基于HEC-RAS的過水橋涵壅水分析研究

陳至立,張 贊,安占剛,曹綺欣,薛樹紅,3,葛 杰 ,馮家豪

(1. 中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065;2. 黃河水利水電開發(fā)集團(tuán)有限公司,河南 濟(jì)源 459017;3.洪澇災(zāi)害應(yīng)急智慧決策創(chuàng)新工作室,西安 710065)

0 前 言

近年來,極端天氣增多,暴雨洪水的災(zāi)害性和突發(fā)性驟增,社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展和人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全對(duì)河道防洪的要求越來越高,中國(guó)水環(huán)境治理和河道整治項(xiàng)目的建設(shè)也與日俱增[1-2]。水面線計(jì)算是河道整治項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的重要依據(jù),計(jì)算結(jié)果的精度關(guān)乎著河道防洪安全。已有的阻水建筑物(橋、涵、堰等)降低了河道行洪能力,造成了水位壅高,對(duì)河道防洪安全、河勢(shì)穩(wěn)定等方面產(chǎn)生了重要影響[3]。

橋梁壅水對(duì)河道防洪的影響一直以來是熱點(diǎn)關(guān)注問題。如何家偉[4]以云南柿子塘1號(hào)橋?yàn)橐劳?基于HEC-RAS模型研究了橋墩壅水對(duì)河道防洪的影響,結(jié)果表明HEC-RAS模型在橋墩壅水計(jì)算中具有一定的優(yōu)勢(shì)。張永華等[5]采用經(jīng)驗(yàn)公式法和水流數(shù)學(xué)模型法兩種方法,計(jì)算分析呼口大橋壅水高度,取得了較好的結(jié)果,為項(xiàng)目決策提供了科學(xué)依據(jù)。蔣衛(wèi)威等[6]以山區(qū)河流梅溪的跨河橋梁為例,構(gòu)建了橋梁的三維模型,分析了FLOW3D模擬值與經(jīng)驗(yàn)公式的壅水計(jì)算值,為橋梁壅水計(jì)算提供了重要參考。燕琴等[7-13]基于HEC-RAS恒定流模型對(duì)上猶江特大橋建設(shè)時(shí)期和建設(shè)完成后進(jìn)行壅水計(jì)算分析,計(jì)算結(jié)果符合工程應(yīng)用實(shí)際,且該方法簡(jiǎn)單高效,可在橋梁壅水分析方面推廣。眾多學(xué)者對(duì)橋梁壅水的研究大部分為常規(guī)的梁橋形式或不過水橋,對(duì)過水橋涵的壅水研究鮮有,洪水來臨時(shí),水位淹沒橋涵頂部,對(duì)河道管理及周邊人民生命財(cái)產(chǎn)安全有著至關(guān)重要的影響,于此,本文基于HEC-RAS模型對(duì)過水橋涵的壅水進(jìn)行分析探討。

在河道水面線壅水計(jì)算中,對(duì)于有橋墩的板式橋梁,可采用TB 10017-2021《鐵路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的橋前壅水公式進(jìn)行計(jì)算,該公式考慮了橋前流速和斷面平均流速對(duì)壅水的影響,簡(jiǎn)單方便,適合于橋墩等形式簡(jiǎn)單的橋梁。而過水橋涵壅水首先需考慮涵洞是否為有壓力/無壓流,以及進(jìn)、出口局部水頭損失、隧洞流量系數(shù)等參數(shù),其次涵洞以上部分需要按照堰流公式進(jìn)行分析計(jì)算,影響因素復(fù)雜,TB 10017-2021《鐵路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的橋前壅水公式不適合。因此,當(dāng)阻水建筑物為過水橋涵時(shí),其方法一需根據(jù)流量大小,將通過建筑物的流量分為兩部分進(jìn)行試算,一部分為涵洞過流計(jì)算,超過涵洞過流能力的部分按橋面堰流計(jì)算,兩者聯(lián)合試算,最終確定過水橋涵的壅水高度。另外可采用HEC-RAS、MIKE11、MIKE21模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

本文基于HEC-RAS模型和涵洞及堰流聯(lián)合試算方法,以陜西省榆林市靖邊縣馬營(yíng)溝流域?yàn)槔?研究過水橋涵的壅水水位高程,為過水建筑物壅水計(jì)算分析提供計(jì)算依據(jù)。

1 經(jīng)驗(yàn)公式與模型簡(jiǎn)介

1.1 經(jīng)驗(yàn)公式簡(jiǎn)介

當(dāng)河道阻水建筑物為板橋或者梁橋形式時(shí),可采用我國(guó)TB 10017-2021《鐵路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的橋前壅水計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式分析,該公式對(duì)能量守恒方程進(jìn)行了簡(jiǎn)化[8],表達(dá)式如下:

(1)

當(dāng)阻水建筑物為過水橋涵時(shí),涵洞一般為有壓流,泄流能力由下式計(jì)算:

(2)

公式(2)中的流量系數(shù)μ,由下式計(jì)算:

