基于一维水动力模型的空腹拱桥壅水智能分析方法与流程

本发明涉及一种基于一维水动力模型的空腹拱桥壅水智能分析方法。适用于防洪工程、涉水建筑物防洪影响评价领域。

背景技术：

目前，利用一维水动力模型计算桥梁壅水的方法已广泛应用于防洪工程、涉水建筑物防洪影响评价等工程的设计和相关评价专题论证。

但现有技术中的桥梁壅水计算方法存在以下缺陷：水力学公式计算桥梁壅水，需通过给定水位计算出桥梁过水面积收缩系数、建桥前后断面平均流速、建桥前后河道净宽等参数，该方法对平板桥的壅水计算效果较好，但无法准确概化非矩形过水断面桥梁建桥前后的河道净宽，因此无法准确模拟空腹拱桥的壅水特性。

专利申请号为201710231961.7的中国专利“一种基于河流能量的桥梁对河流阻水影响判别方法”，提供了一种基于河流能量的桥梁对河流阻水影响判别方法，但是由于该方法建立在桥梁阻水比、弗劳德数指标，对于非矩形过水断面桥梁无法直接计算出不同流量和水位条件下桥梁阻水比和弗劳德数，因此该专利采用的方法无法准确计算不同流量及水位条件下空腹拱桥的壅水特性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种基于一维水动力模型的空腹拱桥壅水智能分析方法，以准确、科学地确定空腹拱桥主孔及拱桥桥洞在不同洪水流量下的过流能力。

本发明所采用的技术方案是：一种基于一维水动力模型的空腹拱桥壅水智能分析方法，其特征在于：

s1、确定模拟区域；

s2、将模拟区域数据化；

s3、根据数据化的模拟区域，得到模拟区域的一维水动力模型，其中空腹拱桥的概化采用若干涵洞加堰的形式；

s4、通过历史洪水数据对含空腹拱桥概化水工建筑物的一维水动力模型进行验证及参数修正；

s5、根据设计的不同入流条件，通过经验证及参数修正的一维水动力模型得到相应的各影响对象附近的洪水位。

步骤s1包括：

分析空腹拱桥的位置及所在河道规模，确定其上下游水位影响范围，并适当延长到水流较为顺直河段，即构成模拟区域。

步骤s2包括：

获取模拟区域的地形、地物条件，将模拟区域内地形、地貌、地物、水体和水利条件数据化，生成包含模拟区域内地形和水工结构物的地形散点，再将散点地形转换成mike11支持的断面文件。

步骤s3包括：

在mike11中导入步骤s2建立的断面文件，生成模拟区域的基本数值模型，对模拟区域的基本数值模型建立河网文件，再在河网模型中设置水工结构物、水位流量边界、底部阻力参数、初始参数以及求解格式，得出模拟区域的一维水动力模型，其中空腹拱桥的概化采用若干个涵洞加堰的形式。

步骤s4包括：

将步骤s3中建立的一维水动力模型中的断面条件修改为历史洪水条件下的断面条件；

将历史资料中记载的入流流量、出流水位输入修改后的一维水动力模型中，得出在历史资料记载的条件下的模拟洪水位；

将模拟洪水位与历史资料记载的实际洪水位进行对比，若模拟洪水位与历史资料记载的实际洪水位相比，若不满足精度要求，则通过调整断面综合糙率和涵洞概化桥梁的水头损失系数，直到模拟结果满足精度要求。

步骤s5包括：

将经过步骤s4验证及参数修正后的一维水动力模型中的断面条件修改回所述步骤s3中确定的断面；

设计不同的入流条件，输入到mike11中，mike11在验证及参数修正后的一维水动力模型下，得到空腹拱桥上下游关注对象附近的洪水位。

所述一维非恒定流数值模型的一维水动力模型方程组如下：

式中：b为水面宽，z为水位，q为流量，q为旁侧入流，v为断面平均流速，g为重力加速度，a为过水断面面积，k为过水断面的流量模数。

一种基于一维水动力模型的空腹拱桥壅水智能分析装置，其特征在于：，包括：

模拟区域确定模块，用于确定模拟区域；

数据化模块，用于将模拟区域数据化；

建模模块，用于根据数据化的模拟区域，得到模拟区域的一维水动力模型，其中空腹拱桥的概化采用若干涵洞加堰的形式；

模型验证及修正模块，用于通过历史洪水数据对含空腹拱桥概化水工建筑物的一维水动力模型进行验证及参数修正；

模型计算模块，用于根据设计的不同入流条件，通过经验证及参数修正的一维水动力模型得到相应的各影响对象附近的洪水位。

一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现所述的基于一维水动力模型的空腹拱桥壅水智能分析方法的步骤。

