基于HEC-RAS的橋梁防洪壅水計(jì)算分析

衛(wèi)忠平，毛丹清

（1.杭州水立科技有限公司,浙江 杭州 310000；2.杭州錢(qián)江開(kāi)發(fā)區(qū)投資發(fā)展有限公司,浙江 杭州 310000）

修建跨河橋梁會(huì)占用行洪通道,雍高相關(guān)河段水位,對(duì)河道防洪、通航,相關(guān)河段內(nèi)的涉河建筑物及河湖管控產(chǎn)生一定影響。為保證河道的行洪以及兩岸堤防和橋梁本身的安全運(yùn)行,需要開(kāi)展跨河橋梁防洪影響評(píng)價(jià)[1],以作為水行政主管部門(mén)審批的重要依據(jù)[2-3]。

跨河橋梁的防洪影響包括壅水分析、阻水分析及沖刷分析等幾部分,壅水分析通常采用經(jīng)驗(yàn)公式法,數(shù)值模擬或物理模型試驗(yàn)法[4]。HEC-RAS軟件操作簡(jiǎn)單,計(jì)算效率高,模型物理意義明確,適合于分析計(jì)算橋梁建成前后的壅水高度和影響范圍。

本文著重探討基于HEC-RAS構(gòu)建橋梁壅水計(jì)算模型的方法,包括斷面布設(shè)、河道及橋梁模型概化、邊界條件選取等,以杭州市下洋河橋建設(shè)工程為研究對(duì)象開(kāi)展實(shí)例研究。

1 HEC-RAS模型基本原理

HEC-RAS是美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)開(kāi)發(fā)研究的水面線(xiàn)計(jì)算軟件,適用于河道一維水利計(jì)算,能夠開(kāi)展各種涉水建筑物水面線(xiàn)計(jì)算,同時(shí)可以生成流量水位關(guān)系曲線(xiàn)、橫斷面圖、河道復(fù)式三維斷面圖等。

壅水模擬計(jì)算分析以明渠的圣維南方程為理論基礎(chǔ),基于垂向積分的物質(zhì)和動(dòng)量守恒方程,主要的控制方程如下。

（1）明渠水流控制方程

按照圣維南方程描述明渠水流一維運(yùn)動(dòng)方程,即連續(xù)性方程和動(dòng)力方程：

式中：BT為當(dāng)量寬度,m；q為旁側(cè)入河流量,m3/s；Z為水位高程,m；A為過(guò)水?dāng)嗝娣e,m2；K為流量模數(shù)；Q為流量,m3/s。

（2）節(jié)點(diǎn)控制方程

對(duì)于河道連接節(jié)點(diǎn),要求滿(mǎn)足流量和動(dòng)力兩方面銜接條件。

①流量銜接條件

流量節(jié)點(diǎn)需滿(mǎn)足水量平衡條件,即進(jìn)入節(jié)點(diǎn)的流量等于節(jié)點(diǎn)蓄變量：

對(duì)于節(jié)點(diǎn)的調(diào)蓄變化,按照下式控制：

式中：St為t時(shí)刻過(guò)水?dāng)嗝婷娣e,m；H為節(jié)點(diǎn)處水位高,m；∑Qt為流量和,m3/s。

節(jié)點(diǎn)差分方程為：

對(duì)于無(wú)調(diào)蓄能力的節(jié)點(diǎn)有：

②動(dòng)力銜接條件

節(jié)點(diǎn)連接河道其水位和流量需符合動(dòng)力銜接條件,滿(mǎn)足伯努利方程。若無(wú)調(diào)蓄作用,動(dòng)力銜接條件可簡(jiǎn)化為:

式中：Hi為河道水位,m；Hn為節(jié)點(diǎn)水位,m。

節(jié)點(diǎn)處過(guò)水?dāng)嗝嫱蛔?存在閘或堰,其動(dòng)力銜接條件為：

式中：存在閘、堰時(shí),e≠0；節(jié)點(diǎn)過(guò)水?dāng)嗝嫱蛔儠r(shí),e=0。

整個(gè)水系由若干河段和節(jié)點(diǎn)組成,水量控制方程由河道控制方程和節(jié)點(diǎn)動(dòng)力銜接條件、初始和邊界條件聯(lián)立所得微分方程。求解水量微分方程即可就出各斷面和節(jié)點(diǎn)處流量、水位等要素。

