CN113627050A - 一种对河道冲刷下切治理方案优化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种对河道冲刷下切治理方案优化的方法，整个方法基于Fluent软件，只需在河道下切治理方案实施前对整个河道进行数值模拟，并对模拟结果进行河道水流流态分析、河道和防护建筑物压力分析、防护建筑物剪应力分析，根据分析结果指导方案优化。该方法利用Revit建模的强大性、hypermesh划分网格的高质量性、Fluent先进的流体数值模拟方法和Tecplot或CFD‑Post模拟结果后处理的直观性，将河床冲刷下切治理方案优化的工程性问题变成数学问题。采用上述仿真模拟技术，建立与实际体系一致的河道模型，对河床冲刷下切治理进行模拟，根据模拟结果，优化河道治理建筑物结构参数，为河床冲刷下切治理方案提供了优化指导。

Description

一种对河道冲刷下切治理方案优化的方法

技术领域

本发明涉及河道设计领域，特别涉及一种对河道冲刷下切治理方案优化的方法。

背景技术

我国水资源丰富，江河湖泊众多。河道作为水资源的载体，是关系人类生存和生活的一种最基本自然资源，水资源的开发、利用管理包离不开河道这一重要载体。河道作为水系的一部分，在水系生态保持和水利工程建设等方面发挥着重要作用。在城区河道中，受降水冲击、地下水位变动等因素的影响，河道经常发生河床冲刷下切现象，因此而导致的岸坡失稳情况普遍存在。

河床冲刷下切对河流带来的影响是多方面的，不仅对河流本身有明显影响，对环境、生态等方面也会带来不同程度的影响。它直接影响到同流量下水位降低幅度，关系着防洪安全和两岸地下水蕴藏量；沿程纵剖面变化关系到水面坡降、流速变化，影响着航运条件。下游河床冲刷表现在几个方面 :纵向冲刷，横向冲刷；主槽冲刷，滩地坍塌，突出表明河床冲刷是很严重的 。

为防止河床过度下切对岸坡的破坏，目前的护岸措施主要表现为硬质的结构形式：（1）例如干浆砌石、浆砌石、铰链模袋混凝土沉排、预制混凝土六方块、预制混凝土四方块等水上护岸型式；（2）例如抛石、铰链混凝土板沉排、铰链模袋混凝土沉排、软体排、土工织物砂排、四面六边透水框架群、钢筋混凝土网架促淤沉箱等水下护型式；（3）例如枯水平台以下在坡脚堆石、打桩、石笼、软体排等措施，枯水平台以上采用浆砌或干砌块石、无纺布反滤层上覆盖碎石层或干砌石、混凝土预制块、模袋混凝土护坡。

尽管上述的工程措施可以有效防止河床过度下切对岸坡的破坏，但河床冲刷下切治理方案的运用效果只能通过人工计算和经验进行判断，其评判分析过程不够直观，易受个人主观判断的影响。

针对目前的河床冲刷下切治理方式，有必要提出科学可靠的方式，对治理方案进行数值模拟以降低方案布置的盲目性，更科学、可靠和有效治理河流冲刷性河道下切问题。其中Fluent软件是目前国内外使用最多、最流行的CFD商业软件之一，其包含丰富、经过工程确认的物理模型，能够精确地模拟河流的复杂流动问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述河床冲刷下切治理问题存在的缺陷，提供一种对河道冲刷下切治理方案优化的方法，该方法基于Fluent软件，能够将工程性问题变成数学问题，其方法步骤简单、实现方便、可操作性强,大幅度提高了河床冲刷下切治理方案实施效率，节约了成本，而且能确保满足河道防护要求。

本发明采用的技术方案为：

一种对河道冲刷下切治理方案优化的方法，该对河道冲刷下切治理方案优化的方法包括以下步骤；

步骤一、河道冲刷下切抑制治理方案数值模型的建立：

步骤101、建立河道三维模型：根据工程图纸和地质报告，采用CAD三维建模软件对河道进行三维模型的建立；步骤102、建立流场：以河道三维为基础建立流场模型并输出.sat文件；

