基于HEC-RAS的橋涵壅水深度與理論計算分析研究

周宏民，趙春濤

(中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

1 研究方法

HEC-RAS(Hydrologic Engineering Center’s River Analysis System)是由美國陸軍工程兵團(tuán)水文工程中心開發(fā)的河道分析軟件包，適用于河道穩(wěn)定和非穩(wěn)定流一維水力計算，HEC-RAS功能強(qiáng)大，可進(jìn)行各種涉水建筑物(如橋梁、入海涵、防洪堤、堰、水庫、塊狀阻水建筑物等)的水面線分析計算，同時可生成橫斷面形態(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。

HEC-RAS系統(tǒng)包含多個一維水力分析模型，如恒定流水面線計算、非恒定流模型計算等。

(1)恒定流水面線計算?？捎嬎愫泳W(wǎng)、樹枝狀河系或單個河段在急流(Fr>1)、緩流(Fr<1)和臨界流(Fr=1)的水面線。

(2)非恒定流模擬。非恒定流模擬的基本方程為Saint-Vent方程組。

2 實例分析

2.1 工程概況

本文選取海口市西崩潭排洪溝為例，計算在不同的設(shè)計流量下，西崩潭河道在金墾路與僑中路之間橋涵的阻水壅水深度。西崩潭排洪溝起始端為海口市金牛嶺水庫，末端匯入龍昆溝，全長約1400 m，現(xiàn)狀河溝已經(jīng)渠化，兩側(cè)為漿砌石擋墻，河床未硬化。本次計算橋涵在金牛嶺水庫下游約242 m處，金墾路與僑中路之間，河道頂部有鋼筋混凝土蓋板封蓋，長度約為114 m。

橋涵全長114 m，根據(jù)現(xiàn)場實際測量結(jié)果，橋涵進(jìn)口寬度為6.9 m，底板高程6.15 m，頂板底高程8.72 m，凈高2.57 m。箱涵出口寬度9.9 m，底板高程5.48 m，頂板底面高程10.12 m，凈高4.64 m，進(jìn)出口之間斷面漸變。

2.2 HEC-RAS數(shù)值模型建模及計算結(jié)果

2.2.1 計算范圍

為了能夠使橋涵進(jìn)出口計算水流更加平穩(wěn)，本次水面線推算是計算西崩潭整條河道，推算范圍始于金牛嶺水庫閘下30 m，終于東西崩潭匯合口，全長約1.4 km，計算斷面采用實測河道斷面；在計算范圍內(nèi)，現(xiàn)狀有橋梁三座，其中，箱涵式蓋板橋一座，本次主要計算箱涵式蓋板橋橋前的壅水高度[1]。

2.2.2 計算糙率

根據(jù)《水力計算手冊》[2]，表面較平整的混凝土渠槽糙率取為0.012～0.016；漿砌塊石糙率取為0.020～0.025；經(jīng)過中等修整，石渠河道糙率取為0.030～0.033。為安全起見，本文糙率取值略高于《水力計算手冊》的取值范圍，本工程箱涵段以外河道底部為天然碎石河道，糙率取為0.035，兩側(cè)為漿砌塊石護(hù)砌，糙率取為0.030；箱涵段河道均為混凝土護(hù)砌，糙率取為0.020。

2.2.3 模型上邊界及下邊界

本次西崩潭排洪溝水面線推算，河道排洪流量分為兩個工況進(jìn)行分析計算：

(1)取金牛嶺水庫發(fā)生500年一遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時下泄流量10 m3/s與該區(qū)域雨水流量(3.5 m3/s)的總和13.5 m3/s。(2)西崩潭設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，金牛嶺水庫的設(shè)計洪峰流量(20年一遇)為28.3 m3/s。為安全起見，將金牛嶺水庫視為無調(diào)蓄作用，取金牛嶺水庫20年一遇入庫洪峰流量28.3 m3/s與該區(qū)域雨水匯流3.5 m3/s的總和31.8 m3/s作為西崩潭排洪溝20年一遇可能最大泄流量。綜上所述，本次模型計算的上邊界為：計算流量分別為13.5 m3/s和31.8 m3/s。

根據(jù)《?？谑蟹篮?潮)規(guī)劃報告》(?？谑兴畡?wù)局、海南省水利水電勘測設(shè)計研究院、華南理工大學(xué)合編，2008年10月)，西崩潭河段(P=5%)設(shè)計水面線計算成果，西崩潭在東西崩潭匯合口處設(shè)計水位為4.55 m，本次采用此水位作為模型的下邊界控制水位。