（3）模型求解

模型將河道從支流到干流,從下游到上游依次分解為單一河道求解。HEC-RAS模型采用Abbott差分法離散圣維南方程,應(yīng)用“追趕法”求解方程。按照順序交替求解不同時(shí)水位和流量值。由于Abbott差分法是無(wú)條件穩(wěn)定法,可以選用較大的時(shí)間步長(zhǎng),以節(jié)省計(jì)算時(shí)間。

（4）參數(shù)率定

河道斷面形狀、河床形態(tài)和比降、各種涉河建筑均會(huì)對(duì)流域洪水產(chǎn)生影響,因此河道概化成果和參數(shù)會(huì)影響洪水演進(jìn)計(jì)算成果。根據(jù)各河段河床及護(hù)岸的現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況,參考《水力計(jì)算手冊(cè)》中的河道糙率取值,初步確定河道糙率為0.025～0.04。

2 實(shí)例研究

2.1 工程概況

橋梁跨越澄清排澇港（下洋河）,主流長(zhǎng)度4 km,河寬20 m～110 m。下洋河橋全長(zhǎng)51.54 m,跨徑布置3×16 m,橋梁寬20 m（3.0 m人行道+14.0 m車(chē)行道+3.0 m人行道）,上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力空心板,下部采用薄壁式橋臺(tái),樁柱式橋墩。

為分析工程施工及完建后對(duì)河道水位的影響,壅水計(jì)算設(shè)置以下幾個(gè)工況進(jìn)行分析：

（1）現(xiàn)狀工況：為橋梁未施工的原狀工況。

（2）施工工況：為橋梁橋臺(tái)、橋墩同時(shí)施工,河道內(nèi)設(shè)置臨時(shí)圍堰（半幅縱向圍堰）,為最不利工況。

（3）完建期（近期）工況：橋梁已施工完畢且河道恢復(fù)原狀,圩區(qū)排澇仍使用老澄清機(jī)埠。

2.2 水系概化

為方便求解數(shù)值模型,確定計(jì)算方法,需對(duì)河流水系進(jìn)行概化。要求概化后河流在調(diào)蓄輸水能力和水面率方面保持相近。調(diào)蓄能力取決于運(yùn)行期水位,輸水能力受河道縱橫斷面形態(tài)、襯砌型式、交叉建筑物結(jié)構(gòu)和數(shù)量、河床淤積、進(jìn)出后水位差影響。

依據(jù)河流概化的基本原則,對(duì)下洋河澄清機(jī)埠至G104國(guó)道之間約1.4 km河道進(jìn)行概化處理,布置9個(gè)計(jì)算斷面。概化成果見(jiàn)圖1～圖2。

圖1 基于HEC-RAS的現(xiàn)狀河道概化圖

圖2 基于HEC-RAS的橋梁完建河道概化圖

2.3 邊界條件

（1）入口邊界條件

入口邊界為圩區(qū)內(nèi)最高澇水位,現(xiàn)狀10年一遇暴雨24 h排除不受淹標(biāo)準(zhǔn)下的圩區(qū)最高澇水位為2.57 m,規(guī)劃20年一遇暴雨24 h排除不受淹標(biāo)準(zhǔn)下的圩區(qū)最高澇水位為2.77 m。

（2）出口邊界條件

出口邊界條件為泵站排澇流量,現(xiàn)狀工況、施工工況、完建期（近期）工況按現(xiàn)有澄清機(jī)埠5.42 m3/s最大排澇流量計(jì)算,完建期（遠(yuǎn)期）工況按新澄清閘站8.88 m3/s最大排澇流量計(jì)算。

2.4 壅水計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)狀及規(guī)劃排澇標(biāo)準(zhǔn),對(duì)現(xiàn)狀、施工（最不利工況）、完建三種工況進(jìn)行計(jì)算分析,獲取下洋河橋梁處上下游壅水高度,評(píng)估該工程對(duì)相關(guān)河道行洪能力的影響。

（1）現(xiàn)狀工況

現(xiàn)狀工況的計(jì)算主要是為了獲取機(jī)埠排澇時(shí)即將建橋處的河道水位,在HEC-RAS軟件平臺(tái)的概化河道中,控制河段總長(zhǎng)度1.4 km,樁號(hào)0+000定義為上游進(jìn)口斷面,樁號(hào)1+400定義為下游出口斷面,樁號(hào)1+250處即為橋梁建設(shè)點(diǎn)。