(3)

式中:ω為涵洞出口斷面面積,m2;ζi為涵洞第i段上的局部能量損失系數(shù),與之相應(yīng)的流速所在的斷面面積為ωi(上式根號(hào)內(nèi)第二項(xiàng)中的ωi);li為涵洞第i段的長(zhǎng)度,m;與之相應(yīng)的斷面面積、水力半徑和謝才系數(shù)分別為 (上式根號(hào)內(nèi)第二項(xiàng)中的ωi)、Ri、Ci。

橋面以上部分過水,按堰流流量公式計(jì)算:

(4)

過橋總流量:

集成學(xué)習(xí)（Ensemble Learning）是一種重要的數(shù)據(jù)挖掘方法，主要利用多個(gè)學(xué)習(xí)器的集成來解決問題，能夠顯著提高學(xué)習(xí)系統(tǒng)的泛化能力[4]。Elder在文獻(xiàn)[5]中研究表明分類器集成技術(shù)優(yōu)于簡(jiǎn)單的平均法和單一模型，且在近年來多屆KDD和CIKM Cup中取得優(yōu)秀成績(jī)。集成學(xué)習(xí)也被認(rèn)為是未來機(jī)器學(xué)習(xí)的重要研究方向之一，是提高學(xué)習(xí)精度的重要手段[6]。

Q總=Q1+Q2

(5)

阻水建筑物為過水橋涵,且過水流量大于涵洞過流能力時(shí),需運(yùn)用式(2)～(5)聯(lián)合試算。先假定橋上水位,再根據(jù)涵洞尺寸等相關(guān)參數(shù)試算涵洞的過流流量,同時(shí)根據(jù)橋面(堰)的尺寸試算堰流過流量,當(dāng)堰的過流量和涵洞過流量之和等于該斷面的設(shè)計(jì)流量時(shí),所假定的橋上水位即為所求的壅水位高程。

1.2 HEC-RAS模型

HEC-RAS是由美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)水文工程中心開發(fā)的軟件。適用于河道治理項(xiàng)目中的一維水動(dòng)力計(jì)算,可進(jìn)行橋梁、涵洞、閘門等涉水建筑物的水面線分析計(jì)算。HEC-RAS軟件模擬河道斷面及涉水建筑物,有能量守恒方程、動(dòng)量平衡等方法。能量守恒方程如下:

(6)

式中:α1,α2為流速權(quán)重系數(shù);Z1,Z2為上下游斷面河床底高,m;Y1,Y2為斷面水深,m;V1,V2為斷面平均流速,m/s;he為能量水頭損失。

HEC-RAS軟件把橋/涵在河道中的能量損失主要分為以下三部分:第一部分是橋/涵上游段的能量損失、第二部分是橋/涵自身的能量損失、第三部分是橋/涵下游段的能量損失[9-10]。因此,模擬橋/涵壅水時(shí),需要在軟件中設(shè)置4個(gè)斷面,方能建成一個(gè)完整的橋/涵模型,HEC-RAS橋/涵模擬斷面布置如圖1所示。各斷面布置原則為:1號(hào)斷面布置在橋/涵下游較遠(yuǎn)處,保證水流情況不受橋/涵影響;2號(hào)斷面在橋/涵下游較近處,能夠反映橋/涵下游斷面的情況;3號(hào)斷面在橋/涵的上游較近處,主要反映鄰近橋/涵上游的斷面情況;4號(hào)斷面在橋/涵上游較遠(yuǎn)處,保證水流不受橋/涵的影響。

圖1 HEC-RAS橋/涵模擬斷面布置

2 研究實(shí)例

馬營(yíng)溝是陜北無定河支流大理河左岸老莊溝的一級(jí)支流,是大理河的二級(jí)支流,發(fā)源于靖邊縣高家溝便民服務(wù)中心龐家畔村,自北向南流經(jīng)左掛山村、廟界村、陳家砭村,于靖邊縣青陽(yáng)岔鎮(zhèn)陳家砭村匯入老莊溝。河道全長(zhǎng)16.58 km,流域面積65.3 km2。

馬營(yíng)溝流域地形西北高東南低,高程在1 200.00 ～1 400.00 m,上游分水嶺最高點(diǎn)龐家畔村海拔1 440.00 m,溝口處海拔高程1 200.00 m左右。地貌屬黃土丘陵溝壑區(qū),植被稀疏,以沙生植物為主。馬營(yíng)溝流域如圖2所示。

圖2 馬營(yíng)溝流域

河道水面線計(jì)算采用天然河道恒定非均勻流能量守恒方程,按全斷面計(jì)算水面線。馬營(yíng)溝設(shè)計(jì)河段內(nèi)有過水橋涵4座,需考慮其壅水作用對(duì)水面線的影響,橋涵尺寸見表1,橋涵圖片見圖3～4。

