HEC-RAS模型在橋墩壅水計(jì)算中的應(yīng)用

何家偉

(昆明龍慧工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，云南 昆明 650000)

對(duì)于涉水建筑物來(lái)說(shuō)，壅水計(jì)算和影響分析是2項(xiàng)密切關(guān)聯(lián)、不可或缺的重要工作。根據(jù)計(jì)算與分析結(jié)果，如果壅水嚴(yán)重將會(huì)導(dǎo)致河道無(wú)法正常行洪，在遭遇特大洪水時(shí)很有可能引起洪澇災(zāi)害。因此，壅水計(jì)算和影響分析可以作為指導(dǎo)工程建設(shè)的重要依據(jù)，必須加以重視。目前常用的壅水計(jì)算方法有經(jīng)驗(yàn)公式法、水力學(xué)模型法。HEC-RAS模型是一種典型的一維水動(dòng)力模型，將其應(yīng)用到橋墩壅水計(jì)算與影響分析中，具有斷面布置靈活、參數(shù)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、結(jié)果直觀準(zhǔn)確等一系列特點(diǎn)。實(shí)踐表明，基于HEC-RAS模型的一維水力學(xué)計(jì)算模型相比于二維水力學(xué)計(jì)算模型具有邊界約束條件少、計(jì)算工作量少等優(yōu)勢(shì)，相比于經(jīng)驗(yàn)公式法具有結(jié)果精確度高等優(yōu)勢(shì)。因此，HEC-RAS模型在橋梁工程的壅水計(jì)算中得到了廣泛應(yīng)用。

1 橋墩壅水計(jì)算常用方法及其局限性

經(jīng)驗(yàn)公式法是現(xiàn)階段橋梁壅水計(jì)算中比較常用的方法之一，其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在于計(jì)算過(guò)程中使用變量少，減輕了前期數(shù)據(jù)采集的工作量。例如，選擇“道不松公式”計(jì)算壅水(ΔZ)：

(1)

2 HEC-RAS模型計(jì)算橋墩壅水的優(yōu)勢(shì)分析

針對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式法存在的上述問(wèn)題，基于HEC-RSA模型的橋墩壅水計(jì)算方法能夠有效避免，顯著提高了結(jié)果精度。HEC-RAS軟件橋梁模擬方法有能量平衡(伯努利方程)、動(dòng)量平衡、Yarnell公式、WSPRO等4種計(jì)算方法，可根據(jù)實(shí)際條件選用不同的方法。該模型可考慮橋梁、涵洞、堰、溢洪道、堤防等水工建筑物對(duì)水面線分析計(jì)算的影響，該軟件具有恒定流、非恒定流求解以及河道輸沙演算。在橋墩壅水計(jì)算中，如果河道水流相對(duì)平穩(wěn)、河槽寬而淺，發(fā)生大洪水時(shí)出現(xiàn)最大壅高，可選擇洪峰流量作為恒定流，計(jì)算橋梁壅水。因此，選擇基于HEC-RAS恒定流模型的壅水分析計(jì)算，可準(zhǔn)確求解橋位處最大壅水高度和壅水范圍。根據(jù)能量守恒定律，計(jì)算公式為：

(2)

式中，Z1、Z2—上下斷面河底高程，m；Y1、Y2—上下斷面水深，m；V1、V2—上下斷面水流的平均流速，m/s；α1、α2—?jiǎng)幽苄拚禂?shù)；g—重力加速度，m/s2；he—橋梁工程造成的能量損失，m。

根據(jù)橋梁工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，能量損失主要來(lái)自2個(gè)方面：橋墩占用河道過(guò)水?dāng)嗝妫瑢?dǎo)致上游水流收縮產(chǎn)生的能量損失；收縮水流再次經(jīng)過(guò)其他涉水建筑物時(shí)發(fā)生擴(kuò)散產(chǎn)生的能量損失。

3 橋墩壅水計(jì)算與影響分析中HEC-RAS模型的應(yīng)用

3.1 工程概況

柿子塘1#大橋?qū)儆谠颇鲜∮榔娇h至昌寧縣高速公路的重要節(jié)點(diǎn)工程，大橋位于云南省大理州永平縣境內(nèi)的銀江河上，該河流屬瀾滄江左岸一級(jí)支流永平大河的中上游，橋位處河段順直，上游120m、下游130m處均有急彎，該河段河寬約20m，呈寬淺“U”型。柿子塘1#大橋全長(zhǎng)216.08m，上部結(jié)構(gòu)采用7m×30m預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，先簡(jiǎn)支后連續(xù)，單孔最大跨徑30m，下部結(jié)構(gòu)橋墩采用柱式墩。其中左幅、右幅5#橋墩均位于銀江河河道內(nèi)，大橋設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)100a一遇，最低梁底板高程為1531.17m，河道自身防洪標(biāo)準(zhǔn)為10a一遇。

