安全及河势稳定等产生较大影响。 (3)分析了新建顺河桥墩对河道冲刷的影响,得到石峡河D7断面及八峰沟B7断面所在河道300年一遇洪峰流量时河槽总冲刷深度分别为5.99m及2.34m,远小于相应桥墩基础埋深17.4～30.3m,桥墩基础满足防冲要求。结果表明,顺河桥梁修建后仅在桥墩附近会产生一定的冲刷,新建顺河桥墩对河道冲刷的影响较小。 (4)分析了新建顺河桥墩对局部典型河段水流流场的影响,其中典型河段一壅水高度最大处300年一遇洪峰流量时建桥后桥墩附近最大局部壅水高度为2.50m,新建桥墩造成的局部壅水对上游一排的桥墩造成了一定的影响;最大流速由8.5m/s降低为7.8m/s,且建桥后的流速平面分布存在一定的绕流现象。结果表明,不同洪峰流量下局部典型河段建桥后会产生一定程度的局部壅水,且流速平面分布会产生一定的变化,但不会对河道行洪安全及河势稳定产生较大影响。