运用大尺寸涵洞解决被侵占的城市河道行洪问题数值研究

龙艺, 谭嗣城, 潘龙阳, 周宏伟, 蔡君怡, 王佳美

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节水灌溉
中国农村水利水电 ›› 2021 ›› (8) : 36-42.
水环境与水生态

运用大尺寸涵洞解决被侵占的城市河道行洪问题数值研究

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Numerical Research on the Flood Discharge Problem of Encroached Urban River Using Large Culvert

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摘要

基于典型被侵占的城市河道——成都市锦江华阳段行洪能力不足且常规方案不能较好改善行洪效果这一现状，提出了采用大尺寸涵洞分洪方式并进行论证。根据河段地形建立MIKE一二维水动力数值模型，模拟分析了涵洞截面尺寸、入流角对于涵洞分洪流量、水位高程、水流流速的影响规律，结果表明布设涵洞后河道水位下降0.6~1.95 m，入流角为33°时可以获得研究范围内最大分洪流量，研究结果有效解决了锦江华阳段河道行洪问题并对类似被侵占的城市河道的治理具有参考意义。

Abstract

Based on the fact that Huayang section of Jinjiang River， a typical encroached urban river， is blocked and flood discharge can not be improved by conventional methods， this paper proposes using large-scale culvert for flood diversion. It establishes MIKE hydrodynamic numerical model based on river topography， simulates and analyzes the influence of culvert cross-section size， entrance position and inflow angle on culvert flood diversion flow， water level elevation and flow velocity. The results are of guiding significance to solve the problem of flood discharge in Huayang section of Jinjiang River and the control of urban encroachment river.

关键词

城市防洪 / 涵洞 / MIKE / 数值模拟

Key words

urban flood control / culvert / MIKE / numerical simulation

基金

国家重点研发计划项目(2018YFC1508600)

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龙艺 , 谭嗣城 , 潘龙阳 , 周宏伟 , 蔡君怡 , 王佳美. 运用大尺寸涵洞解决被侵占的城市河道行洪问题数值研究[J].中国农村水利水电, 2021(8): 36-42
Yi LONG , Si-cheng TAN , Long-yang PAN , Hong-wei ZHOU , Jun-yi CAI , Jia-mei WANG. Numerical Research on the Flood Discharge Problem of Encroached Urban River Using Large Culvert[J].China Rural Water and Hydropower, 2021(8): 36-42
近年来，城市化进程拓宽城市范围的同时也侵占了城市河道原有的行洪区域，当城市出现短历时强降雨时很容易发生城市内涝，给人们的生命安全、社会的正常发展带来巨大危害。对于这类被侵占的河道，由于两岸建筑林立，河道拓宽难度大，河岸加高又大大降低了原有河道景观、亲水效果，因此提高此类河道行洪能力困难，采用合理有效的工程方案提高河道的防洪能力、抵御汛期洪水已经成为城市防洪的研究要点。
在以往的城市防洪过程中已有采用隧、管、涵等方式解决城市防洪的成功案例。孟庆佑等［1］结合城市内河防洪防涝难点分析提出采用疏浚河道、使用堤防等方式提高防洪除涝的水平。黄福云［2］从城市排水系统在防洪治涝中发挥的作用入手，指出建设完善的城市排水管网对城市排涝有着举足轻重的作用。胡盈惠［3］、汉京超等［4］均对实际工程中排水管网提出了要求。耿晓明等［5］认为吴江市防洪设施应进行通道疏浚、加强水信息化建设。黄继新［6］结合葱岭沟实际情况通过技术经济必选确定隧洞排洪路线。刘家宏等［7］提出深邃排水系统可以有效分担排洪任务。数值模拟作为一项重要的非工程手段，在城市防洪防涝中发挥着重要的作用。张晓波等［8］通过建立市政排水与区域排涝水动力耦合模型，揭示了承泄区河道水位对城市排水系统中雨水管排水的顶托影响。张练等［9］基于InfoWorks ICM模型建立了地表及雨水管网模型，通过采用绿色屋面、下凹式绿地和渗透路面三种措施组合验证其在不同的降雨情况下对城市地表径流的削减能力。刘斌玲［10］基于SWMM模型和MIKE21二维水动力模型，通过构建耦合模型对宝安中心片区进行积水淹没分析，提出利用地下空间解决防洪排涝的方法，探讨了利用隧洞排水解决城市内涝的可能性。夏海等［11］对深隧排水中的入流竖井的内部流场进行数值模拟，分析不同入口流速、效能管长度影响竖井内部压力场和速度场的变化规律及效能效率。
基于以上内容，将工程设计与数值模型结合起来将对被侵占的城市河道治理研究具有重要意义。本文以成都市锦江华阳段河道为研究对象，入流角选择有限，构建MIKE11、21河道数值模型，选取分洪涵洞尺寸、入流角等关键因素研究分洪流量、流速、水位的变化规律，为被侵占的城市河道的治理提供决策依据。

