浅谈mike21模型在桥梁防洪评价补偿方案中的应用

DOI： 10. 3969/j. issn. 1008-1305. 2019. 06. 020浅谈Mike21模型在桥梁防洪评价补偿方案中的应用张健，王霞，任锦亮，吕军，诸葛绪霞（盐城市水利勘测设计研究院，江苏盐城224000）摘要：随着经济建设的飞速发展，基础设施投入加大，河道管理范围内的涉水项目越来越多，相应防洪安全问题 越来越突出，文章以盐城市南环路通榆河大桥为例，利用Mike21软件建立桥址附近河道数学模型，对河道及桥

墩处流场进行数值模拟，分析不同方案前后水位、流场变化，以确定最优补偿方案，可为今后类似工程防洪评价补偿方案设计提供一定的借鉴作用。关键词：Mike21；桥梁防洪评价；补偿方案

中图分类号：TV131.4 文献标识码：B文章编号：1008-1305 （2019） 06-0064-06盐城市南环路通榆河大桥位于江苏省盐城市亭 射”中“一环”的一部分，南环路全长12.6km。现

湖区，桥梁跨通榆河而设，位于现有通榆河大桥两 有南环路跨通榆河大桥上部结构为（50 +80 +50）m

侧，由于跨河桥梁在河道内设墩柱阻水，对通榆河 河道行洪排涝影响较大，根据《中华人民共和国水 法》《中华人民共和国防洪法》和国家计委、水利部 《河道管理范围内建设项目管理的有关规定》（水政

[1992]7号文），本工程需进行防洪评价。三跨预应力混凝土变截面双箱双室连续箱梁，梁高l. 5-4. 65m,下部结构采用钢筋混凝土矩形实体

式桥墩，钻孔灌注桩基础。桥墩平面尺寸3m（垂直

水流方向）xl0.5m（顺水流方向）。承台厚度3m,

承台顶高程▽2.8m,底高程▽ -0.2m,平面尺寸

10m（垂直水流方向）X13.75m（顺水流方向）。桥

在防洪评价报告编制过程中，针对阻水较大的

涉水构筑物，补偿方案设计是其重要组成部分。随 着近代计算机技术与数值方法的不断进步，数学模

型得到了广泛的应用，由于数学模型的精确性与可

梁与通榆河垂直相交。新建南环路跨通榆河大桥位于现有通榆河大桥

两侧，其中跨通榆河主桥上部结构采用悬臂浇筑预

视化性，本文将Mike21模型运用到涉水工程的防 洪评价补偿方案中，建立桥址附近河道数学模型，

应力混凝土连续箱梁，跨径组成为（50 + 80 +50）m, 箱梁断面采用单箱单室直腹板形式，桥梁横坡

对河道及桥墩处流场进行数值模拟，分析不同补偿 方案前后水位、流场变化，确定最优补偿方案，以

由腹板变高度形成，梁中心高度为2.3~4.6m。主

墩采用薄壁空心墩，钻孔灌注桩基础。墩柱断面尺

减少大桥建设对河道行洪排涝的影响。寸为3. 5m（垂直水流方向）x6. 25m（顺水流方向）。

1研究区域概况1.1河流概况通榆河是里下河地区南北向骨干河道，向里下

承台厚度3.5m,平面尺寸10m（垂直水流方向）X

11.5m（顺水流方向），承台顶高程V -1.3m,底高

程▽ -4. 8mo河地区及渠北滨海、阜宁、响水地区供水并兼顾排

涝、航运。河道自东台至响水177.7km,其中东 台-废黄河南段河道引水能力lOOm^/s,河道底宽

50m,河道底高程▽ -4. 21m （1985年高程基准，

2模型设计2.1模型计算范围及网格剖分综合考虑水文资料、地形及工程研究内容等因

素，选取南环路跨通榆河大桥上下游各1.2km河

下同）；废黄河北-响水段河道引水能力50m3/s,河 道底宽50m,河道底高程▽ -1.21m。1.2工程概况段为计算范围。收稿日期：2019-07-08作者简介：张 健（1989年一），男，工程师。南环路是盐城市城市快速路网工程“ 一环五・64 •信息化水利技术监督2019年第6期现状河道断面标准为实测断面，测量间距为