3.2 HEC-RAS模型的斷面布置原則

基于HEC-RAS平臺(tái)構(gòu)建橋梁模型，為保證壅水計(jì)算結(jié)果的精確性，最少要設(shè)置4個(gè)斷面。具體布置方式如下：在跨河橋梁工程的下游、上游“足夠遠(yuǎn)”的位置處，布設(shè)2個(gè)斷面，標(biāo)記①和④，在這2個(gè)斷面處，要求水流不會(huì)受到橋墩壅水的影響，斷面水流平穩(wěn)。然后在跨河橋梁工程的下游、上游“比較近”的位置處(如路堤的堤趾處)，對(duì)稱布置2個(gè)斷面，標(biāo)記為②和③，用來(lái)反映鄰近橋止上、下游的斷面情況(天然地面線)。計(jì)算斷面根據(jù)防洪評(píng)價(jià)要求及河道變化情況布設(shè)，各河段間盡量控制落差變化不大，在有橋梁、水壩、閘門等阻水建筑物處增設(shè)斷面，上述4個(gè)斷面的布置如圖1所示。

圖1 HEC-RAS橋梁計(jì)算中斷面位置示意圖

在開展實(shí)地勘測(cè)的基礎(chǔ)上，以橋梁所在位置為基準(zhǔn)，選取長(zhǎng)度為588m的河段，進(jìn)行斷面設(shè)置和壅水計(jì)算。柿子塘1#大橋的計(jì)算斷面采用2021年6月實(shí)際測(cè)量斷面，共布設(shè)10個(gè)斷面(橋位介于5#～7#斷面之間)，河道地形如圖2所示。

圖2 橋位處銀江河地形及斷面位置示意圖

3.3 HEC-RAS模型的參數(shù)設(shè)置

利用HEC-RAS模型進(jìn)行壅水計(jì)算時(shí)，必須考慮因?yàn)闃蚨折账畮?lái)的能量損失。除了斷面水深、流速等因素外，糙率和斷面收縮或擴(kuò)張系數(shù)也是影響能量損失的2項(xiàng)重要因素。在參數(shù)設(shè)置中，糙率可通過(guò)斷面測(cè)量數(shù)據(jù)、洪水水面線等求得，斷面收縮或擴(kuò)張系數(shù)C值可根據(jù)表1提供的取值標(biāo)準(zhǔn)加以選擇。在本工程中，根據(jù)實(shí)地測(cè)量成果并結(jié)合相關(guān)規(guī)范，橋梁所在河段糙率取值范圍為0.035～0.042之間，計(jì)算時(shí)以0.01m作為“尖滅”條件推求壅水長(zhǎng)度。

表1 斷面擴(kuò)張或收縮系數(shù)C值

3.4 模型計(jì)算結(jié)果

3.4.1各斷面設(shè)計(jì)洪水

根據(jù)水文分析成果，在銀江河干流上設(shè)置新城水文站，實(shí)測(cè)洪峰流量。依照流域洪水特性，按面積暴雨修正法，即流域面積比的2/3次方和流域平均最大1日降水量比把新城水文站洪峰流量修正移置到橋梁控制斷面，推算出不同頻率下的設(shè)計(jì)洪水，成果見表2。

表2 橋梁設(shè)計(jì)洪水成果表

3.4.2起推斷面水位

橋梁涉及河段水面線起推斷面為10#斷面，根據(jù)水文分析計(jì)算，起推斷面水位流量關(guān)系成果見表3。

表3 起推斷面流量水位關(guān)系

3.4.3橋墩壅水計(jì)算

在HEC-RAS模型中，分別輸入該橋梁工程的地形、水文等邊界約束條件，然后選擇“恒定流”計(jì)算模式，求得該工程建橋前后所在河段的水面線。對(duì)于本橋梁工程，分別選擇橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)100a一遇(1%)和河道防洪標(biāo)準(zhǔn)10a一遇(10%)2種頻率進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算成果見表4。