所述计算机程序被处理器执行时实现所述的基于一维水动力模型的空腹拱桥壅水智能分析方法的步骤。

本发明的有益效果是：本发明通过采用一维水动力模型，能够连续快速模拟多种工况下关注对象上下游的洪水位。

本发明在一维水动力模型中以涵洞加堰的形式引入水工结构物，并将空腹拱桥的主桥拱和敞肩拱用若干个涵洞加以概化，桥面用堰的形式进行概化，从而可以方便地将不同水位情况下空腹拱桥的过水特性参数引入到一维水动力模型中，并对洪水位产生影响。因此，本发明在不同流量时，可准确模拟出空腹拱桥上下游关注对象的洪水位，进而可以分析出空腹拱桥的壅水特性。

附图说明

图1为实施例的流程图。

图2为实施例的空腹拱桥横断面概化示意图。

图3为实施例开槽后空腹拱桥横断面概化示意图。

图中：1、主桥拱；2、桥肩拱；3、闭合圈；4、涵洞；5、河道断面；6、泄槽。

具体实施方式

如图1所示，本实施例为一种基于一维水动力模型的空腹拱桥壅水智能分析方法，具体包括以下步骤：

s1、确定模拟区域：分析空腹拱桥的位置及所在河道规模，确定其上下游水位影响范围，并适当延长到水流较为顺直河段，即构成模拟区域。

s2、将模拟区域数据化：(通过勘察及搜集资料)获取模拟区域的地形、地物条件，将模拟区域内地形、地貌、地物、水体和水利条件数据化，生成包含模拟区域内地形和水工结构物的地形散点；再(通过工程软件工具包)将散点地形转换成mike11支持的断面文件。

mike11是水力工程领域常用的一维水动力模拟软件。它独有的水工建筑物模块，可以将涵洞、堰坝、闸门、桥梁的不同形态的水工建筑物加入河道模型，进而分析水工建筑物的控制、泄流、壅水的等具体问题。

s3、建立一维水动力模型，并以若干个涵洞加堰的形式概化空腹拱桥：在mike11中导入步骤s2建立的断面文件，生成模拟区域的基本数值模型，对模拟区域的基本数值模型建立河网文件，再在河网模型中设置水工结构物(涵洞、堰坝)、水位流量边界、底部阻力参数、初始参数以及求解格式，得出模拟区域的一维水动力模型。

本实施例将位于河道上的空腹拱桥概化为涵洞加堰的形式来模拟过水特性，其中涵洞可以模拟不同类型的桥孔，包括矩形、城门洞性、半圆形、倒梯形等，且涵洞数量可以任意增加；堰模拟桥面过水特性。

本例中一维非恒定流数值模型的一维水动力模型方程组如下：

式中：b为水面宽，z为水位，q为流量，q为旁侧入流，v为断面平均流速，g为重力加速度，a为过水断面面积，k为过水断面的流量模数。

s4、通过历史洪水数据对含空腹拱桥概化水工建筑物的一维水动力模型进行验证及参数修正：

将步骤s3中建立的一维水动力模型中的断面条件修改为历史洪水条件下的断面条件；

将历史资料中记载的入流流量、出流水位输入修改后的一维水动力模型中，得出在历史资料记载的条件下的模拟洪水位；

将模拟洪水位与历史资料记载的实际洪水位进行对比，若模拟洪水位与历史资料记载的实际洪水位相比，不满足精度要求，则通过调整断面综合糙率和涵洞概化桥梁的水头损失系数，直到模拟结果满足精度要求。

s5、通过桥梁壅水智能分析，得到空腹拱桥上下游关注对象附近的洪水位：

将经过步骤s4验证及参数修正后的一维水动力模型中的断面条件修改回所述步骤s3中确定的断面；

设计不同的入流条件，并输入到mike11中，mike11在验证及参数修正后的一维水动力模型下，得到相应的各影响对象附近的洪水位。

本实施例以泰顺仕阳石龙桥的洪水为分析对象，具体分析方法包括以下步骤：

s1、确定模拟区域：

在项目所在地区内考虑到石龙桥对仕阳溪上下游水位、水流情势的影响，确定主要模拟范围为文福大桥～石龙桥下游仕阳溪河道区域。区域范围内主要防洪影响对象为桥梁、堤防以及相应上游区域内的防洪对象。计算长度约为3.2km。

s2、模拟区域数据化：

在实测该区域地形图的基础上，对模拟区域的范围进行详细勘查，全面掌握现场条件，广泛搜集有关水文水利资料，并针对模拟区域上下边界、桥梁等主要影响因素进行深入调查研究。然后通过autocad软件将模拟区域内的地形、地貌、地物、水体、水利条件等参数转化成包含模拟区域内地形、地貌、地物、水体、水利条件信息的矢量地形图。