100m,桥址处加密测量。通榆河设计断面标准为：

河道底宽50m,河底高程厂-4.21m,边坡1：3(桥

址上游600m ~下游900m范围内为1：4),青坎高

程▽2.29m,青坎宽度15m,堤顶高程▽3.79m,

堤防边坡12 5。本次模型采用无结构三角形和四边形混合网格

剖分，如图1所示。在建模过程中，概化出桥墩形

状，引入模型中，按不过水处理，桥墩周边模型网

格自动加密。模型计算网格数为11185个，节点数

为5931个。剖分尺度vlOm 桥址剖分尺度1〜2m

剖分尺度＜10m剖分尺度50x5m /图1水力计算网格剖分图2.2模型参数因为河道狭长，不考虑风力的作用。河道糙率根据率定并参照一定的经验，桥址上 游为自然河坡，青坎以下取0. 0225 ,桥址下游有 栓护坡，青坎以下糙率取0.018；青坎以上糙率

取 0. 03 o2.3边界条件模型采用河道设计标准进行计算，进口流量

Q =226m3/s,出口 20a — 遇防洪水位 Z = 2. 425mo

潮中河闸站流量12m3 o2.4检测点布置为比较补偿方案实施前后水位变化情况，需在

河道中间设置检测点。建桥后桥墩阻水，桥墩处水

位变化较大，因此检测点放在桥墩处。本次模型设

置了 30个检测点。如图2所示。:--------------------------------------------2500

-2000

-1500

-1000

-500

030o伍■■151431211 10O O O O图2检测点示意图2.5模型准确性分析根据实测河道断面，目前桥址上下游通榆河断 面河底高程一般为▽ -6.0m,较设计底高程▽ -

4.21m相差较大。因此将实测断面与设计断面分别

放入模型中计算，算得实测断面河道过流能力为 227m3/s,规划断面河道过流能力为226m3/s,两者 相差并不大。经对比分析，现状桥址上下游断面在 防洪水位2.44m时过平均过水面积为515m2,而设

计断面为513m2,两者基本相同。为计算方便，在本

次模型的计算中用设计断面代替现状实测断面。3补偿方案设计及计算结果分析3・1补偿方案设计目前桥址下游已经有混凝土护坡，根据分析，

壅水主要发生在桥梁上游，为减少对现有护坡的破

坏，初步拟定从新建桥下游100m拓浚河道进行补 偿。根据计算，桥墩阻水面积约为50m2,根据现

场实际情况，初步考虑河道青坎对称拓浚补偿，拓 宽断面为底高程- 1.21 m,底宽10m,边坡1：3,

补偿面积57.75m2,与桥墩阻水面积基本相当。补

偿方案断面示意图如图3所示，考虑上游补偿不同

的长度 100、200、400mo考虑不同补偿范围进行以下几种工况分析计 算，见表2,如图4所示。表2补偿方案计算组合表计算工况水位补偿方案不补偿桥址处水位桥址下游拓宽长100m,上游拓宽长100m20 a —遇2. 44m桥址下游拓宽长100m,上游拓宽长200m桥址下游拓宽长100m,上游拓宽长400m3.2不同补偿方案计算结果分析3. 2.1流速、流场变化(1) 平均流速。根据表3计算统计结果，通榆