1 研究对象

本工程河段为四川省成都市锦江华阳段，从天府大道锦江大桥至牧华路大桥，河段总长9.4 km。府南河道华阳段由于城市发展的需求，对河道侵占严重，且该河段蜿蜒曲折，最窄河宽仅为62 m，不能满足行洪要求。由于城市发展，该河道目前已无法拓宽，且河段上游没有可利用的调洪建筑物，河道下游有历史古迹——二江寺古桥，无法拆除，河道上中下游均没有分洪河流无法利用，且华阳地区暴雨洪水集中，锦江又是该地区雨洪唯一出口，洪涝问题突出。
传统方式无法有效提升河道的行洪能力，本文提出使用大尺寸涵洞分洪的方案，根据河道沿程水位计算结果，二江寺古桥位置受桥梁影响上游出现明显壅水，是导致上游行洪不畅的主要原因，因此将分洪涵洞出口设置在二江寺古桥下游，利用公共道路布设分洪涵洞将洪水直接引入下游河道，减少研究河段（包括二江寺古桥及上游附近）的洪量以降低河道水位，涵洞下游出口处河道宽阔，约为160 m。分洪涵洞入口设置于伏龙桥上游段，出口设置于二江寺古桥下游段，涵洞总长约为2.8 km，涵洞布置路线与河道现场情况如图1所示。模型计算中，以锦江大桥位置为起点，将河道按0.2 km每段进行断面划分。在与起点距离为0.9、2.37、4.09、4.55、6.11、7.35、8.12、8.65、9.32 km处依次为观音湾大桥、伏龙桥、华龙桥、双华桥、通济桥、南湖大桥、江安河汇口、二江寺大桥、牧华路大桥。
图1 涵洞布置路线图和河道现场图

Fig.1 Culvert layout route map and channel site pictures

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2 模型构建

2.1 涵洞模型

本河段河长总计9.4 km，其中分洪涵洞涵身长度2.8 km，涵洞进出口长度约200 m，模拟分洪涵洞总长度约为3 km。分别采用MIKE 11、MIKE 21建立一维水动力数值模型，进行一二维数值模型的耦合计算，模型构建构建结果如图2。
图2 河道地形一维和二维水动力模型

Fig.2 One and two dimensional hydrodynamic model of channel topography

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2.2 模拟工况设计

2.2.1 涵洞尺寸

涵洞宽度需要结合道路宽度设计，高度以不影响公路通行为准。经实地测量，四河路机动车道宽度15 m，非机动车道宽度2.5 m，人行道宽度2 m，在不影响道路周边建筑的情况下控制宽度最大为20 m。选取宽15~20 m、高6~8 m进行模型仿真。具体尺寸选取见表1。
表1 分洪涵洞断面尺寸表

Tab.1 Section size table of flood diversion culvert

设计方案 宽/m 高/m
方案1 15 6
方案2 18 6
方案3 20 6
方案4 15 8
方案5 18 8
方案6 20 8

2.2.2 入流角

现有研究表明，当入水口与河道流向夹角趋近于30°~45°时，其分流效果最佳；同时合理的入口位置也对分流效果产生重要影响。本次研究通过调整涵洞入口位置获得不同的入流角度，具体情况如表2，各入口实际位置如图3。
表2 涵洞入口位置方案