2.2.4 計算結(jié)果

采用HEC-RAS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，河道在不同流量下水面線計算結(jié)果見表1和表2。西崩潭排洪溝箱涵段在流量為13.5 m3/s時，橋涵進(jìn)口處水位為7.10 m；在流量為 31.8 m3/s時，橋涵進(jìn)口處水位為8.16 m。

表1 西崩潭河道水面線(Q=13.5 m3/s)

表2 西崩潭河道水面線(Q=31.8 m3/s)

2.3 理論公式計算河道水位結(jié)果

2.3.1 壅水理論計算公式

明渠均勻流計算公式是推求河道水位的常規(guī)實用方法，在工程設(shè)計和防洪影響評價工作中廣泛使用，采用該方法推求的設(shè)計水位能夠滿足防洪評價的要求，本次采用試算法，給出下游起推水位，從下游到上游逐個斷面逐一計算水深，如式(1)：

(1)

(2)

式中：n為河床糙率；ω為斷面過水面積，m2；R為過水?dāng)嗝嫠Π霃?，m。

2.3.2 理論計算公式計算結(jié)果

采用明渠均勻流計算公式計算西崩潭排洪溝河床改造項目箱涵水面線，流量分別為13.5 m3/s和31.8 m3/s。計算過程詳見表3、表4。

表3 理論計算水位推算(Q=13.5 m3/s)

表4 理論計算水位推算(Q=31.8 m3/s)

3 計算結(jié)果與對比分析

本次采取了理論分析計算和HEC-RAS模型仿真分析計算兩種方法計算橋涵的進(jìn)口處的壅水深度，對比結(jié)果見表5和表6，在設(shè)計流量為13.5 m3/s 的工況下，HEC-RAS模型計算的橋涵進(jìn)口處的水位為7.10 m，流速為1.90 m/s，明渠均勻流計算公式推算的橋涵進(jìn)口處的水位為7.05 m，流速為2.19 m/s，兩種方式計算的水位誤差為0.05 m，流速誤差為0.29 m/s；HEC-RAS模型計算的橋涵出口處的水位為6.65 m，流速為1.53 m/s，明渠均勻流計算公式推算的橋涵出口處的水位為6.62 m，流速為1.63 m/s，兩種方式計算的水位誤差為0.03 m，流速誤差為0.10 m/s。

表5 水位推算對比(Q=13.5 m3/s)

表6 水位推算對比(Q=31.8m3/s)

在設(shè)計流量為31.8 m3/s的工況下，HEC-RAS模型計算的橋涵進(jìn)口處的水位為8.16 m，流速為2.11 m/s，明渠均勻流計算公式推算的橋涵進(jìn)口處的水位為8.11 m，流速為2.35 m/s，兩種方式計算的水位誤差為0.05 m，流速誤差為0.24 m/s；HEC-RAS模型計算的橋涵出口處的水位為7.76 m，流速為1.86 m/s，明渠均勻流計算公式推算的橋涵出口處的水位為7.68 m，流速為1.99 m/s，兩種方式計算的水位誤差為0.08 m，流速誤差為0.13 m/s。

在兩種計算工況下，兩種計算方式的計算結(jié)果相差較小，HEC-RAS仿真計算水位略高，可以認(rèn)為更加偏于安全，在排除參數(shù)選取人為誤差的情況下，認(rèn)為本次構(gòu)建的西崩潭河道及橋涵壅水計算的HEC-RAS仿真模型是符合實際情況的[3]。

4 結(jié) 論

河道新建和改擴(kuò)建工程的防洪影響評價常采用經(jīng)驗公式法、數(shù)值模擬計算法和物理模型實驗法來模擬計算水工建筑物建設(shè)前后對河道水流的影響，隨著計算機(jī)的發(fā)展，數(shù)值模擬計算成為防洪影響評價計算的主流，在利用數(shù)值模擬模型來模擬計算河道水面線方面，我國已經(jīng)開展了很多研究工作。本文基于HEC-RAS數(shù)值模型推求了橋涵的壅水值，并與理論計算值進(jìn)行對比與分析。計算結(jié)果表明，在兩種計算工況下，HEC-RAS軟件計算值與傳統(tǒng)理論計算值結(jié)果非常接近，HEC-RAS計算結(jié)果較為精確，并能得到圖形及表格的結(jié)果，還可以得到流速、水頭等其他結(jié)果，相比于傳統(tǒng)水面線計算大量的調(diào)試以及水面類型判斷，節(jié)約了大量時間，所以，HEC-RAS計算河道水面線的方法尤其適合帶有河道附屬建筑物的情況，建議在今后的設(shè)計工作中推廣應(yīng)用。