張金委,王 斌

(1.浙江省仙居新區(qū)開發(fā)管委會,浙江 仙居 317300;2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 問題的提出

仙居縣位于浙江省東南部,縣城位于永安溪中游河谷平原。仙居縣城城市防洪工程擔負著縣城的防洪、排澇等任務(wù),工程實施后城區(qū)的防洪標準從現(xiàn)狀的5 a一遇提高到近期20 a一遇,遠期50 a一遇,從而進一步保證仙居縣社會和經(jīng)濟的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

該工程主要項目包括永安溪和盂溪左右岸防洪堤建設(shè)、安洲河段河道裁彎取直及劈山高邊坡處理、永安溪河道整治、安洲橡膠壩以及三橋溪排澇閘等6座防洪引水閘建設(shè)(見圖1)。其中,永安溪石牛村附近左岸石牛大橋至大圣寺防洪堤全長約850 m。根據(jù)規(guī)劃,該堤線橫穿石牛村村莊和基本農(nóng)田區(qū)域,同時需對石牛大橋左側(cè)引橋進行2孔擴孔(約65 m),對當?shù)鼐用裾Ｉ钜约肮こ陶鞯夭疬w帶來較大困難。為減少工程影響、降低工程投資以及加快工程進度,特對石牛村堤線進行優(yōu)化數(shù)值模擬研究,為工程布置提供技術(shù)依據(jù)[1]。

圖1 堤線平面布置圖

2 模型建立及驗證

2.1 控制方程及求解方法

沿垂線平均的二維非恒定流數(shù)學(xué)模型控制方程:

式中:η為水位(m);u、v垂線平均流速分量(m/s);h為水深(m);g為重力加速度(9.81 m/s2);f為柯氏力參數(shù);ρ0為水的密度;τsx、τsy、τbx、τby分別為表面風(fēng)應(yīng)力和底部摩擦力;sxx、sxy、syx、syy為輻射應(yīng)力張量;Txx、Txy、Tyy分別為側(cè)應(yīng)力;t為時間(s)。

方程(1)為水流連續(xù)方程,方程(2)、(3)分別為x、y方向的動量守恒方程,求解采用控制體積法顯式迎風(fēng)模式[2-3]。

2.2 計算范圍及網(wǎng)格布置

數(shù)學(xué)模型全長約27 km,上邊界為仙居水文站,下邊界至臨海柏枝岙水文站。模型內(nèi)主要支流包括三橋溪、盂溪、橋下溪、朱溪等,計算范圍見圖2。

模型最大網(wǎng)格邊長約50 m,工程區(qū)及涉水建筑物附近網(wǎng)格根據(jù)實際地形特點漸變加密,最小網(wǎng)格邊長約為10 m。整體計算區(qū)域網(wǎng)格節(jié)點17 907個,單元總數(shù)33 863個,局部網(wǎng)格布置見圖3。

圖2 模型計算范圍圖

圖3 模型計算局部網(wǎng)格圖

2.3 模型驗證

模型采用2005年的 “羅莎” 臺風(fēng)以及2007年的 “韋帕”臺風(fēng)2場洪水的洪痕調(diào)查資料進行驗證。其中2005年的“羅莎”臺風(fēng)相當于5 a一遇洪水,驗證結(jié)果見圖4,從圖4中可以看出,計算驗證點與實測資料差值在0.20 m以內(nèi),表明模型的選擇、參數(shù)的率定等都較為合理,能夠滿足方案計算的需要[4]。

圖4 數(shù)學(xué)模型驗證比較圖

3 計算結(jié)果

3.1 優(yōu)化方案

通過分析石牛村附近村莊、農(nóng)田以及河勢分布情況,針對規(guī)劃堤線提出2種優(yōu)化方案 (見圖1),分別為:優(yōu)化方案1:大橋處堤防外移50 m(石牛大橋擴孔約1孔),規(guī)劃堤線左4+049.782 m處外移50.00 m,下游段堤防直線連接于石牛閘出口堤防;優(yōu)化方案2:大橋處堤防外移65.00 m(石牛大橋不擴孔),規(guī)劃堤線左4+049.782 m處外移60.00 m,下游段堤防直線連接于石牛閘出口堤防。

3.2 對沿程洪水位影響

通過50 a一遇工況洪水計算,得出各方案洪峰時刻沿程洪水位變化圖(見圖5)。從圖5中可以看出,首先,堤線外移對橡膠壩前洪水位幾乎沒有影響,下游最遠影響到石牛大橋以下500 m附近位置(測8斷面);堤線外移后,石牛大橋上游河道水位略有上升,下游則略有降低;其次,優(yōu)化方案1上游河道主槽最大的水位增幅約0.06 m,而方案2則達到0.12 m左右,增幅為方案1的2倍。

圖5 堤線各布置方案洪峰時刻水位變化圖

3.3 對沿程流速分布的影響

圖6給出了堤線附近河道流速變化等值線圖。從圖6中可以看出,優(yōu)化方案橡膠壩前流速分布幾乎沒有變化。壩下600m斷面由于洪水位壅高,相應(yīng)流速減小0.10 m/s左右,降幅約3.74%;石牛大橋附近受河道主槽縮窄影響,流速基本有所增大,上游50 m斷面流速最大增幅為0.15 m/s,下游的測8斷面增幅有所減小,最大約0.10 m/s。

圖6 堤線各布置方案洪峰時刻流速變化等值線圖

4 結(jié) 語

本文采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型,對仙居城防工程石牛村左岸的規(guī)劃堤線及其2個優(yōu)化方案進行了計算,通過各方案沿程洪水位和流速變化比較,表明石牛村堤線外移65 m方案內(nèi)對河道行洪的影響不明顯,但為盡量減少堤防對行洪的影響,建議石牛大橋堤線盡量控制外移50 m以內(nèi)。

該優(yōu)化方案能有效地避免工程實施對石牛村的民房拆遷影響,減少土地占用近2 hm2(30畝),節(jié)約工程投資約1 500萬元,并為下一步工程設(shè)計提供了技術(shù)依據(jù)。

[1]吳蕾,呂中明,施馮洪,等.仙居縣縣城城市防洪工程初步設(shè)計報告[R].杭州:浙江省水利水電勘測設(shè)計院,2003.

[2]包中進,周杰.曹娥江大閘導(dǎo)流堤方案水力學(xué)數(shù)值模擬 [J].水動力學(xué)研究與進展:A輯,2004(S1):948-953.

[3]陳玉璞.流體力學(xué) [M].南京:河海大學(xué)出版社,1990.

[4]包中進,徐崗,王斌,等.仙居縣城市防洪工程河道模型試驗研究報告 [R].杭州:浙江省水利河口研究院,2010.