HEC-RAS在柳川河二期工程水力計(jì)算中的應(yīng)用

張昭，倪立萍，張曉鵬

（1.河北省灌排供水技術(shù)服務(wù)總站，河北石家莊 050011；2.石家莊學(xué)院，河北石家莊 050035；3.河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北石家莊 050021）

HEC-RAS在柳川河二期工程水力計(jì)算中的應(yīng)用

張昭1，倪立萍2，張曉鵬3

（1.河北省灌排供水技術(shù)服務(wù)總站，河北石家莊 050011；2.石家莊學(xué)院，河北石家莊 050035；3.河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北石家莊 050021）

介紹了HEC-RAS的主要功能，針對(duì)柳川河的現(xiàn)狀，利用該軟件進(jìn)行河道與交叉建筑物聯(lián)合建模、洪水因子輸入、流態(tài)選擇。通過計(jì)算比對(duì)驗(yàn)證了軟件建立橋梁模型的可靠性，通過分析結(jié)果數(shù)據(jù)中的水力要素，確定了河道防護(hù)措施，保障了河道行洪安全。

HEC-RAS建模；橋梁模型；過水能力；河道行洪；安全

1 軟件介紹

HEC-RAS是由美國陸軍工程兵團(tuán)水文工程中心開發(fā)的水面線計(jì)算軟件，適用于河道穩(wěn)定和非穩(wěn)定流一維水力計(jì)算，包括洪水調(diào)度分析、河道水面線計(jì)算、涉水建筑物阻水分析、動(dòng)床輸沙模擬、閘門及水泵啟閉模擬、水質(zhì)分析等功能。由于其適用范圍廣、數(shù)據(jù)處理分析能力強(qiáng)、操作簡便，近些年被廣泛應(yīng)用于水利工程的規(guī)劃和設(shè)計(jì)中。

2 工程應(yīng)用

2.1 河道現(xiàn)狀

柳川河是張家口市宣化區(qū)的一條重要河流，屬洋河支流，發(fā)源于崇禮縣南部。河道全長60.2km，平均坡度6.4‰，流域面積428.2km2，河道寬56.0m～220.0m。柳川河治理二期工程起始于一期工程末端（樁號(hào)2+465），至柳川河入洋河口（樁號(hào)4+290）結(jié)束，長1.83km。由于長期斷流，河道內(nèi)雜草叢生、違建擠占，并堆積了大量的建筑、生活垃圾，降低了河道的過流能力［2］。治理段河道上現(xiàn)有京包鐵路橋（樁號(hào)3+000）和洋河左堤橋（樁號(hào)4+224），其中京包鐵路橋?yàn)榱菏诫p向雙橋，軸線與河道正交，兩橋順?biāo)飨騼艟?0m。單橋全長90m，共9孔，單孔凈跨8.5m，梁底高程605.14m。橋墩為尖端重力式結(jié)構(gòu)，軸向與流向平行，長4.8m，寬1.7m。洋河左堤橋軸線與河道夾角60°，上部采用7×25m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，梁底高程604.95m，下部采用柱式墩、臺(tái)，墩徑1.3m，墩位橫向距6m，軸線與流向平行。由于京包鐵路橋修建年代久遠(yuǎn)，現(xiàn)狀防洪標(biāo)準(zhǔn)不足50年一遇，給城市防洪安全帶來隱患。洋河左堤橋防洪標(biāo)準(zhǔn)較高，為100年一遇。

2.2 工程布置

柳川河治理二期工程防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，工程等別II等，堤防等級(jí)2級(jí)，橡膠壩等級(jí)2級(jí)。樁號(hào)2+ 465～3+155段為單式斷面，河寬75.0m～90.0m，縱坡0.14%～0.67%，樁號(hào)3+155～4+065段復(fù)式梯形斷面，槽底寬90.0m～153.0m，縱坡0.42%～0.67%，樁號(hào)4+ 065～4+290段采用單式梯形斷面，底寬135m，縱坡0.19%，邊坡坡比1∶3。在樁號(hào)2+920、3+500、4+065處布置3號(hào)、4號(hào)和5號(hào)橡膠壩，3號(hào)、4號(hào)壩高分別為2.0m和2.5m，壩長均為90m，5號(hào)壩高3.0m，壩長135m，橡膠壩的蓄水深度0.65～3.0m。

