被覆盖弯段河道防洪影响研究

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摘要：本项目研究以深圳市布吉河宏达大厦覆盖工程为模型案例建立二维弯道数值水槽模型，评价弯道河段覆盖对河道现状行洪能力（100年一遇）的影响以及工程区局部流态改善问题，为工程设计提供科学依据。考虑到布吉河上无水文站，缺乏实测水文数据，所以弯道数值水槽边界控制条件由一维数学模型提供，通过二维数学模型和一维数学模型相互补充的技术形式，对上述问题进行综合研究。

关键词：覆盖工程、弯道数值水槽、数学模型、行洪Abstract:This research project in Shenzhen city of Buji River HTC building coverage engineering a two-dimensional numerical model for the case of curve model, evaluation of bend coverage on the channel status of flood discharge capacity (100 years) and the influence of the local flow engineering area to improve the problem, provide the scientific basis for the engineering design. Considering that there is no hydrological station on the Buji River, the lack of hydrological data, so the curve numerical boundary condition by the one-dimensional mathematical model provides technology complement each other, form by two-dimensional mathematic model and one dimension mathematical model, a comprehensive study of the problem.

Keywords: covering engineering, Curve Numerical flume, mathematical model, Hang Hong

中图分类号：TV143+.3 文献标识码：A 文章编码

1模型案例概况

深圳市布吉河宏达大厦已经完成相应河道的覆盖工程，其位于布吉河上游段，南门墩桥下游，参考图1-1。本河段进口处转弯半径较小，又有大芬支流从凹岸汇入，水流条件比较复杂，通过模型实验和专题计算对其进行了防洪影响评估，

本次研究建立平面二维弯道数值水槽，进行数学模型研究。通过建立二维弯道数值水槽研究覆盖工程对河道现状行洪能力的影响以及工程区局部流态改善问题，为工程设计提供科学依据。弯道数值水槽的边界条件由一维河道恒定流计算模型提供，即充分发挥一维模型的快速方便的特点，同时又能获得局部平面范围的细部信息，为优化河道覆盖工程方案提供科学依据。

图1-1工程“现状研究覆盖段”位置

2研究基础资料

根据《布吉河上游整治工程可行性研究报告》[3]，本覆盖工程布吉河河段流量QP=1%=456m3/s，大芬支流流量QP=1%=158m3/s，相应的下游水位HP=1%=4.38m。根据深圳河办公室1996年在布吉河的水文测验资料[4][5]，布吉河最大含沙量13kg/m3，平均2.51kg/m3。

3数学模型研究

本次研究的弯道数值水槽的边界条件由一维河道恒定流计算模型提供：即根据一维圣维南方程组，建立一维河道数值模型，先进行大范围的一维河道模拟，获得工程区的水位流量关系，再建立平面二维弯道数值水槽研究工程局部水流问题。这样做的好处是充分发挥一维模型的快速方便的特点，同时又能获得局部平面范围的细部信息。

3.1一维数学模型的方程及算法

3.1.1基本方程

连续性方程： (3-1)

运动方程： (3-2)

以上圣维南方程组主要针对非恒定渐变流水流计算，如果是恒定流，可将圣维南方程组简化，其连续性方程自动满足，运动方程第2项为0，简化后的非均匀渐变流的水位沿流程变化微分方程式为：

(3-3)

3.1.2数值计算方法

式（3-3）一般按有限差分离散，即将河道划分成若干计算段，每段分别采用离散后的方程计算，式（3-3）离散后的方程其实就是不可压缩流体恒定流能量方程（伯努利方程）。

3.1.3一维模型为二维弯道数值水槽提供的边界条件

文献[3]中已经利用该一维河道模型进行了一些工程区不同设计流量下的河道水位计算，根据其计算成果取弯道数值水槽上游布吉河流量QP=1%=456m3/s、大芬支流流量QP=1%=158m3/s，相应的下游水位HP=1%=4.38m，工程区底板平均高程17.9m。

3.2二维数学模型的方程及算法

3.2.1基本方程

连续方程：

（3-5）

动量方程：

（3-6）

（3-7）

3.2.2定解条件

（1） 初始条件

（2） 边界条件

开边界采用流速边界：；或采用水位边界：。式中，、、均为根据现场观测资料确定的已知量，分别用流速过程或水位过程控制。闭边界采用不可入条件，即，法向流速为0，n为边界的外法向。