根據(jù)軟件計(jì)算成果,澄清排澇港在開(kāi)啟澄清機(jī)埠5.42 m3/s的排水能力時(shí),樁號(hào)1+250處河道水位為2.56 m,計(jì)算成果見(jiàn)表1。

表1 現(xiàn)狀工況河道水位計(jì)算成果表

（2）橋梁施工工況壅水計(jì)算

本工況考慮橋梁?jiǎn)蝹?cè)橋臺(tái)+橋墩同時(shí)施工,即河道內(nèi)設(shè)置半幅縱向臨時(shí)圍堰,0#橋臺(tái)和1#橋墩施工時(shí)在河道內(nèi)設(shè)置一道縱向圍堰,待施工結(jié)束拆除圍堰后再進(jìn)行2#橋墩和3#橋臺(tái)施工,設(shè)置一道縱向圍堰,臨時(shí)圍堰與對(duì)岸之間確保寬20 m及以上的導(dǎo)流渠道供機(jī)埠排澇用,該工況橋梁處的過(guò)水?dāng)嗝孀钚?為最不利工況；

根據(jù)模型計(jì)算成果,下洋河在開(kāi)啟澄清機(jī)埠5.42 m3/s的排水能力時(shí),樁號(hào)1+250 處（臨時(shí)圍堰）上游河道水位為2.57 m,下游河道水位為2.56 m,計(jì)算成果見(jiàn)表2。

表2 施工工況河道水位計(jì)算成果表

（3）完建期工況

本工況采用橋梁已施工完畢,且橋梁施工范圍內(nèi)的河道已按原狀進(jìn)行恢復(fù),橋臺(tái)兩側(cè)采用擋墻與現(xiàn)有河岸順接。根據(jù)模型計(jì)算成果,澄清排澇港在開(kāi)啟澄清機(jī)埠5.42 m3/s的排水能力時(shí),樁號(hào)1+250橋梁處上游河道水位為2.56 m,下游河道水位為2.56 m,計(jì)算成果見(jiàn)表3。

表3 完建（近期）工況河道水位計(jì)算成果表

2.5 壅水分析

通過(guò)對(duì)新建橋梁處河道施工及完建工況下的水位線(xiàn)與現(xiàn)狀水位線(xiàn)計(jì)算成果對(duì)比分析,在圩區(qū)最高澇水位及機(jī)埠開(kāi)啟最大排澇能力下,橋梁施工設(shè)置圍堰時(shí),橋梁圍堰處上游河道水位比現(xiàn)狀壅高了1 cm,圍堰下游河道水位與現(xiàn)狀一致,澄清機(jī)埠處河道水位2.56 m,比最高澇水位低2 cm,主要原因是設(shè)置圍堰后河道過(guò)水?dāng)嗝鏈p少,過(guò)水流量隨之減少,澄清機(jī)埠開(kāi)啟水泵后,引起圍堰至機(jī)埠段河道水位的降低,在圍堰處出現(xiàn)1 cm的坡降水位。

橋梁施工完成后,橋梁處河道按現(xiàn)狀恢復(fù),橋梁上游側(cè)河道水位2.56 m,與現(xiàn)狀工況是的水位保持一致,靠近澄清機(jī)埠處河道水位2.56 m,比最高澇水位低1 cm,主要原因是該段河道靠近機(jī)埠,機(jī)埠開(kāi)啟水泵排澇后引起的正常水位坡降,影響長(zhǎng)度約200 m。

綜上所述,在開(kāi)啟水泵最大排澇能力情況下,施工期臨時(shí)圍堰處壅水1 cm,完建期（近期、遠(yuǎn)期）橋梁處均無(wú)壅水產(chǎn)生,滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3 結(jié)語(yǔ)

HEC-RAS模型常用于計(jì)算各類(lèi)型涉河建筑物建設(shè)前后的河道水面線(xiàn),從而分析壅水高度和影響河長(zhǎng)。模型的構(gòu)建需要根據(jù)所在河段及涉河建筑物的特性,選取適宜的邊界條件、糙率和求解方法。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),HEC-RAS模型在分析河道涉水工程阻水壅水影響時(shí),簡(jiǎn)便實(shí)用,結(jié)果可靠。下洋河橋計(jì)算結(jié)果表明,橋梁建設(shè)不會(huì)產(chǎn)生顯著的壅水影響,對(duì)河道行洪無(wú)顯著阻水,分析成果為涉河審批提供了可靠依據(jù)。