在樁號(hào)2+695處新建通用大橋，軸線與河道正交，結(jié)構(gòu)型式為4×23.5m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁和柱式墩臺(tái)，梁底高程608.05m，墩徑1.5m，墩橫距5.6m，橋墩橫軸與流向平行。

2.3 HEC-RAS應(yīng)用

HEC-RAS推算河道恒定流水面線基于能量方程［1］：

式中Z1、Z2為主河道高程；Y1、Y2為斷面水深；V1、V2為平均流速；a1、a2為流速系數(shù)；g為重力加速度；he為水頭損失。

2.3.1 河道建模

在幾何模型中輸入河道樁號(hào)，斷面起點(diǎn)距、高程，斷面間灘距、槽距和糙率［3］。由于受洋河洪水頂托，左堤橋處洪水流速較低，且橋型有利于過水，產(chǎn)生的水頭損失小，可將橋凈斷面加入河道斷面序列，一起建模；通用大橋處受鐵路橋回水影響，與左堤橋同理，將橋河歸并；橡膠壩過洪時(shí)塌壩運(yùn)行，垂直和側(cè)向收縮較小，可在壩進(jìn)出口各設(shè)一個(gè)斷面，輸入壩底高程、長度指標(biāo)和收縮、擴(kuò)散系數(shù)，用于計(jì)算局部損失。

2.3.2 橋梁建模

由于兩橋距離較近，可合并建模，即形成長90m、寬16.6m的單橋，并建立橋面系、橋墩的實(shí)體單元，橋臺(tái)連接堤邊坡1∶3，堰流系數(shù)設(shè)為2.8。在橋上下游10m的斷面處設(shè)置無效流動(dòng)區(qū)，在邊墩處建立三角單元模擬翼墻，以保證水面線的計(jì)算準(zhǔn)確。

2.3.3 洪水因子輸入

柳川河50年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量574m3/s，下游出口水位采用洋河同頻洪水位603.01m，將流量和水位作為已知條件輸入最下游斷面（1號(hào)斷面）。

2.3.4 水面線分析程序選擇

HEC-RAS恒定流分析程序提供了緩流、急流、混合流3種流態(tài)。根據(jù)工程特性，選擇自下游向上游逐段推求的緩流模式。

2.3.5 成果輸出

結(jié)果文件以圖、表形式輸出，項(xiàng)目包括設(shè)計(jì)水位、總能頭、臨界水位、臨界底坡、設(shè)計(jì)流速、過水面積和弗汝德數(shù)等水力要素。

表2 河道水力要素輸出表

2.3.6 建筑物過水能力驗(yàn)證

京包鐵路橋壅水高1.43m，其成果的可靠性將極大影響工程的布置和投資，需對(duì)橋的過流能力進(jìn)行驗(yàn)證分析。

按照SL265—2001《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A計(jì)算：

（1）判別水流狀態(tài)：因?yàn)閔e/H=1.84/3.05=0.603< 0.650，所以屬于孔流，按平底閘孔出流公式計(jì)算流量，其中he為橋洞凈高，H為上游水深。

（2）根據(jù)橋洞高度、梁底形狀、上游水深等計(jì)算孔流垂直收縮系數(shù)0.83，流量系數(shù)0.54，躍前水深1.53m。

（3）試算法求解流量：假定初始流量，并根據(jù)躍前水深計(jì)算躍后水深，由上下游水深和躍后水深確定淹沒系數(shù)，在流量公式中代入上下游水深、淹沒系數(shù)、流量系數(shù)、橋洞總凈寬，將推求的流量與初始流量比對(duì)，誤差小于1%時(shí)計(jì)算終止，若大于1%，則重新假定流量，進(jìn)入下一步迭代計(jì)算。