然后将上述得到的矢量地形图输出为mike11工程软件工具包支持的.xyz格式的数据文件，再通过自编数据处理表格将.xyz格式的数据文件转换成可在mike11中运行的断面数据文件。

模拟区域的边界为：上边界起于文福大桥，下边界至石龙桥下游。

在高标准洪水条件下，研究区域内的石龙桥面将漫溢行洪，主桥拱1及敞肩拱2可能发生完全淹没流、部分淹没流、临界流、孔流、自由出流等情况，洪水流态比较复杂。

s3、建立一维水动力模型

在mike11中生成模拟区域范围内的河道模型，导入步骤s2生成的断面文件，再在模型中加入空腹拱桥概化的水工建筑物模型，得出模拟区域的一维水动力模型。具体方法包括如下步骤：

s3.1、河道模型

通过gis软件将模拟区域范围内的河道中心线存成shp文件格式。打开mike11，导入shp文件作为背景，沿河道中心线描绘河道，形成初步河网文件。将步骤s2建立的断面文件导入mike11中，形成模拟区域的一维水动力模型。

s3.2、水工建筑物模型

根据石龙桥的主桥拱1及桥肩拱2几何形态，将实测石龙桥断面概化为若干个大小不一的涵洞4，其中最大的涵洞表示桥拱与河道断面5形成的闭合圈3(见图2)，其余7个小涵洞分别表示石龙桥的1#至7#桥洞。

s3.3、边界定义

本次一维模拟的范围为上边界起于文福大桥，下边界至石龙桥下游的河道，计算范围河道总长度约3.2km，计算范围内包括4座桥梁(文福大桥、仕阳桥、下沙港大桥和石龙桥)。上边界为文福大桥采用流量边界；下边界为石龙桥下游，采用水位边界。

s4、通过历史洪水数据对一维水动力模型进行验证及参数修正

一维模型的计算准确往往依赖于经验对参数的确定，通过历史洪水的率定，可大大提高模型参数的可靠度。2005年泰利台风期间，仕阳镇发生一场较大洪水，通过洪水调查获得沿线主要控制断面洪痕。同时根据同期实测短历时暴雨推算洪水过程，作为模型边界条件，对仕阳镇主要河段进行参数率定。通过调整断面综合糙率和涵洞概化桥梁的水头损失系数，对验证洪水位成果进行逐步逼近，最终获得模拟水位与洪调水位差值在0.02m以内。可见采用涵洞概化桥梁的方式计算河道水面线阻水效应是合适的。

本实施例中的上边界条件为流量条件。本实施例中的下边界条件为水位条件。

s5、桥梁壅水智能分析

经过步骤s4验证获得一维水动力模型，将设计要求的入流条件输入mike11中，mike11通过计算模拟出设计要求的水流特性。

本实施例分析20年一遇洪水流量下石龙桥的壅水影响，同时分析采用开槽措施后石龙桥上游的水位变化情况。拟在石龙桥下开挖一条泄槽6，泄槽6宽度为43m，泄槽深度约为4m，泄槽底高程为277m(见图3)。在开槽工况下，空腹拱桥的过水断面发生变化，将步骤s3建立的现状空腹拱桥的主桥拱1断面按开挖槽进行调整，其余桥肩拱2保持不变，再代入步骤s4所验证过的一维水动力模型，仅计算可得仕阳溪仕阳镇石龙桥以上20年一遇水位最多降低1.85m，防洪标准满足20年一遇。

采用一维水动力的空腹拱桥壅水智能分析方法，准确、科学地计算空腹拱桥的主桥拱1、桥肩拱2在洪水过程中的过流能力，为提出经济合理的防洪措施提供决策依据。

本实施例还提供一种基于一维水动力模型的空腹拱桥壅水智能分析装置，包括：模拟区域确定模块、数据化模块、建模模块、模型验证及修正模块和模型计算模块，其中模拟区域确定模块用于确定模拟区域；数据化模块用于将模拟区域数据化；建模模块用于根据数据化的模拟区域，得到模拟区域的一维水动力模型，其中空腹拱桥的概化采用若干涵洞加堰的形式；模型验证及修正模块用于通过历史洪水数据对含空腹拱桥概化水工建筑物的一维水动力模型进行验证及参数修正；模型计算模块用于根据设计的不同入流条件，通过经验证及参数修正的一维水动力模型得到相应的各影响对象附近的洪水位。

本实施例还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现本实施例基于一维水动力模型的空腹拱桥壅水智能分析方法的步骤。

本实施例还提供一种计算机设备，具有处理器和存储器，存储器上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现本实施例基于一维水动力模型的空腹拱桥壅水智能分析方法的步骤。

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