河防洪20a—遇工况下，现状无桥时，桥位处断面

平均流速为0.419m/s,建桥以后，断面平均减少 为0.407m/s,平均流速减少0.012m/so采取断面

补偿，开挖长度为500m时，平均断面流速恢复至

0. 417m/s。总的来说，断面平均流速变化较小，补

偿后，基本恢复原来的断面平均流速。(2) 节点流速差。20a—遇工况下，最大节点流

速差出现在桥墩附近，无补偿时最大节点流速差为

+ 0.12m/s,采取断面补偿，开挖长度为500m时，・65・2019年第6期水利技术监督信息化图3补偿方案断面示意图(单位：m)1000Bathymetry/mAbove 3 5-2500100-2000-1500-1000原河道0.00.51.002.0.5-2500-2000-1500-1000-500Below -3.5

Undefined Value原河道无补偿-2500 -2000 -1500 -1000 -500 0-2500 -2000 -1500 -1000 -500 0方案一桥址上游拓宽400m,下游拓宽100m图4不同方案河道地形概化图最大节点流速差减少至+0. 02m/so如图5所示。(3) 最大流速。20a —遇工况下，除上游100m

3. 2.2流量变化根据表3计算统计结果，通榆河防洪20a—遇 工况下，现状无桥时，桥位处断面平均流量为

226m3/s,建桥后流量减少为218.6m3/s,减少约 7. 4m3/s,占行洪流量的3. 3% ,影响较大。采取

局部河段流速稍大(最大值0. 32〜0. 55m/s)以外，

其余皆比较小为0.05〜0.41m/s。建桥前最大流速

在河道中心，最大流速约为0. 50m/s,建桥后无补

偿时最大流速约为0. 55m/s,采取断面补偿后，最 大流速降为0. 50m/s,基本恢复到工程前，但最大

补偿开挖长度为500m时，平均断面流量恢复至

225. 3m3/so流速范围稍有扩大。如图6-10所示。(4) 流场形态。从图6-10来看，建桥前后流

由此可见，断面补偿基本上能达到补偿流量的

要求，但是补偿长度对流量影响较大。经上述计

场变化很小，在大桥桥墩处局部流场变化较大，桥

墩正前方流速变缓，水位抬高，桥墩正后方流速变 缓，水位降低。・66・算，补偿长度为500m时，基本能满足流量补偿

要求。信息化水利技术监督2019年第6期Current speed/(m/s)Above 0.250 D.200 ・ 0.250 O/I5O・ 0.200

0.1500.050- 01000.010- 0.050 0.005 ・ 0.010 0.000 ・ 0.005 -0.005 - 0.000 -0.010--0.005 -0.050--0.010 -0.100--0.050 -0.150--0.100 -0.200--0.150 -0.250--0.200 Below -0.250 Undefined Value-2500-2000-1500-1000-5000不补偿桥址上游拓宽200m,下游拓宽100m-2500-2000-1500-1000-5000桥址上游拓宽400m,下游拓宽100m

图5不同方案建桥前后流速差图表3不同补偿方案计算成果表计算工况计算方案工况无桥墩不开挖流量/(m3/s)平均流速/(m/s)最大壅高/m壅水长度An现状226218. 6219. I221. 80.4190. 4070. 40900. 00760. 00640. 00570. 0051090020a — 遇补偿方案开挖 100 4-lOOm开挖 100 + 200m开挖 100 +400m8500.415750650225.30.41710010:-2500-2000-1500-1000-500流速线图curr■entsp5■目

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・67・2019年第6期水利技术监督信息化1000：；--2500-2000流速线图20--二工

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-40 -60-1350-1300-1250 -1200-1150-1100-1050-1000流速箭图图8建桥后（桥址上下游各拓宽100m）流场图100t0:Of fl-2000-1500-1000m-5000-2500流速线图二

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・68・信息化100水利技术监督2019年第6期-2500 -2000 -1500 -1000 -500 0tsped/( a6565o.oeo55o.ci50o.4540o.ci35o.30o.25Q.20o.16o.10o.05o.qoo Vde05

流速线图露

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0 2000 1000 o500 n100 050o 00-0o 050o 100o 0o50100- 0 2000 300^ 00 诃