Tab.2 Culvert entrance location schemes

设计方案 入口位置（桩号）

入流角/

（°）

 距伏龙桥距离/m
方案1 21+40 12 230
方案2 22+20 16 150
方案3 23+20 33 50
图3 涵洞各入口位置

Fig.3 Locations of culvert entrances

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2.2.3 洪水标准

本研究防洪标准分别采用20、100、200年一遇洪水标准，江安河与锦江的洪峰叠加问题，原则上不考虑洪水传播时间，认为在设计情况下洪峰叠加情况为同频率叠加，同时明确不考虑江安河对汇口上游锦江河道的顶托效应。具体的洪水组合情况如表3。
表3 洪水工况表

Tab.3 Flood condition table

洪水组合类型 组合Qp /（m3·s-1） 锦江Qp /（m3·s-1） 江安河Qp /（m3·s-1）
锦江20年+江安河20年 1 660 1 220 440
锦江100年+江安河100年 2 310 1 700 610
锦江200年+江安河200年 2 580 1 900 680

3 计算结果分析

本研究通过一维水动力模型计算河道水位及涵洞分洪量，通过二维水动力模型计算涵洞入口流速及水位情况。

3.1 一维水动力模型计算结果分析

涵洞入口位置从上游往下分别为桩号21+40、22+20、23+20，对应入流角分别为12°、16°、33°，涵洞宽度分别为15、18、20 m，高度分别为6、8 m。选取涵洞尺寸、入流角作为影响因素分析涵洞分洪流量、分流比的变化情况。

3.1.1 分洪流量变化

图4表示3种入流角时各条件下涵洞分洪流量情况，可以看出：入流角为12°时，分洪量最大为524.42 m3/s（200年，尺寸20×8），最小为249.47 m3/s（20年，尺寸15×6）。涵洞高度为6 m时分洪量在不同洪水标准下相差6.4%，而当涵洞高度为8 m时相差20%，表明涵洞高度越大分洪量的波动也越大。在涵洞高度不变、宽度增加时，各工况下分洪量变化曲线均匀增加。同时考虑宽度和高度，对于20×6与15×8两种尺寸，涵洞断面面积相同，满流时分洪流量相近；涵洞面积增大时，其分洪流量也成比例增加，分洪量大小受断面面积控制。入流角为16°、33°时分洪流量变化情况与12°相似，入流角为33°时分洪流量最大为584.88 m3/s，最小为260.37 m3/s，相较于前两种方案，此时涵洞入口位位于方案2下游100 m，其入流角更大，最大和最小分洪流量相较于前两者分别有约11.5%和4.4%的提升，在其余条件相同时，入流角是影响分洪流量的主要因素。入水口方案相同时，来洪流量越大，涵洞的分洪流量越大。
图4 各涵洞尺寸分洪流量变化情况

Fig.4 Variation of flood discharge through culverts

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入流角作为涵洞设计的重要参数，选值的合理性对分洪效果至关重要。不同洪水标准各入流角对应分洪流量变化情况如图5，入流角为12°、16°时对分洪流量影响一致，且分洪流量几乎相同。入流角为33°时，在20年工况下，较前两种方案的分洪量最大值分别提升了8.87%和10.3%，最小值分别提升了1.3%和2.5%；50年工况时对应数值分别为12.1%和12.8%、5.9%和6.4%；100年工况时对应数值分别为12.6%和13.2%、5.2%和5.6%；200年工况下对应数值分别为13.5%和14.0%、6.5%和6.8%。
图5 各入流角对应分洪流量

Fig.5 Flood diversion flow corresponding to each inlet angle

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3.1.2 分流比变化

本研究定义涵洞分洪量与河道来洪量比值为分流比，作为分析涵洞分洪能力的重要参数，为：
α=Q涵Q
式中：Q 涵为涵洞分洪量，m3/s；Q为主河道洪水流量，m3/s。根据计算结果得到各入口方案时分流比变化情况分别如图6。
图6 各洪水标准分流比变化情况图