表4 建橋前后河段水面線變化情況 單位：m

從表4中可知，該橋梁工程建成后，左幅、右幅5#橋墩100a一遇洪水位最大壅高為0.06、0.05m，壅水長(zhǎng)度為242m；10a一遇洪水位最大壅高為0.02、0.01m，壅水長(zhǎng)度為142m。

在HEC-RAS得到的橫斷面三維透視圖如圖3所示。

3.5 橋墩壅水影響分析

由于橋梁工程的部分橋墩布設(shè)在河道內(nèi)，占用河道行洪斷面，降低河道泄洪能力，致使橋墩會(huì)形成一定的阻水，洪水位較建橋前有壅高。如果壅高較大，會(huì)導(dǎo)致河道發(fā)生洪水時(shí)，水流減緩，水位升高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致洪水溢出河道，淹沒河道兩側(cè)的農(nóng)田、村莊。通過(guò)對(duì)本橋梁工程的壅水計(jì)算，橋梁建成后，當(dāng)發(fā)生100a一遇、10a一遇洪水時(shí)，左幅5#橋墩最大壅高為0.06、0.02m，壅高后洪水位為1524.57和1523.16m；右幅5#橋墩最大壅高為0.05、0.01m，壅高后洪水位為1524.55和1523.12m。而根據(jù)設(shè)計(jì)資料，橋梁梁底板最低高程為1531.17m，高于相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)洪水位6.6～8.05m之間。根據(jù)JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，在不通航或無(wú)流放木筏河流上及通航河流的補(bǔ)通航橋孔內(nèi)，橋下凈空不應(yīng)小于相關(guān)規(guī)定：銀江河屬于非通航河道，洪水期有大漂流物，橋梁梁底高程應(yīng)至少高出設(shè)計(jì)洪水位1.5m。

圖3 柿子塘1#大橋橫斷面三維透視圖

根據(jù)前述分析結(jié)論，說(shuō)明銀江河發(fā)生100a一遇或10a一遇洪水行洪時(shí)，橋梁的梁體結(jié)構(gòu)設(shè)置滿足規(guī)范凈空高度要求，對(duì)橋梁自身的安全運(yùn)行影響較小。同時(shí)橋梁建成后，壅水高度及長(zhǎng)度均較小，對(duì)河道行洪安全產(chǎn)生的影響也較小。

3.6 橋墩壅水計(jì)算中常見問(wèn)題的處理

在使用HEC-RAS模型計(jì)算水面線時(shí)，可能會(huì)因?yàn)閿嗝鏀?shù)量太少、河流水深不夠等因素的影響，導(dǎo)致壅水計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性不足，分析結(jié)果的可借鑒價(jià)值也會(huì)受到干擾。因此，在應(yīng)用HEC-RAS模型時(shí)，對(duì)于常見的一些問(wèn)題也要采取針對(duì)性的解決方法予以處理。以堰流流量系數(shù)選擇不合理為例，堰流類型可根據(jù)堰壁厚度(M)與堰上水頭(H)比值的大小，分成3種類型。例如M/H≤0.7的，為薄壁堰流;M/H>10的，為明渠流；居于兩者之間的，為寬頂堰流。堰流流量系數(shù)選擇不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)下游水位高于上游水位的情況，對(duì)壅水影響分析產(chǎn)生干擾。為避免此類問(wèn)題，可以使用曲線形溢洪道輸入設(shè)計(jì)堰上水頭以及堰高反算堰流系數(shù)的方式，計(jì)算出合適的堰流流量系數(shù)。除此之外，像河道水流流態(tài)、河道水深等因素，也是在使用HEC-RAS模型計(jì)算壅水時(shí)要注意的影響因素。

4 結(jié)語(yǔ)

文章結(jié)合工程實(shí)例驗(yàn)證了HEC-RAS模型在橋段壅水計(jì)算中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，經(jīng)驗(yàn)表明在科學(xué)設(shè)置斷面、合理選擇參數(shù)的基礎(chǔ)上，可以較為精確地得出各斷面在不同防洪標(biāo)準(zhǔn)下的水位變化情況，提高了影響分析的參考價(jià)值。由于受到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、作業(yè)條件的影響，分析中沒有考慮水流流態(tài)、堰流流量系數(shù)等因素對(duì)壅水計(jì)算的影響。在今后使用HEC-RAS模型進(jìn)行壅水計(jì)算與分析時(shí)，還應(yīng)綜合考慮水深、水流流態(tài)等因素，進(jìn)一步提高壅水計(jì)算結(jié)果和影響分析的可信度，為跨河橋梁工程的設(shè)計(jì)提供參考。