最終計(jì)算流量578m3/s，與設(shè)計(jì)流量574m3/s非常接近，由此驗(yàn)證了HEC-RAS在鐵路橋過流能力計(jì)算上的可靠性。

2.3.7 成果分析

由計(jì)算成果分析，受洋河高水位制約，柳川河排水不暢，河道回水距離790m，末端位于4號(hào)橡膠壩，此段河道兩岸筑堤高度較大，考慮景觀因素，堤身以復(fù)式斷面為主；由于流速較小，僅對(duì)主槽及岸坡坡腳采用格賓網(wǎng)石籠防護(hù)。京包鐵路橋上游水位已超過梁底高程，橋洞悶孔造成洪水下泄不暢，將增加上游兩岸筑堤高度，同時(shí)加大了通用大橋與兩岸已建道路連通的難度，投資規(guī)模也會(huì)提高；橋的上、下游約500m范圍內(nèi)的流速較大，在橋洞內(nèi)水流流態(tài)紊亂，易造成沖刷，工程采用格賓網(wǎng)石籠、混凝土、漿砌石等抗沖材料對(duì)該河段進(jìn)行全斷面防護(hù)。

3 結(jié)語

HEC-RAS軟件的一維水力模擬分析功能強(qiáng)大，可將河道與交叉建筑物一起建模，避免了水面線逐級(jí)推求的繁瑣過程；對(duì)于長距離、坡度較陡且變化劇烈的河道，經(jīng)過合理的模型輸入和計(jì)算模式選擇，推出的水面線完整，精度較高，不會(huì)發(fā)生中斷，為后續(xù)分析創(chuàng)造了條件；軟件豐富的輸出形式和糾錯(cuò)功能可幫助設(shè)計(jì)人員整理數(shù)據(jù)，為工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

［1］Gary W Brunner.HEC-RAS River Analysis SystemHydraulic Reference Manual（Version 4.1）［M］.U.S.Army Corps of Engineers，Institute For Water Resources，Hydrologic Engineering Center，Davis，California，2010:2-1～2-21.

［2］張昭.張家口市宣化區(qū)柳川河水環(huán)境綜合治理二期工程項(xiàng)目建議書［R］.河北天和咨詢有限公司，2011.

［3］John C Warner，Gary W Brunner，Brent C Wolfe，et al. HEC-RAS River Analysis System Applications Guide Version 4.1［M］.U.S.Army Corps of Engineers，Institute For Water Resources，Hydrologic Engineering Center，Davis，California，2010:1-1～1-10.

Application of Hec-Ras in Liuchuan River Project PhaseⅡHydraulic Computation

ZHANG Zhao1，NI Li-ping2，ZHANG Xiao-peng3
（1.The Head Station for Irrigation，Drainage and Water Supply Techniques Service of Hebei Province，Shijiazhuang 050011，China；2.Shijiazhuang University，Shijiazhuang 050035，China；3.The Second Design and Research Institute of Water Conservancy and Hydropower of Hebei Province，Shijiazhuang 050021，China）

The paper introduces the major function of Hec-Ras.In the light of Liuchuan River’s current status,the Hec-Ras is used to model river and crossing structure,input flood factors and choose flow regime.Via the calculation and comparison,the reliability of bridge modeling by Hec-Ras is validated,based on the analysis of hydraulic elements in result files,the river’s protective measures is confirmed and the safety of the river is guaranteed during flood.

HEC-RASmodeling；bridge model；discharge capacity；river discharge；safety

TV222

A

1672-9900（2013）01-0038-03

2012-12-28

張昭（1982-），男（漢族），河北石家莊人，工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)方面的研究，（Tel）13398610390。