Fig.6 Variation of split ratio of different standard flood

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分析可知，涵洞情况相同时，分流比随着来洪量的增大而减小，20年一遇洪水时分流比最大，200年一遇洪水时分流比最小。在相同洪水标准下，涵洞高度越高分流比越大，对比20×6与15×8两种尺寸，对于3种不同入流角，涵洞高度为8 m时的分流比均大于高度为6 m时。在所有工况中，20年洪水标准、入流角33°、涵洞尺寸为20×8工况下获得最大分流比0.362，该入流角对应的最小分流比为0.149；200年洪水标准、涵洞尺寸15×6、入流角为12°和16°时分流比最小值均为0.139，该入流角对应的最大分流比分别为0.357、0.353。涵洞入水口位置和断面尺寸相同时，来洪流量增大，涵洞的分流比下降，但33°入流角对应的分流比均大于其他两种方案。当洪水标准较高时，分洪涵洞已为满流状态，其分洪流量随水位增加提升较小，造成其值随洪水标准增大而减小，故在满流状态下讨论涵洞的分洪能力时，不应单纯以分流比作为指标考虑，而应该综合考虑河道来洪量，分洪流量大小等因素。

3.2 二维水动力模型计算结果分析

基于一维计算分析，对20×8尺寸的涵洞进行二维计算，探究在该尺寸下河道、涵洞入口附近流速及水位的变化情况，同时与未加涵洞时的计算结果进行对比。

3.2.1 河道水位变化情况

图7表示了100年和200年洪水标准下河道水位沿程分布情况。结果表明涵洞分洪后河道水位明显下降，且三种入流角度下河道水位下降幅度基本相似。100年洪水标准时，锦江大桥至观音湾大桥段、通济桥至南湖大桥段水位下降了约0.8 m，观音湾大桥至双华桥段水位下降了约1.4 m，最大处达到1.66 m（桩号22+20），南湖大桥至二江寺大桥段水位下降0.6~0.8 m；200年洪水标准时，锦江大桥至观音湾大桥段、通济桥至南湖大桥段水位下降约1 m，观音湾大桥至双华桥段水位下降了约1.5 m，最大处达到1.95 m（桩号22+20），南湖大桥至二江寺大桥段水位下降0.7~0.9 m。二江寺古桥附近壅水不明显，下游水面宽阔（约为160 m），完全满足行洪要求，水位变化不大。
图7 河道水位沿程变化图

Fig.7 Variation chart of water level along the channel

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由于涵洞的影响，3种方案下涵洞入口处水位均有所下降，100年工况下涵洞入口附近水位计算结果如图8所示。入流角为12°时，桩号19+66至21+50存在低水位段（较上下游存在约0.2 m水位差），低水位段下游为分洪涵洞入口，最低处水位473.5 m，较上下游水位低了0.5 m，在河道弯曲段末端，流场变化剧烈，河道两岸流速分别为3.6和2.4 m/s，流速相差50%，流场变化较大。入流角为16°时，涵洞入口范围内亦存在水位较低区，但该段分区不明显，仅存在约0.1 m水位差，此处河道顺直，横向环流作用较小，两岸流速分别为3.2和2.6 m/s，涵洞分洪时河流流态稳定。入流角为33°时涵洞入口处相较于前两者存在较大水位波动，河岸左侧较河岸右侧存在0.2 m水位差，涵洞入口上游水位均匀分布，当流经涵洞时流场发生急剧变化，河岸左侧在分流的作用下迅速降低，右侧由于河底高程升高水位迅速抬高，形成左低右高的趋势，流速左急右缓，流速大小相差约45%，水位不稳定。
图8 100年洪水标准下涵洞入口附近水位计算结果图

Fig.8 Calculation result of water level near culvert entrance under 100-year flood standard

