河道水流数值模型计算在邵武石壁溪河道综合治理中的应用

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1、2013年第2期河道水流数值模型计算在邵武石壁溪河道综合治理中的应用阮伟芳(福建省水利水电科学研究院，福建福州350001)摘要：该文介绍邵武石壁溪河道综合治理中河道水流数值模型的应用。通过数值模型计算，求出石壁溪综合治理后河道沿程水位、流速场分布、特征断面流速、流量等变量的时空变化规律，揭示了铁路桥、弓墩桥下游、各个支流入汇处等河段的复杂流态和防冲问题，从优化水流流场角度，为石壁溪治理河道防冲方案优化提供了科学依据。关键词：邵武石壁溪；数值模型；河道防冲方案中图分类号：TV85文献标识码：B文章编号：1002—3011(2013)02—0

2、063—04根据经验教训，改河后，河床沿程流速场的时1工程概况空变化及河床防冲问题是工程设计的关键问题，必根据金塘工业园区控制性规划，沿石壁溪弓墩须认真对待。桥下游左右两岸布置金塘工业园区二期平台。为了2河道主要特征更好地开发利用地块、保证专用铁路线建设、保护金塘工业园免受洪涝灾害的威胁，石壁溪弓墩桥下石壁溪为闽江上游富屯溪的一级支流，位于邵游到富屯溪之间长4．2km的河道需要综合治理，其武市境内吴家塘镇。流域面积92．1km，主河道长中弓墩桥下游到公路桥之间长约3．6km的河道需要18．4km，河道平均比降7．08％o，20年一遇设计洪改

3、线。峰流量375m／s。石壁溪河道两岸现状为自然岸坡，综合治理段沿线自上而下有支流1、支流2、支治理后选用“C埋石混凝土挡墙+浆砌块石护坡”流3汇人，并有弓墩桥、行岭桥、公路桥及铁路桥复合式断面对河岸进行护砌。跨过石壁溪。河道综合治理前长4．2km，河床平均石壁溪属山区性河流，具有流经的地区坡面陡纵坡比降2．1％o，综合治理后河道长3．54km，相应峭、径流模数大、汇流时间较短、河谷断面较狭窄、河道平均纵比降2．5％o，截弯比为1．19。石壁溪整调蓄能力低、洪水暴涨暴落、洪枯期水流量变幅大治前后河道与工业园区相对位置见图1。等水文特征；且沿

4、程比降大，受河床形态影响沿程分配极不均匀。比降大、河槽窄，流速及河流的冲刷能力势必强，因此河道防冲是石壁溪改河综合治理成败的关键因素之一。3项目设计难点和治理方案(1)根据规划，弓墩桥下游长约3．6km的河道需从原河道改到东侧山体附近，使原河道长度缩短，河床平均纵比降增大。如何保持改线治理后弓墩桥下游与原河道的流态相近，尽量减小对改线后图1石壁溪整治前后河道与工业园区相对位置图河道水流动力参数的影响程度是设计的首要任务。收稿日期：2013—05—21(2)支流人汇口处流态复杂，需进行流态分析632013年第2期并确定易冲区域的防护范围。at

5、+訾ax+av=q㈩(3)需分析对跨河建筑物尤其是对铁路桥的影响程度，采取必要的处理措施以确保其运行安全。运动方程：以上三项改河治理方案的确定与河道流场的分素_OaEu+vOa_Uvu_-fv+g煮+g百ufu2+v2=0(2)析密切相关。为精确计算石壁溪综合治理后河道的流场，为河道治理设计提供依据，业主委托福州大Ov+u学进行石壁溪河道水流数值模型分析，采用福州大+v+fu+g嚣+g=0(3)学自主研发的二维水流数值模拟程序进行计算。该式中：Z为水位，即自由水面与基准面间距离；软件针对福建省山区河道坡陡流急的特点，通过数t为时间；学方法的

6、改进，实现了强不规则复杂地形的河道二u、v分别为流速在X、Y方向上的分量；维水流数值模拟计算。H为水深，即自由水面与河床面间距离；4河道水流数值模型计算基本原理及成果q为源汇项；f为柯氏力；4．1模型基本原理g为重力加速度；项目研究以平面二维非恒定流基本方程为基本框架，利用虚功原理变换成Galrkin变分方程，求出c为谢才系数，一般明渠c=h(n为糙方程中的每一项系数，将方程转化为常微分方程，率系数)。最后利用O方法求解。网格布设上，采用有限元加4．1．2Galerkin变分形式及方程的解权质量集中法，用有限元三角形单元剖分河道计算在xy平

7、面上，取有限维子空间v∈H(G)，且区域，使工程岸线与单元网格完全拟合，解决了常‘p。(x，Y)，‘P2(x，Y)，⋯，‘PN(X，y)是v的一组基，规水文分析计算与天然河道容易失真的问题，提高根据虚功原理对方程(1)、(2)和(3)两边均乘了计算精度。4．1．1二维水流数学模型的基本方程以‘pi(x，Y)，其中u，v和z分别用uh，vh和zh代连续性方程：替，在区域G上积分得到如下式子：L,t~j一(H(t))uj(t)一(HliyjkHk(t))vj(t)+(善。lH())uj(t)+j(赢H())vj()q(4)，j。jNA一．NNN

8、NNuujm_j+(m。u(t))u(t)+(m'jkyUk(t))V(t)一fmVj()+gmijxzj()+EBuj0(5)，。，。jjjj_．I，I一NNwNNNuvjmi