HEC-RAS軟件在橋梁壅水計(jì)算中的應(yīng)用

李利娟陳 懷

（1.郴州市水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 郴州 423000；2.長(zhǎng)沙博鴻水資源管理有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

0 引言

為了掌握新建橋梁工程對(duì)水位壅高的影響及范圍，據(jù)《河道管理?xiàng)l例》及《河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目管理的有關(guān)規(guī)定》等有關(guān)法律法規(guī)要求，對(duì)占用河道斷面的新建橋梁應(yīng)進(jìn)行壅水計(jì)算。橋梁等阻水建筑物的壅水計(jì)算除經(jīng)驗(yàn)公式外，也可通過HEC-RAS軟件采用能量守恒方程、動(dòng)量守恒法及美國(guó)的WSPRO等方法計(jì)算。本文從HEC-RAS軟件計(jì)算原理出發(fā)，對(duì)其在橋梁壅水計(jì)算中的應(yīng)用進(jìn)行論述。

1 HEC-RAS軟件計(jì)算原理

HEC-RAS是美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)水文工程中心開發(fā)的水力計(jì)算軟件包，適用于穩(wěn)定和非穩(wěn)定流的水力計(jì)算，功能強(qiáng)大，可進(jìn)行各種涉水建筑物（如堰、橋梁、防洪堤、涵洞、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)圖及復(fù)式河道三維斷面圖、水位過程曲線等各種分析圖表，使用起來十分方便簡(jiǎn)捷。HEC-RAS基本方程根據(jù)能量守恒定律推導(dǎo)，即：

式中：Z2、Z1——上、下斷面河底高程；

Y2、Y1——上、下斷面水深；

V2、V1——上、下斷面流速；

α2、α1——?jiǎng)幽苄Ｕ禂?shù)；

g——重力加速度；

he——阻水造成的水頭損失。

阻水造成的水頭損失he包括局部損失與摩阻損失兩部分，由下列公式計(jì)算：

式中：L——加權(quán)長(zhǎng)度；

C——收縮、擴(kuò)張系數(shù)。

流量加權(quán)長(zhǎng)度L采用下列公式計(jì)算∶

式中：Llob,Qlob——為南岸灘地距離與流量；

Lch,Qch——為主河道距離與流量；

Lrob,Qrob——為北岸灘地距離與流量。

摩阻坡度Sf計(jì)算公式：

HEC-RAS把橋梁在河道中的能量損失分為三部分，分別為橋上游收縮段的能量損失、橋墩本身造成的能量損失和下游擴(kuò)散段的能量損失[1-2]。因此，在計(jì)算橋梁的壅水時(shí)，HEC-RAS軟件中需要4個(gè)斷面才能建立一個(gè)完整橋梁模型，如圖1所示。各斷面位置布設(shè)原則為：（1）1號(hào)斷面布設(shè)在橋下游擴(kuò)散消失的地方，保證水流不受橋的影響；（2）2號(hào)斷面布設(shè)在橋下游，一般布設(shè)在接近橋梁邊緣的地方，主要用來反映橋下游斷面的擴(kuò)散情況；（3）3號(hào)斷面和2號(hào)斷面類似，布設(shè)在橋的上游，主要反映鄰近橋上游的斷面收縮情況；（4）4號(hào)斷面布設(shè)在橋上游不受橋梁收縮影響處，保證該斷面水流基本平穩(wěn)。

圖1 橋梁斷面布設(shè)圖

2 實(shí)例計(jì)算

2.1 工程概況

嘉禾縣老麻地大橋布置在湘江一級(jí)支流舂陵水處。橋梁全長(zhǎng)207.08m，寬9.0m，為簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，橋墩采用雙柱式橋墩，D150cm鉆孔灌注樁，橋梁與舂陵江正交。老麻地大橋工程自身按100年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行防洪評(píng)價(jià)，對(duì)受其影響河段按50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行防洪評(píng)價(jià)。橋梁處100年一遇（P=1.0%）洪峰流量為2510m3/s，50年一遇（P=2.0%）洪峰流量為2220m3/s。

2.2 基本資料

老麻地大橋處河段基本順直，河底高程隨著水流方向變化平緩，一般采用洪峰值來計(jì)算橋梁阻水。2016年對(duì)老麻地大橋進(jìn)行了實(shí)地勘測(cè)，在700m長(zhǎng)段共設(shè)置11個(gè)斷面，3號(hào)斷面為橋址斷面。老麻地大橋河段比降為1.2‰，估算壅水范圍為300.0m，因此所取上邊界條件：11號(hào)斷面為上游邊界，距離橋址斷面上游約480m，且此處河道順直且不受橋墩壅水影響；下邊界條件：邊界選取距橋址斷面下游約220.0m處的1號(hào)斷面[3]。