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3.2.2 流速分布情况

100年和200年工况下各方案涵洞入口处流速矢量分布计算结果分别如图9~图14。100年洪水标准入流角为12°时，主河道流速均匀，涵洞入口上游流速维持在3.2 m/s，下游急流区出现在河道左岸，流速约为2.4 m/s，缓流区出现在河道右岸，流速为1.6 m/s。涵洞入口处流速由3.2 m/s升高至5.6 m/s，水流方向从平行河道转为向涵洞入口方向。入流角为16°时，入口上游平均流速为3.0 m/s，经过涵洞分洪后，河道主槽流速降至2 m/s，右岸伏龙桥桥墩上游50 m处存在缓流区，流速为1.5 m/s。涵洞入口处，流速从3 m/s变化至5.5 m/s，水流流向从顺直河道渐变至沿入流口方向。入流角为33°时，涵洞上游段河道主槽流速为2.5 m/s，左岸流速3 m/s，右岸流速2.75 m/s，存在局部急流区，涵洞下游存在缓流区，流速为1.7 m/s。河道在涵洞入口断面处存在河底高程迅速增高区域，主槽内流速在涵洞入口断面由2.5 m/s迅速下降至2.25 m/s，河底地形左低右高，河水存在由河道右岸往左岸流动的趋势，在涵洞入口断面靠近河岸右侧，主槽流速从2.25 m/s下降至2 m/s，且该处存在明显横向流场。在200年工况下，该流态有加剧的趋势。相较于方案1、2，方案3中横向流速变化大，同时在沿河道方向出现纵向流速急剧减小的现象，结合河底地形左低右高的特征，对主河道分流至涵洞有积极影响，认为方案3利于获得更大分洪流量。涵洞下游出口处水流流速在3种不同工况下相近，分洪后，原河道左岸的缓流区成为了分洪涵洞泄洪区，缓流区消失，并出现流速约3.2 m/s的顺直流场区。分析认为，分洪涵洞在二江寺桥下游泄洪产生了顶托作用，下游水位雍高，流速减缓，使原本流速较快的桥墩范围内的流速显著降低，同时避免了古桥下游由于河宽增加、河底高程降低而导致的水位急剧下降、流速迅速升高而带来的河底冲刷掏蚀问题。
图9 100年洪水标准下方案1涵洞入口流速矢量分布图

Fig.9 Vector distribution of culvert inlet velocity under 100-year flood standard

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图10 100年洪水标准下方案2涵洞入口流速矢量分布图

Fig.10 Vector distribution of culvert inlet velocity under 100-year flood standard

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图11 100年洪水标准下方案3涵洞入口流速矢量分布图

Fig.11 Vector distribution of culvert inlet velocity under 100-year flood standard

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图12 200年洪水标准下方案1涵洞入口流速矢量分布图

Fig.12 Vector distribution of culvert inlet velocity under 200-year flood standard

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图13 200年洪水标准下方案2涵洞入口流速矢量分布图

Fig.13 Vector distribution of culvert inlet velocity under 200-year flood standard

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图14 200年洪水标准下方案3涵洞入口流速矢量分布图

Fig.14 Vector distribution of culvert inlet velocity under 200-year flood standard

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4 结 论

本文基于MIKE11和MIKE21进行一二维水动力模型耦合计算，对成都锦江华阳段河道在不同涵洞布设方案时河道流速分布、水位变化情况进行分析计算，并得到对应的涵洞分洪流量及分流比，为锦江华阳段的行洪治理提供了设计基础，并为城市被侵占的河道治理提供了技术支撑和参考。计算结果表明。
（1）涵洞入口布置于弯曲河道末端较布置在顺直河道处可获得更大分洪量，但分洪效果提升不足1%，河道横向作用力在分洪时影响并不明显。
（2）本研究中选取3种入流角方案进行分洪，结果表明在相同来洪流量时，入流角越大，分洪流量越大，入流角为33°时的最大分洪量，较入流角12°、16°的最大分洪量提升了约13.5%和14%，最小分洪量提升了5.9%和6.4%；对于相同入流角度，来洪流量越大，涵洞分流比越小，但33°入流角对应的涵洞分流比均大于其他两种方案，最大分流比分别提升了约1.4%、2.5%，最小分流比分别提升了约7.2%、7.2%。
（3）涵洞分洪流量的大小主要受断面面积控制，低洪水工况下，较大的涵洞宽度能获得更好的分洪效果，在高洪水工况下，较大的涵洞高度能够获得更好的分洪效果，但高尺寸涵洞会导致涵洞入口处水位变化、涵洞内分洪流量值波动较大的问题。
（4）研究表明布设涵洞后河道沿程水位下降0.6~1.95 m，大尺寸涵洞可以用于提升侵占型城市河道行洪能力，发挥防洪减灾的。
（5）在桩号21+40、22+20处布设涵洞入口时水体流速均匀，入口上游流速稳定均一，下游存在急流区和缓流区，并存在局部回流；而在桩号23+20布设涵洞入口时流速变化剧烈，入口段断面横向存在流速急变区，并随着洪水标准增加有增大的趋势，结合河底地形左低右高的特征，此入口位置可以获得更大的分洪流量。

参考文献

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