3.3数学模型建立

3.3.1计算范围确定及网格剖分

弯道数值水槽模型计算域示意见图3-1，模型采用三角形无结构网格剖分，网格节点数6666，

三角形单元11574，最大网格步长约14.5m，最小步长＜0.2m，工程区外网格较疏，工程区附近网格较密（见图3-2）。

图3-1弯道数值水槽主要尺寸（单位：m） 图3-2 计算网格示意图

3.3.2模型验证

弯道数值水槽能否复演出与天然相似的流场，关键取决于数值水槽验证结果与实测资料的吻合程度。本验证实测资料引自文献[7]中的闸前90°弯道水流实验，借用其实验结果对二维数值水槽建立方法进行验证。

根据工程实际参数计算得到整个计算区域流速与水深的数值解。第5～7断面上水深、流速的计算值与实测值比较可知：弯道水流入弯后，凸岸流速稍增而凹岸流速稍减，过了弯顶之后又出现相反的调整。计算结果与实测资料符合较好，表明该模型能够有效地模拟流线弯曲的复杂水流的水力特性。

图3-3计算网格示意图

3.4优化方案比选

通过弯道数值水槽模拟不同的工程方案，将其与现状条件下的水流特征、包括弯道内的测点水位和测点流速、各涵孔的单宽流量等相比较，以找出对现状河道行洪影响最小的方案。边界条件上游布吉河流量QP=1%=456m3/s、大芬支流流量QP=1%=158m3/s，相应的下游水位HP=1%=4.38m。

3.4.1方案介绍

工程区布置方案考虑以下几个：现状方案、设计方案、设计方案+导流墩方案、设计方案+导流墙方案，如图3-4～7所示。

3.4.2方案对比

（1）设计方案实施后，各涵孔的单宽流量均有不同程度的变化，其中5号涵孔增加较大，最大单宽流量增幅达到现状方案条件下的22%，对防止弯道凸岸泥沙淤积有利。

（2）设计方案实施后，各涵孔的水位也有不同程度的变化，但总体变化很小，最大不超过2.2%，对现状河道行洪能力影响甚微。

（3）“设计方案+导流墩”对局部流态改善较好，其流态平顺，无明显回流和死水区（图3-9），且各涵孔流速较大，有利于弯道内泥沙向下游输移。

4主要结论

本文通过数学模型研究布吉宏达大厦河段覆盖工程对河道行洪的影响及局部工程区流态改善问题，得出的结论主要包括：

（1）本文建立的弯道数值水槽计算结果与实测资料符合较好，表明该模型能够有效地模拟流线弯曲的复杂水流的水力特性。

（2）按照河道现状100年的行洪能力，本文进行了工程后的河道行洪能力分析，发现采取设计方案后，有助于归顺弯道水流，各涵孔的水位相对于工程前变化很小，最大不超过2.2%，对现状河道行洪能力影响甚微。另外，设计方案实施后，5号涵孔流量增加较大，最大流量增幅达到工程前条件下的22%，对防止弯道凸岸泥沙淤积有利。

（3）本文利用导流墩改善局部水流流态，发现“设计方案+导流墩”较优：①其流态平顺，无明显回流和死水区（图3-9）；②采用导流墩后，可进一步增大5号涵孔流量，增幅达到现状条件下的31%。

参考文献

深圳市水务规划设计院，《布吉河南门墩河段整治工程水力学模型实验报告》，1994年7月。

深圳市水务规划设计院，《布吉河宏达大厦覆盖工程专题报告》，2003年。

深圳市水务规划设计院，《布吉河上游整治工程可行性研究报告》，2008年2月。

陈建湘,徐建秋.深圳河潮流水文特性分析[J]. 长江工程职业技术学院学报,2006,23(3):19-21.

张华. 深圳河干、支流泥沙特性及淤积规律研究[J]. 中国农村水利水电,2003,(2):49-50.

Smagorinsky, J., "General Circulation Experiments with the Primitive Equations,I. The Basic Experiment," Mon. Weather Rev., 91, 99-164. 1963.

徐桂英. 闸前弯道水流特性的实验研究[J].武汉水利电力大学学报,1995,28(3):339-341.