-2500100-2000-1500不补偿-1000-5000-2500-2000-1500-1000-5000-2500-2000 -1500 -1000 -500 0桥址上游拓宽400m,下游拓宽100m图12不同方案建桥前后水位差图3. 2.3 水位影响通榆河防洪20a—遇工况下，水面曲线如图11所 示。没有任何补偿时，桥墩前最大壅水高度为

0. 76cm,壅水长度1000m。采取补偿开挖长度达500m

总的来说，水位影响比较小，采取补偿方案

后，随着开挖长度的增加，能进一步降低了壅水高

度和影响范围。如图12所示。时，壅水高度减小至0.51cm,壅水长度缩小为650m。4结论本文将Mike21模型运用到涉水工程的防洪评 价补偿方案中，依靠其模型精确性与可视化性，较

为直观的呈现了不同补偿方案实施前后的水位、流

场变化情况，经比选，推荐河道对称拓浚，下游拓 宽长100m,上游拓宽长400m方案能基本消除大桥

建设对河道行洪排涝的影响。该方法可在防洪评价

补偿方案设计中推广使用。但利用模型计算也存在 一定的不足，建立模型对水文、河道等资料要求较

高，且建模工程量较大，一般只适（下转第222页）・69・2019年第6期水利技术监督工程实践(1) 现场管理。在实施工程前应积极组织单位

进行研讨会议，确定本次工程的现场管理人员，同

时必须派遣2~3名工程管理经验丰富、专业知识

参考文献[1] 覃柳生.新型绿色环保支护材料-格宾石笼简介[J].广西水利

水电，2007(3) : 82-82.能力过关的专业人士前往管理。此外，通过不断讨 论研究，制定严格有效的现场管理规章制度，以求

[2] 董传琛，张守田，赵大明.格宾石笼在河道治理工程中的应用

[J].山东水利，2012(3) : 29-30.[3] 李建杰.铅丝格宾石笼在东碾河治理工程中的应用[J].水利技

现场管理工作等够得到高效有序的执行。(2) 工艺措施。要对施工人员进行一定时间的

术监督，2015, 23(4) : 92-94.[4] 王国强.格宾石笼技术在马家沟河道整治工程中的应用[J].水

岗前培训，同时在施工前有必要参照其他区域格宾 石笼技术施工经验，制定合格有效的现场操作标准

利科技与经济，2011, 17(1)： 95-95.[5] 杨发业.格宾石笼护坡在乌伦古河河道治理上的运用[J].内蒙

与技术交底书，施工前对现场工作人员集中进行书

面技术交底，明确格宾石笼网技术护坡关键工序及

古水利，2016(3) : 45-46.[6] 袁朝中，樊世军.格宾笼石在塔里木河干流河道治理中的应用

施工工艺，并要求严格按技术交底书标准进行施工。(3) 材料进购管理。向材料供货商明确质量标

[J].水利规划与设计，2015(3):90-92.[7] 吴晓明.格宾石笼技术在叶赫河护岸工程中的应用[J].中国水

运(下半月),2014, 14(9) : 320-321.准，并派出专业的管理人员进行全程跟踪，经试验

[8] 陈曦.雷诺护垫及格宾石笼在寒冷地区的应用[J].黑龙江水利

科技，2015(6) : 72-74.检验合格后方可使用。(4) 监督措施。强化监理监督机制，对现场施

[9] 卢延武.基于格宾石笼沉排的冬季施工[J].黑龙江水利科技，

工不规范，如未挂线施工等问题应进行全面的管控

和整治，建设管理方应加强现场的巡视工作。2012, 40(12) : 187-188.[10] 李宇，陈尧隆.格宾石笼结构的劣性及其补强措施[J]・水土

保持通报，2008, 28(1)： 41-45.5结论经试验分析认为：采用卵石填料、鱼巢式结构 的格宾网护岸结构形式能够发挥河道最大的生态治

[11] 韩雷，狄高健.寒冷地区堤防岸坡生态修复技术研究与应用

[J].水利科学与寒区工程，2018,1(6):55-62.[12] 刘彩文.格宾石笼与自嵌式组合挡墙生态护岸施工技术[J].

