基于HEC-RAS軟件的某河道治理工程水面線計算

陳 域

(中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

基于HEC-RAS軟件的某河道治理工程水面線計算

陳 域

(中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

·水利工程·

水面線計算是河道整治工程設(shè)計過程中的關(guān)鍵計算，常規(guī)手算方法對于復(fù)雜工程和多種工況計算，需要大量的試算，計算工作量大，數(shù)據(jù)調(diào)整修改繁雜。以某山區(qū)河道整治工程為實例，采用HEC-RAS軟件對治理河段進行建模，計算各工況水面線成果，計算過程快速簡潔，計算成果直觀，易于工程設(shè)計使用。

河道整治，水面線，HEC-RAS

1 工程概述

在河道整治工程中，需要對天然河道以及治理后的河道進行各種工況的水面線計算，以獲得相關(guān)特征水位、流速、水深等信息，用以指導(dǎo)河道整治工程治導(dǎo)線確定、堤防結(jié)構(gòu)設(shè)計、河道沖刷計算等。

某河道整治工程，是一項以鄉(xiāng)鎮(zhèn)防洪為主的工程，堤防工程的建設(shè)將提高水土保持能力及防洪、抗災(zāi)能力，有效保護當(dāng)?shù)剜l(xiāng)村人民的生命財產(chǎn)安全，保障當(dāng)?shù)厝嗣竦母纠?。工程治理河段為山區(qū)河流，河谷陡峻，主河長13.2 km，河道平均比降2.41%，治理河道總長度13.136 km。工程設(shè)防洪標準為10年一遇(p=10%)。

2 水面線計算方法

設(shè)計洪水水面線是確定治理工程規(guī)模的關(guān)鍵，根據(jù)治理河段資料條件及地理位置的不同，設(shè)計洪水水面線一般采?。?)恒定非均勻漸變流方程式；2)曼寧公式；3)水面比降法進行推求，方法2)，3)僅用于資料較為缺乏的地區(qū)。

通常河道整治工程水面線計算選用恒定非均勻漸變流方程，采用EXCEL程序由下游向上游逐段推算。水面曲線計算所依據(jù)的基本方程式如下：

其中，Z1為下游斷面水位(起調(diào)水位，已知條件)；Z2為上游斷面水位(計算值，未知數(shù))；hf為兩斷面之間的沿程水頭損失；hj為兩斷面之間的局部水頭損失；α為動能修正系數(shù)；Q為流量；A為過水?dāng)嗝婷娣e。

3 工程水面線計算

3.1 HEC-RAS程序簡述

河道的水面線是根據(jù)實測的縱橫斷面資料、設(shè)計洪峰流量、起調(diào)斷面的水位流量關(guān)系和河道糙率等邊界條件，按照水力學(xué)公式進行計算。

HEC-RAS是由美國陸軍工程師兵團(USACE)開發(fā)的一個綜合性的水力計算軟件。圖形界面簡潔，能夠基于不同的模型輸入相應(yīng)的邊界條件。軟件可以根據(jù)需要選擇多種水力計算方法分析計算一維恒定、非恒定流的水面線。操作簡潔，便于修改和數(shù)據(jù)調(diào)整，分析成果可以用圖形或表格的形式表現(xiàn)，易于工程設(shè)計采用。

計算步驟：1)新建工程項目；2)輸入河道幾何資料：河段長度、橫斷面信息、河槽劃分、糙率等；3)輸入水流數(shù)據(jù)和邊界條件：計算工況、流態(tài)模式、流量、水位等；4)進行水力學(xué)計算；5)輸出計算結(jié)果。

3.2 本工程水面線計算

工程治理河段總長13.136 km，沿河道共布置67個斷面，斷面平均間距為200 m左右，在現(xiàn)狀實測橫斷面的基礎(chǔ)上，根據(jù)平面布置確定的堤線，堤距布置行洪斷面的形式，作為推算水面線的依據(jù)。計算洪水標準為10年一遇和2年一遇，河道糙率采用0.042，頻率洪水洪峰流量和控制斷面水位見表1，表2。

表1 各防洪斷面設(shè)計洪水成果表

表2 控制斷面計算水位表

采用HEC-RAS程序完成河道建模并輸入相關(guān)邊界條件后，進行各工況水面線計算分析，河道建模及數(shù)據(jù)輸出顯示見圖1～圖5。

根據(jù)程序計算成果，將各工況水面線數(shù)據(jù)輸出EXCEL表格，按照需要的格式進行整理，以樁號K11+000～K13+000為例，將最終的計算成果整理展示見表3。經(jīng)比較分析，采用HEC-RAS計算得出的水面線成果跟表格試算成果基本是一致的，但是HEC-RAS對于混合流以及復(fù)雜水力條件下的計算分析更為簡便準確。

表3 水面線計算成果整理表

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4 結(jié)語

水面線計算是河道整治工程設(shè)計過程中的關(guān)鍵計算，對于整治長度較長，河道蜿蜒變化復(fù)雜的河流，為了保證水面線計算的準確合理，將會取較多的計算斷面，用傳統(tǒng)方法進行計算，計算過程過于復(fù)雜，數(shù)據(jù)也不易修改調(diào)整。本文以某山區(qū)河道整治工程為實例，通過HEC-RAS軟件對治理河段建模計算，得出其各工況水面線計算成果，計算過程快速簡潔，計算成果直觀，易于工程設(shè)計使用。

[1] HEC-RAS Version 4.1 Users Manual,US Army Corps of Engineerings Hydrologic Engineering Center[Z].

[2] 陸靜依.美國“HEC-RAS河流分析系統(tǒng)”簡介[J].上海水利，1999(4):17.

[3] 黃海龍.基于Civil 3D與HEC-RAS的快速水面線計算方法[J].低碳技術(shù)，2017(23):51-53.

OnwatersurfacelinecaculationofsomeriverchannelprojectbasedonHEC-RASsoftware

ChenYu

(PowerChinaKunmingEngineeringCorporationLimited,Kunming650051,China)

Water surface line calculation is the key to the design process of river regulation projects in the calculation. The conventional calculation method for complex engineering and various conditions requires a large amount of trial calculations. The workload of calculation is large, and the data adjustment and modification are complicated. Taking a mountainous river regulation project as an example, this paper uses HEC-RAS software to model the river reach, and calculates the water surface line results under different conditions. The calculation process is fast and simple, and the calculation results are intuitive and easy to use in engineering design.

river regulation, water surface line, HEC-RAS

2017-10-07

陳 域(1985- )，女，工程師

1009-6825(2017)35-0207-02

TV131

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