步骤二、河道冲刷下切抑制治理方案CFD仿真：

步骤201、计算前处理：将步骤102中的.sat文件导入hypermesh，利用hypermesh对建立流场模型进行网格划分，输出.cas文件；步骤202、仿真计算和仿真模拟：将步骤201中的.cas文件导入FLUENT软件，采用基于压力绝对速度条件下的瞬时流态进行仿真计算；在河道水流达到洪峰时，河道与大气相连，设置边界条件，通过对河道边坡防护建筑物所受的压力，速度以及残差曲线进行监控，完成水流对河道及边坡防护建筑物的仿真模拟；步骤203、模拟结果处理：将仿真模拟结果的.dat文件导入CFD-POST中，生成水流流态云图、水流流速云图、应力云图；

步骤三、计算结果分析：

根据步骤203生成的水流流态云图、水流流速云图、应力云图，对不同水位下河道下的水流流态、河道边坡防护建筑物及河道的压力以及河道边坡防护建筑物的剪应力云图进行分析，其中包括不同流速对河道不同位置处的冲刷情况、河道和河道壁面在水位变化时所受压力、不同水位的水流对挡墙的剪切作用进行分析；

步骤四、治理方案优化：

根据分析结果，对比设计要求和标准，对河道护坡防护效果进行评价；若不满足要求和标准则对治理方案，则进行调整，并重复步骤一到步骤三，直到模拟结果满足河道防护要求，对比多次数值模拟输出的模拟图形数据，得到河道冲刷下切治理方案优化的最佳参数。

进一步，河道冲刷下切抑制治理方案数值模型的建立过程中，在步骤102后还可以进行步骤103、选择模拟工况；洪峰时河道边坡受到冲刷最大，计算流量采用洪峰流量，由于河道冲刷下切过流断面面积会发生变化，所以选用不同的断面流速，模拟不同流速下道冲刷下切治理方案的运行状况。

进一步，步骤三计算结果分析过程中可以结合模拟工况对不同流速对河道不同位置处的冲刷情况、河道和河道壁面在水位变化时所受压力、不同水位的水流对挡墙的剪切作用进行分析。

进一步，所述步骤201中的网格采用四面体非结构化网格。

进一步，所述步骤202仿真计算和仿真模拟过程中的边界条件包括设置速度进口、压力出口；速度进口和压力出口能够根据相关资料，获取水流进口速度大小、湍流强度、湍流粘性比、上下游水位求解参数。

进一步，所述步骤202仿真计算过程包括计算模型选择、初始化、模拟计算；

计算模型选择：选取Realizable的k–ε模型，采用SIMPLEC算法；

初始化：采用FLUENT软件的initializations对流场进行初始化操作，完成数值模拟计算的初始化条件；

模拟计算：选择好合适时间步长，进行模拟计算并输出.dat文件。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、方法步骤简单、实现方便且投入成本相对较低；无需缩尺模型试验、提高工作效率。

2、可视化程度更高，时间成本低、避免重复性工作。

3、Fluent软件中物理模型种类多可满足不同需求，模拟不同情况下的河流变化，计算结果更具有可靠性。

4、使用效果好且实用价值高，大幅度简化河道下切治理方案的优化步骤，节约了成本，而且能确保河道边坡处理施工的安全，使得河道边坡治理效果变得更可控、更规范。

综上所述，本发明利用Revit建模的强大性、hypermesh划分网格的高质量性、Fluent先进的流体数值模拟方法和Tecplot或CFD-Post模拟结果后处理的直观性，将河床冲刷下切治理方案优化的工程性问题变成数学问题。采用上述仿真模拟技术，建立与实际体系一致的河道模型，对河床冲刷下切治理进行模拟，根据模拟结果，优化河道治理建筑物结构参数，为河床冲刷下切治理方案提供了优化指导。本发明方法步骤简单、实现方便、可操作性强、大幅度简化河道下切治理方案的优化步骤，节约了成本，而且能确保治理方案施工的使用效果。

附图说明

图1为本发明的总体方案示意图；

图2为本发明的方案中河道典型断面图；

图3为本发明的河道三维模型图；

图4为本发明为有限元网格图；

图5为本发明为不同水位下河道水流流速云图；

图6为本发明为不同水位下直立挡墙及河道的压力云图；

图7为本发明为不同水位下直立挡墙处的剪应力云图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种对河道冲刷下切治理方案优化的方法，总体方案示意图如图1所示，该对河道冲刷下切治理方案优化的方法基于Fluent软件，主要包括以下步骤：

步骤一、河道冲刷下切抑制治理方案数值的建立：

步骤101和步骤102：根据工程图纸和地质报告，采用CAD三维建模软件对河道进行三维模型的建立，设计河道流域如图2所示。基于某河道CAD三维模型的成果，导出.sat文件格式。