表1 馬營(yíng)溝流域橋涵尺寸表

圖3 馬營(yíng)溝1號(hào)橋和2號(hào)橋照片

圖4 馬營(yíng)溝3號(hào)橋和4號(hào)橋照片

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘得知,馬營(yíng)溝為天然河道,河道內(nèi)雜草叢生,參考《水力學(xué)計(jì)算手冊(cè)》(第二版),確定河道糙率為0.034。橋涵為磚橋,涵洞頂部光滑,糙率取0.017,底部取0.034,根據(jù)測(cè)量斷面位置及尺寸,在模型中輸入斷面數(shù)據(jù),并在相應(yīng)位置加入橋涵數(shù)據(jù),橋涵進(jìn)口局部水頭損失系數(shù)取0.05,出口局部水頭損失系數(shù)根據(jù)不同斷面參數(shù)模型自動(dòng)率定,堰流部分堰流系數(shù)取1.4,再根據(jù)涵洞尺寸輸入洞長(zhǎng)、距離上游斷面的間距和堰的高程尺寸等參數(shù),參數(shù)設(shè)置完成并檢查無誤后,模型模擬河段水位,即可得到壅水水面線。

選取馬營(yíng)溝最下游斷面10年一遇的水位～流量關(guān)系曲線控制斷面起推水位。水位～流量關(guān)系曲線見圖5。

圖5 馬營(yíng)溝最下游斷面10年一遇水位～流量關(guān)系曲線

由于1號(hào)橋涵距離2號(hào)橋涵1.6 km,而1號(hào)橋涵壅水長(zhǎng)度影響范圍為834 m,因此1號(hào)橋涵的壅水未影響至2號(hào)橋涵處;2號(hào)橋涵距離3號(hào)橋涵2.7 km,2號(hào)橋涵的壅水長(zhǎng)度影響范圍為289 m,因此2號(hào)橋涵的壅水未影響至3號(hào)橋涵處;3號(hào)橋涵距離4號(hào)橋涵4.3 km,3號(hào)橋涵的壅水長(zhǎng)度影響范圍為312 m,因此3號(hào)橋涵的壅水未影響至4號(hào)橋涵處。

經(jīng)計(jì)算天然河道水面線,馬營(yíng)溝1～4號(hào)橋涵均為過水橋涵。根據(jù)表1中橋涵尺寸,采用涵洞和堰流聯(lián)合試算的方法和HEC-RAS軟件模擬橋涵壅水的方法,分別計(jì)算得到橋涵壅水水位,該壅水水位與不考慮橋涵壅水的天然河道水位之差值,即為橋涵的壅水高度。馬營(yíng)溝1～4號(hào)橋涵10年一遇橋涵壅水成果及對(duì)比見表2和圖6。

表2 馬營(yíng)溝工程段橋涵壅水成果表

圖6 不同方法橋涵壅水高度計(jì)算值對(duì)比

由圖6分析可知, 1號(hào)橋涵采用涵洞+堰流聯(lián)合試算方法和HEC-RAS模型模擬結(jié)果一致,2號(hào)橋涵采用涵洞+堰流聯(lián)合試算方法比HEC-RAS模型模擬結(jié)果高0.02 m,3號(hào)橋涵采用涵洞+堰流聯(lián)合試算方法比HEC-RAS模型模擬結(jié)果低0.01 m,4號(hào)橋涵采用涵洞+堰流聯(lián)合試算方法比HEC-RAS模型模擬結(jié)果低0.01 m。涵洞+堰流聯(lián)合試算方法合理新穎,HEC-RAS模型參數(shù)均與實(shí)際相符,模擬正常,且兩者計(jì)算的過水橋涵壅水的高度相差校小,因此結(jié)果均合理。

3 結(jié) 論

(1) 河道水面線計(jì)算中,當(dāng)跨河橋涵為過水橋涵時(shí),壅水分析采用《鐵路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的橋前壅水計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式時(shí)存在計(jì)算參數(shù)考慮不恰當(dāng)、阻水建筑物邊界條件考慮不周、阻水因素考慮不準(zhǔn)確等問題[11],因此,可采用涵洞和堰流聯(lián)合試算的方法進(jìn)行分析計(jì)算,計(jì)算成果滿足工程精度要求。

(2) 本次研究選取靖邊縣馬營(yíng)溝10年一遇的水位～流量關(guān)系曲線對(duì)HEC-RAS模型的邊界條件進(jìn)行約束,根據(jù)馬營(yíng)溝河道現(xiàn)狀情況,并參考《水力學(xué)計(jì)算手冊(cè)》(第二版),對(duì)河道糙率等參數(shù)進(jìn)行了合理率定。從結(jié)果看,模型的模擬精度較高,仿真度較好[12-13]。

(3) HEC-RAS軟件模擬橋涵壅水,操作運(yùn)用簡(jiǎn)便、仿真效率高。聯(lián)合試算法需要將涵洞和堰流結(jié)合起來分析,根據(jù)流量大小分情況試算。兩種方法在橋涵壅水分析的應(yīng)用上均合理可行。本文兩種方法的提出為工程跨河橋涵壅水分析提供了技術(shù)支撐和參考。