四川建材，2018, 44(12) : 263-264, 267.理效益，且能很好适应冻融沉变形，减小冻胀损伤

[13] 黄倩，王伟，许福丁，等.马克菲尔柔性生态护岸技术[J].湖

南水利水电，2017(6) : 40-42, 45.破坏；综合前人研究成果，结合现场工程经验，认 为应从现场管理、工艺措施、材料进购管理以及监 督措施等途径提升格宾网的质量和效益，研究成果

[14] 万丽，雷李艳.河道生态护岸的建造及施工质量控制分析[J].

中国水运(下半月)，2015, 15(12)： 180-181.[15] 丁飞，吴芸，严妍.平原河网区中小河流生态护岸植物适应性

研究[J].水资源开发与管理，2018(3):20-23.可为类似地区的河道治理工作提供借鉴。(上接第69页)用于阻水较大的工程防洪评价中。大学，2007.[9] 李磊，李月玉，孙艳，等.Hec-Ras软件在桥梁防洪评价中的应

参考文献[1] 江苏省水文水资源勘测局盐城分局.盐城市内环高架工程南环

路跨越通榆河大桥防洪评价报告[R]. 2015.用[J].水力发电，2008 (3)： 32-34.[10] 袁雄燕，徐德龙.丹麦MIKE21模型在桥渡壅水计算中的应用

研究[J].人民长江，2006, 37(4)： 31-33.[11] 果有娜.MIKE21在圆形桥墩对河道洪水数值模拟中的探讨

[J].水利水电工程设计，2012, 31(1) ： 15-18.[2] 盐城市水利勘测设计研究院.盐城市内环高架工程南环路跨越

通榆河大桥防洪影响补偿方案[R]. 2015.[12] 曹洁萍.沈阳云龙湖跨浑河桥壅水分析[J].吉林水利，2018(8) : 11-13.[3] 张慧，刘冠霆，孙众.不同模型在防洪影响评价中的应用研究-

以五峰山涉水桥梁为例[J].水利技术监督，2018 (2) : 98-100.[4] 李淑惠，许艳杰.辽中县蒲河大桥防洪评价编制关键问题[J].

[13] 叶楠，张蔚.MIKE21模型在某大桥洪水影响分析中的应用

[J].吉林水利，2018 (6) : 44-48.水利规划与设计，2017(7) : 6-8.[5] 黄菁菁，严后军，丁艳霞，等.徐宿淮盐铁路跨戛粮河桥河道防

洪影响补偿设计方案比选分析[J].江苏水利，2017(12): 20-23.[14] 包伟斌.MIKE21水动力数学模型在桥梁工程中流场模拟中的

应用[J.]水利水电，2014(4):238.[15] 高国明，梁煦枫.二维数学模型在防洪评价壅水计算中的应用

[J].吉林水利，2015(8)： 43-46.[6] 顾乐雨，孙骏，马强强.Mike21软件在航道通航条件影响评价

中的应用[J].江苏水利，2017(2):49-51.[16] 朱大伟，杨侃，常蒲婷，等.MIKE21模型在涉河大桥防洪影响

数值模拟中的应用[J].黑龙江水专学报,2010, 37(2)： 1-4.[7] 张冲伟.浅谈Mike21模型在桥梁行洪论证水流模拟中的应用

[J].珠江水运，2016(12):74-75.[8] 王领元.应用Mike对河流一、二维的数值模拟[D].大连理工[17] 张婷，焦军.桥梁防洪影响评价浅析[J].水利科技与经济，

2014, 20(12) : 53-55.・222・