为了更好后期计算结果分析更为方便还可进行步骤103、选择模拟工况。步骤103、选择模拟工况：根据前期勘测报告，针对洪峰流量（18.3m³/s）下的河道安全性进行了分析，由于过流面积未知，设置不同过流面积。不同计算工况如下表。

计算工况

步骤二、河道冲刷下切抑制治理方案数值模型的计算：

步骤201、计算前处理：将步骤102中的.sat文件导入hypermesh，利用hypermesh对建立流场模型进行网格划分，采用四面体非结构化网格，输出.cas文件。本实例划分单元数为3720262，节点数为668426。网格划分情况如图3所示。

步骤202、仿真计算和仿真模拟：将步骤201中的.cas文件导入FLUENT软件，采用基于压力绝对速度条件下的瞬时流态进行仿真计算。在河道水流达到洪峰时，河道与大气相连，设置边界条件，通过对河道边坡防护建筑物所受的压力，速度以及残差曲线进行监控，完成水流对河道及边坡防护建筑物的仿真模拟。

其中，仿真计算过程包括计算模型选择、初始化、模拟计算；

计算模型选择：选取Realizable的k–ε模型，采用SIMPLEC算法；初始化：采用FLUENT软件的initializations对流场进行初始化操作，完成数值模拟计算的初始化条件；模拟计算：选择好合适时间步长，进行模拟计算并输出.dat文件。

其中，边界条件包括设置速度进口、压力出口；速度进口和压力出口能够根据相关资料，获取水流进口速度大小、湍流强度、湍流粘性比、上下游水位求解参数。

入口边界：定义区域左侧为速度入口，速度分别为 1.109m/s，1.34m/s，3.07m/s。

出口边界：区域右侧边界为自由出流outflow。

壁面边界：（wall）壁面无滑移。

步骤203、模拟结果处理：将步骤204中的.dat文件导入CFD-POST中，生成水流流态云图、水流流速云图、应力云图。

步骤三、计算结果分析：

根据步骤203生成的水流流态云图、水流流速云图、应力云图，结合选择模拟工况，对不同水位下河道下的水流流态、河道边坡防护建筑物及河道的压力以及河道边坡防护建筑物的剪应力云图进行分析，其中包括不同流速对河道不同位置处的冲刷情况、河道和河道壁面在水位变化时所受压力、不同水位的水流对挡墙的剪切作用进行分析。

该过程根据河道不同的入口速度条件，利用FLUENT进行了河道水流的仿真模拟，由此得到一系列的结果。

图4是河道水位为3m、2.58m、1.5m时的工况，从图上可以看出，入口处靠近河道右侧处的流速为3.35m/s、3.59m/s、3.45m/s，可能出现冲刷的情况，应加强防固。在挡墙位置流速远小于入口处的流速。

水流对河道底部及直立挡土墙作用结果如图5所示。当河道水位变化为3m~1.5m时，河道的压力值，整体变化不大，随着水位的减小，河道壁面的压力增大；直立挡墙处的剪应力值也随着速度的增大而增大，但是变化范围不大，可知河道达到洪峰流量时，不同水位的水流对直立挡墙的剪切作用很弱，基本上满足工程的要求。

从图6可以看出，当河道水位为3m时，直立挡墙的左侧的最大剪应力为61.6Pa；当河道水位为2.58m时，直立挡墙的右侧出现了最大的剪应力值69.1Pa；当河道水位为1.5m时，直立挡墙在中间出现了最大的应力值17.1Pa，直立挡墙处的混凝土为C25，由规范可知，最大抗剪强度为1.8MPa。此时直立挡墙在不同流速下得到的最大剪应力都远远小于1.8MPa，满足工程稳定要求。

步骤四、治理方案优化：

（1）从流速云图上来看，从整个流域来看，河道沿程流速没有大幅度的落差，基本上处于一个相对稳定的范围内；直立挡墙处的流速相对较小，可知直立挡墙处所受到水流的作用很小，满足工程安全的要求；距入口处右侧的部分区域，水流流速较大，可能出现冲刷情况，故可在这一部位做砼护底，其它地段下切不严重，可采用普通抛石护底。

（2）从压力云图上可以看出，不同水位下河道的压力值，整体变化不大，随着水位的减小，流速增大，河道直立挡墙处的压力增大。

（3）从直立挡墙处剪应力图上可以看出，剪应力值随着水位的减小而增大，但是变化范围不大，远远小于混凝土的抗剪强度，因此河道达到洪峰流量时，不同水位的水流对直立挡墙的剪切作用很弱，基本上满足工程的要求。