2.3 計(jì)算結(jié)果

輸入各斷面及橋梁測(cè)量參數(shù)、流量及起始水位等邊界條件后，用恒定流計(jì)算分別計(jì)算建橋前后的水面線，計(jì)算結(jié)果見表1。

從表1可知，50年一遇洪水時(shí)，最大壅高值為0.11m，100年一遇洪水的最大壅高為0.15m。8號(hào)斷面為50年一遇的水面線的尖滅點(diǎn)，壅水長(zhǎng)度為270m；9號(hào)斷面為100年一遇的水面線的尖滅點(diǎn)，壅水長(zhǎng)度320.0m。

表1 建橋前后水面線計(jì)算結(jié)果

3 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算壅高及壅水范圍

3.1 壅高計(jì)算方法（經(jīng)驗(yàn)公式）

根據(jù)老麻地大橋工程的設(shè)計(jì)方案，計(jì)算設(shè)計(jì)洪水位下橋梁阻水面積和阻水總寬。根據(jù)河道斷面形狀，結(jié)合橋址河段上下游地形，確定設(shè)計(jì)洪水位下實(shí)際過水面積及水面寬，得到建橋后過水面積和水面寬。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 老麻地大橋工程阻水要素統(tǒng)計(jì)表

阻水建筑物水位壅高的計(jì)算公式中，下列三個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式在湖南省應(yīng)用較廣泛，比較符合湖南省河道水流特征。該工程采用這三個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算老麻地大橋的阻水影響。

（1）公式一（道布松公式）

式中：α——?jiǎng)幽苄Ｕ禂?shù)，取α=1.1；

ε——收縮系數(shù)，一般取0.85—0.95(本次取0.95)；

B——天然水面寬；

V——工程前斷面流速；

h——工程前斷面水深；

Δh——最大壅水高度；

∑b——工程后過水?dāng)嗝婵倢?，一般為河寬減去橋墩總寬；

Δz——壅高值。采用試算法計(jì)算。

（2）公式二（道布松公式）

式中：Q——流量；

ζ——系數(shù)，當(dāng)水流紊動(dòng)作用較大時(shí)取ζ=0.10，否則取ζ=0.05(本次取0.10)。

其余符號(hào)與公式（6）意義相同。

（3）公式三（《鐵路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》中公式）

式中：η——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，本次取0.05；

根據(jù)上述經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)老麻地大橋各設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行阻水壅高計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 老麻地大橋壅水計(jì)算結(jié)果

3.2 壅長(zhǎng)計(jì)算方法（經(jīng)驗(yàn)公式）

橋梁建成后，使上下游河段水流流態(tài)發(fā)生了變化，其壅水范圍由橋梁的阻水率決定，根據(jù)前述計(jì)算橋梁阻水壅高值，用經(jīng)驗(yàn)公式推求壅水長(zhǎng)度。壅水長(zhǎng)度計(jì)算采用公式：

式中：L——橋前壅水范圍；

ΔZ——橋前最大壅水高度；

S——天然水面比降，采用洪調(diào)比降與嘉禾水文站實(shí)測(cè)比降綜合確定。因此根據(jù)公式計(jì)算，100年一遇的壅水長(zhǎng)度為285.0m，50年一遇的壅水長(zhǎng)度為220.0m。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過HEC-RAS軟件計(jì)算了郴州市嘉禾縣老麻地大橋壅水高度及長(zhǎng)度，并把計(jì)算結(jié)果與相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行對(duì)比，得出以下結(jié)論：

（1）在相同洪峰流量、水位等水文條件下，HEC—RAS計(jì)算得到的最大壅高與經(jīng)驗(yàn)公式平均值相比：在50年一遇洪峰時(shí)，壅高相差0.02m；在100年一遇洪峰時(shí)，壅高相差0.02m；因此壅高計(jì)算結(jié)果相差不大。在頻率2.0%時(shí)，壅水長(zhǎng)度相差50.0m；在頻率1.0%時(shí)，壅水長(zhǎng)度相差35.0m；兩種頻率下，壅水長(zhǎng)度相差都較大。

（2）HEC-RAS軟件通過由下而上推算橋址處水位，因此對(duì)斷面資料要求高，同時(shí)應(yīng)盡可能地多布設(shè)斷面，提高計(jì)算結(jié)果的精確度。而規(guī)范公式中的水位由橋址處的水位流量關(guān)系曲線再加橋墩的阻水要素推算得出。這兩種方法得出的最大壅高值不一定相同，但是相差不大。然而，壅水范圍在經(jīng)驗(yàn)公式和HEC-RAS軟件中計(jì)算結(jié)果相差較大，因此需要根據(jù)實(shí)際情況加以運(yùn)用[4]。

（3）通過使用發(fā)現(xiàn)，HEC-RAS軟件在橋梁阻水計(jì)算中運(yùn)用簡(jiǎn)便、效率高，且壅高計(jì)算結(jié)果與其他經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果相差不大，因此HEC-RAS軟件可以廣泛應(yīng)用到橋梁壅水計(jì)算中。