浅谈Mike21模型在桥梁行洪论证水流模拟中的应用

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摘 要：简要介绍mike21平面二维模型的功能和应用情况，以泸州市海潮沱江大桥工程桥区沱江河段模拟为例，展示了该模型的模拟效果。该模型计算成果令人满意，其精度可以满足使用要求。

关键词：Mike21 平面二维 数值模拟 沱江

泸州市海潮沱江大桥位于四川省泸州市泸县海潮镇，桥梁跨沱江而设，由于本工程的修建将影响沱江局部河段行洪面积、流态，对桥区沱江的防洪态势造成一定影响，根据《中华人民共和国水法》、《中华人民共和国防洪法》等有关规定，本工程须进行行洪论证专题分析，为工程的设计及项目审批提供科学依据。

目前数学模型是研究涉水工程对河道行洪影响采用较多的技术手段，其中Mike21是较为成熟的平面二维数学模型之一。该模型由丹麦水力学研究所开发，可用于模拟河流、湖泊、河口、海岸等的水流、泥沙、波浪等方面，该软件在国内一些大型工程中得到应用，如：黄浦江水流和水质模型、嘉陵江重庆段水流模拟、长江口水动力学模拟等，均取得了良好的效果。

1.Mike21模型

1 . 1模型简介

Mike21模型广泛应用于国内外水动力模拟中，取得了较好的效果，在世界范围内大量工程应用经验基础上持续发展，是目前国际上较为先进的二维模型之一。

1 . 2模型功能

（1）用户界面友好，属于集成windows图形界面。

（2）热启动设置功能。用户因各种原因暂时中断了Mike21模型，当再次开始计算时，只需将上次计算设置的热启动文件调入便可继续计算，极大地方便了计算时间有限制的用户。

（3）具有强大的前、后处理功能。在前处理方面，具有根据地形资料进行网格划分功能；在后处理方面，具有流场动态演示及动画制作、计算断面流量、实测与计算过程验证、不同方案比较等分析功能。

（4）强大的卡片设置功能。可以进行多种控制性结构的设置，如桥墩、堰、闸、涵洞等。

（5）干、湿节点和干、湿单元的设置功能，能较方便地进行滩地水流的模拟。

（6）多种类型水边界条件的定义功能，如流量、水位或流速等。

（7）广泛应用于二维水力学现象的研究功能。可对潮汐、水流、风暴潮、水质、波浪紊动、船运、泥沙侵蚀和输移及沉积等进行研究。

2.计算实例

2 . 1工程结构

泸州市海潮沱江大桥工程全长624m，主桥为95+170+95m预应力砼连续梁，下部为钢筋混凝土薄壁空心墩，钻孔灌注桩基础；引桥为25m小箱梁，下部构造采用圆柱式钢筋混凝土桥墩和盖梁，桩基均采用钻孔灌注桩，桥台为重力式桥台。

2 . 2工程水文条件

沱江流域水文站点较多，布设合理，基本上能控制沱江干流的水情变化。本工程位于沱江干流上，控制集雨面积24403.7km2，与李家湾水文站集雨面积（23283km2）最接近，李家湾水文站资料齐全，可作为本工程水文计算的依据站。

根据李家湾站1951～2000年洪水流量系列，加入1898年、1936年历史洪水，组成不连续最大洪水系列，采用数学期望公式分别计算历史洪水和实测洪水系列各项的经验频率，以距法计算统计参数的初值，采用P-Ⅲ型理论频率曲线适线后，确定统计参数及设计值，成果见表1。

本工程桥址处集雨面积与李家湾站控制面积相差4.8%，小于15%，故可将李家湾站的设计洪水成果采用面积比指数（按面积比的三分之二次方）移用至本工程断面处，经计算，本工程处设计洪水见表2。

2.3行洪论证计算

（1）模型计算范围及地形。数学模型计算范围应能充分涵盖工程可能影响的范围及模型边界稳定所需的范围。综合考虑水文资料、地形及工程研究内容等因素，计算范围选取为：本工程上游2.8km至下游2.3km共5.1km河段。

（2）有关系数的选取。①糙率系数，糙率系数通过模型的率定和验证来确定，本次选用0.03～0.035。②动边界处理。为保证模型计算的连续性，采用动边界技术模拟不同流量下的网格干湿变化。当单元水深大于水深临界值hwet时，判断单元为“湿”，正常计算动量方程；当计算单元的任一边界水深值都小于水深临界值hdry时，判断该单元为“干”，不参与计算。一般给定hwet为10cm，hdry为0.5cm。③计算工况。模型采用桥梁设计标准进行计算，评价起始断面（桥位下游2.3km）300年一遇标准下流量为22100m3/s，水位为254.01m。

（3）模拟结果分析。经过模拟，本工程桥位处河道水位变化情况见图1。

从二维数学模型计算结果可知，建桥后桥位上游产生壅水，桥位下游产生跌水。300年一遇洪水标准时，桥前最大壅水高度为5cm，最大跌水高度为16cm。Mike21计算得到的桥前最大壅水值与采用经验公式计算得到的桥前最大壅水值4.8cm接近，说明了Mike21在桥墩壅水计算中的适应性较好，计算结果较合理。因工程建设造成的水位壅高值较小，本工程的建设对桥区河道行洪影响较小。

3.结语

以拟建泸州海潮沱江大桥为例，采用Mike21模型对建桥前后水位变化情况进行模拟分析，其计算结果与经验公式相比较为合理。该模型可较好反映泸州海潮沱江大桥建设对桥区河道的影响情况，由于海潮沱江大桥修建后，桥区河道水位壅高值较小，其对桥区河道行洪影响较小。

Mike21二维模型具有研究费用低、运行速度快、周期短、可考虑较多因素的相互影响、对结果进行可视化展示等优点。将水动力数值模拟全过程设计成软件包，配合前、后处理工具，降低技术门槛，使其通用性大大加强，并且通过图形界面操作，可极大减轻工作量。随着水动力学理论及计算机技术的不断完善，水动力模型技术将朝着高效、高精度、可视化等方向迅猛发展。

参考文献：

[1]王领元.应用Mike对河流一、二维的数值模拟[D].大连：大连理工大学，2007.

[2]张红武，马继业.河流桥渡设计.北京：中国建材工业出版社，1993.

[3]许婷.Mike21 HD计算原理及应用实例[J].天津：港工技术，2010.