综上所述，本发明利用Revit建模的强大性、hypermesh划分网格的高质量性、Fluent先进的流体数值模拟方法和Tecplot或CFD-Post模拟结果后处理的直观性，将河床冲刷下切治理方案优化的工程性问题变成数学问题。采用上述仿真模拟技术，建立与实际体系一致的河道模型，对河床冲刷下切治理进行模拟，根据模拟结果，优化河道治理建筑物结构参数，为河床冲刷下切治理方案提供了优化指导。本发明方法步骤简单、实现方便、可操作性强、大幅度简化河道下切治理方案的优化步骤，节约了成本，而且能确保治理方案施工的使用效果。

Claims (6)

1.一种对河道冲刷下切治理方案优化的方法，其特征在于：该对河道冲刷下切治理方案优化的方法包括以下步骤；

步骤一、河道冲刷下切抑制治理方案数值模型的建立：

步骤101、建立河道三维模型：根据工程图纸和地质报告，采用CAD三维建模软件对河道进行三维模型的建立；

步骤102、建立流场：以河道三维为基础建立流场模型并输出.sat文件；

步骤二、河道冲刷下切抑制治理方案CFD仿真：

步骤201、计算前处理：将步骤102中的.sat文件导入hypermesh，利用hypermesh对建立流场模型进行网格划分，输出.cas文件；

步骤202、仿真计算和仿真模拟：将步骤201中的.cas文件导入FLUENT软件，采用基于压力绝对速度条件下的瞬时流态进行仿真计算；在河道水流达到洪峰时，河道与大气相连，设置边界条件，通过对河道边坡防护建筑物所受的压力，速度以及残差曲线进行监控，完成水流对河道及边坡防护建筑物的仿真模拟；

步骤203、模拟结果处理：将仿真模拟结果的.dat文件导入CFD-POST中，生成水流流态云图、水流流速云图、应力云图；

步骤三、计算结果分析：根据步骤203生成的水流流态云图、水流流速云图、应力云图，对不同水位下河道下的水流流态、河道边坡防护建筑物及河道的压力以及河道边坡防护建筑物的剪应力云图进行分析，其中包括不同流速对河道不同位置处的冲刷情况、河道和河道壁面在水位变化时所受压力、不同水位的水流对挡墙的剪切作用进行分析；

步骤四、治理方案优化：根据分析结果，对比设计要求和标准，对河道护坡防护效果进行评价；若不满足要求和标准则对治理方案，则进行调整，并重复步骤一到步骤三，直到模拟结果满足河道防护要求，对比多次数值模拟输出的模拟图形数据，得到河道冲刷下切治理方案优化的最佳参数。

2.根据权利要求1所述的对河道冲刷下切治理方案优化的方法，其特征在于：河道冲刷下切抑制治理方案数值模型的建立过程中，在步骤102后还可以进行步骤103、选择模拟工况；

洪峰时河道边坡受到冲刷最大，计算流量采用洪峰流量，由于河道冲刷下切过流断面面积会发生变化，所以选用不同的断面流速，模拟不同流速下道冲刷下切治理方案的运行状况。

3.根据权利要求2所述的对河道冲刷下切治理方案优化的方法，其特征在于：步骤三计算结果分析过程中可以结合模拟工况对不同流速对河道不同位置处的冲刷情况、河道和河道壁面在水位变化时所受压力、不同水位的水流对挡墙的剪切作用进行分析。

4.根据权利要求1所述的对河道冲刷下切治理方案优化的方法，其特征在于：所述步骤201中的网格采用四面体非结构化网格。

5.根据权利要求1所述的对河道冲刷下切治理方案优化的方法，其特征在于：所述步骤202仿真计算和仿真模拟过程中的边界条件包括设置速度进口、压力出口；速度进口和压力出口能够根据相关资料，获取水流进口速度大小、湍流强度、湍流粘性比、上下游水位求解参数。

6.根据权利要求1所述的对河道冲刷下切治理方案优化的方法，其特征在于：所述步骤202仿真计算过程包括计算模型选择、初始化、模拟计算；

计算模型选择：选取Realizable的k–ε模型，采用SIMPLEC算法；

初始化：采用FLUENT软件的initializations对流场进行初始化操作，完成数值模拟计算的初始化条件；

模拟计算：选择好合适时间步长，进行模拟计算并输出.dat文件。

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