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      基于HEC-RAS軟件模型的橋梁壅水計(jì)算簡析

      2019-03-16 05:23:54
      四川水利 2019年1期
      關(guān)鍵詞:橋位糙率橫斷面

      (樂山市水利電力建筑勘察設(shè)計(jì)研究院,四川 樂山,614000)

      1 引言

      因橋墩將占據(jù)河道一定的過水面積,特別是在較大洪水情況下,受橋墩的束水和阻水作用,將在橋位上游局部范圍內(nèi)形成一定的壅水,對橋區(qū)河段的洪水位和流場均會造成一定的改變。因此橋梁設(shè)計(jì)方案確定后,業(yè)主單位需委托有資質(zhì)的單位分析、評價(jià)橋梁建成后對上游河段的壅水影響[1]。

      在實(shí)際評價(jià)中,橋梁壅水計(jì)算通常采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算,例如《鐵路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10017-99)中的壅水計(jì)算公式,公式中對河段河床組成、河道特性以及橋下供給過水面積等參數(shù)要求較高,很多參數(shù)與經(jīng)驗(yàn)取值有很大關(guān)系。而HEC-RAS軟件模型要求根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)方案在橋位橫斷面處輸入橋梁各參數(shù),以模擬出橋梁建成后河段水面線,從而得到橋梁壅水高度及長度等。

      本文以樂山市某大橋?yàn)槔?,?jì)算其壅水高度及壅水長度。

      2 橋梁概況

      根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)資料,上部結(jié)構(gòu)采用(14×40+3×50+6×40)m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁橋,橋梁軸線的法線與水流方向基本一致。橋面橫向坡度0%,縱向坡度-2.033%~2.3%(自左岸向右岸),橋面厚2.5m,橋面寬32m。下部結(jié)構(gòu)均采用鋼筋混凝土蓋梁+圓柱墩:除50m跨徑T梁橋墩(14#~17#)寬2.2m外,其余橋墩寬2.0m。

      該橋橋面連續(xù),橋長959m,屬大橋,其防洪標(biāo)準(zhǔn)按100年一遇設(shè)計(jì)。經(jīng)水文計(jì)算,橋位處100年一遇洪水流量為18600m3/s。

      該橋梁跨河部分設(shè)計(jì)尺寸統(tǒng)計(jì)見下表1。

      表1 橋梁跨河部分設(shè)計(jì)高程及尺寸

      3 HEC-RAS軟件模型概況

      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)算軟件包,適用于河道穩(wěn)定和非穩(wěn)定流一維水力計(jì)算,可進(jìn)行各種涉水建筑物(如橋梁、涵洞、防洪堤、堰、水庫、塊狀阻水建筑物等)的水面線分析計(jì)算,同時(shí)可生成橫斷面形態(tài)圖、流量及水位過程曲線、復(fù)式河道三維斷面圖等各種分析圖表。該軟件模型在國內(nèi)外水面線推算中已廣泛應(yīng)用。

      HEC-RAS水面線計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)逐步遞推法求解一維能量方程式。該模型不僅根據(jù)糙率的縱橫向分布考慮主河道和灘地的流量分配,還考慮了糙率隨水位的變化,并且還結(jié)合各種形狀涉水建筑物的阻水基理分析阻水情況和能量損失。

      其基本能量方程式表示如下:

      式中:Z2、Z1——上、下游斷面河底高程;

      Y2、Y1——上、下游斷面水深;

      V2、V1——上、下游斷面平均流速;

      α2、α1——動能校正系數(shù);

      g——重力加速度;

      he——工程阻水造成的水頭損失。

      圖1 能量方程各要素示意

      兩個斷面間的能量水頭損失由摩擦損失和水流收縮(放大)產(chǎn)生的水頭損失組成。能量水頭損失方程如下:

      C——斷面擴(kuò)張或收縮系數(shù);

      L——流量加權(quán)系數(shù)。

      流量加權(quán)系數(shù)計(jì)算公式如下:

      式中:K——流量模數(shù);

      n——糙率系數(shù);

      A——分區(qū)面積;

      R——水力半徑。

      動能校正系數(shù)α計(jì)算公式如下:

      式中:At——斷面總面積;

      Kt——總流量模數(shù);

      Alob、Ach、Arob——左岸灘地、主河道、右岸灘地面積;

      Klob、Kch、Krob——左岸灘地、主河道、右岸灘地流量模數(shù)。

      4 HEC-RAS軟件模型計(jì)算橋梁壅水

      4.1 橫斷面布置

      在上起橋軸線上游約510m、下至橋軸線下游350m,總長約860m的河段上布置5個橫斷面(CS1~CS5)進(jìn)行河段分析,其中CS3段面為橋址處斷面。

      將橋梁設(shè)計(jì)參數(shù)、尺寸按HEC-RAS軟件模型輸入方法在橋位處實(shí)測橫斷面(CS3)上得到模擬,見圖2。

      圖2 橋位橫斷面

      4.2 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果

      根據(jù)水文分析計(jì)算成果,該河段100年一遇(P=1%)設(shè)計(jì)洪水流量為18600m3/s。

      4.3 河床糙率

      該河段此前有多家科研設(shè)計(jì)單位進(jìn)行過歷史洪水調(diào)查工作,調(diào)查成果歷經(jīng)多次復(fù)核和審查,并運(yùn)用于該流域水利工程設(shè)計(jì)中,成果合理可靠。該河道綜合糙率n值為0.035~0.038。

      4.4 起算控制水位

      河段水面線推算起始控制斷面為CS1斷面,P=1%時(shí)設(shè)計(jì)洪峰流量18600m3/s,相應(yīng)設(shè)計(jì)洪水位388.70m。

      4.5 計(jì)算結(jié)果

      橋孔壓縮水流,使橋位上游水面雍高,形成橋前壅水。壅水高度一般跟水流進(jìn)入橋孔的阻力、橋下水流的過水面積、河床糙率等有關(guān)。與建橋前河流的情況比起來,橋梁對河流的過流與行洪有一定的影響。

      通過以上參數(shù),采用HEC-RAS河流分析系統(tǒng)軟件模型計(jì)算河段建橋前、后水面線,成果見表2。

      表2 橋梁河段設(shè)計(jì)洪水位計(jì)算成果

      橋位斷面處建橋前、后各洪水參數(shù)指標(biāo)見表3。

      表3 橋位處斷面(CS3)洪水參數(shù)指標(biāo)變化

      4.6 分析計(jì)算結(jié)果

      根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)方案及實(shí)測橫斷面圖,通過采用HEC-RAS軟件模型進(jìn)行該橋壅水計(jì)算。在100年一遇洪水下,建橋后因橋墩擠占河道部分行洪斷面,過水面積減少209m2,過水面積縮窄率為4.65%,橋位處流速增加4.87%,設(shè)計(jì)洪水位壅高0.04m,橋前壅高0.08m,橋梁壅水長度約120m。

      橋梁建成后,工程河段三維模型見圖3。

      圖3 橋梁建成后河段洪水三維模擬

      5 結(jié)論

      HEC-RAS軟件模型進(jìn)行橋梁壅水分析,依據(jù)的基礎(chǔ)資料是橋梁設(shè)計(jì)參數(shù)、尺寸,以及實(shí)測河道橫斷面,相比經(jīng)驗(yàn)公式來說,能更好地反映橋梁建設(shè)對河道行洪的影響,因?yàn)樗菍蛄簶蛐驮O(shè)計(jì)加載到橋位橫斷面上,模擬出橋梁建成后橋位處橫斷面的變化,從而采用能量方程推算出建橋后的河道水面線。

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