基于HEC-RAS模型的克什米大橋防洪評價中的壅水計(jì)算

葉　培，劉小兵，曾永忠

(西華大學(xué)，四川 成都 610039)

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基于HEC-RAS模型的克什米大橋防洪評價中的壅水計(jì)算

葉培，劉小兵，曾永忠

(西華大學(xué)，四川 成都 610039)

摘要：以克什米大橋的壅水計(jì)算為例，利用HEC-RAS模型基于橋梁壅水計(jì)算的基本原理與方法模擬了100 a一遇以及10 a一遇設(shè)計(jì)洪水頻率下建橋前后的河道水面線，進(jìn)而求得橋梁阻水壅高值、過流面積及水流流速。通過對HEC-RAS模擬結(jié)果與Yarnell經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)水位壅高值相差不大。因此，HEC-RAS模型對于橋梁阻水壅高的計(jì)算可靠，便于分析，可在設(shè)計(jì)工作中推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：克什米大橋；HEC-RAS模型；壅水；河道水面線

隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，我國城市建設(shè)的步伐不斷加快，跨河橋梁也不斷的增加。由于跨河橋梁的建設(shè)會在河道中增設(shè)橋墩，這就會使河道行洪面積有一定程度的減小，尤其是在遭遇洪水的情況下，由于橋墩的阻水和束水作用，將在橋梁上下游形成局部范圍內(nèi)的阻水壅高，同時過流面積和流場也會有一定的改變[1]。根據(jù)《河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目防洪評價報(bào)告編制導(dǎo)則(試行)》的規(guī)定，對占用河道斷面，影響洪水下泄的阻水建筑物，應(yīng)進(jìn)行壅水計(jì)算并采取合理的補(bǔ)救措施，所以尋求合理簡單的方式對橋區(qū)河段進(jìn)行壅水計(jì)算十分有必要。王開、查道滿等[2-3]運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式對橋梁壅水計(jì)算進(jìn)行論證，李龍輝、劉寶[4]對橋梁壅水中的簡化公式的適用條件和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行討論，但是由于水力計(jì)算公式較多，每一個經(jīng)驗(yàn)公式所試用的條件不同，選取不同的公式時所得到的結(jié)果也會不同，同時由于水流的流態(tài)、河床的組成、橋梁的結(jié)構(gòu)等都會對橋梁的壅水產(chǎn)生影響，因此增加了運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式時的不確定性[5]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，一維水力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用也日漸成熟，在河道水面線的計(jì)算中，由于HEC-RAS軟件所需要的資料和邊界條件相對簡單且其得到的成果也十分可靠[6-7]，因此在國外得到了推廣，例如，美國的FEMA在進(jìn)行洪水保險(xiǎn)研究時就采用了HEC-RAS一維模型并取得了很好的效果[8]。本文通過克什米大橋的壅水計(jì)算，介紹HEC-RAS軟件在橋梁防洪評價中的應(yīng)用，為橋梁防洪評價尋求更多的求解方法。

1　工程概況

克什米大橋位于阿壩藏族羌族自治州馬爾康縣白灣鄉(xiāng)克什米村，是災(zāi)后改建工程的一個重要環(huán)節(jié)，橋址距離下游綽斯甲匯口約973.2 m，上游集雨面積23 236 km2。橋梁橫跨足木足河，橋梁連接河道兩岸的G317線路，全長112.08 m，共設(shè)三個涉河橋墩，橋墩為圓柱形，河段兩岸為小塊石質(zhì)土，河道為漂卵石河床。根據(jù)水文計(jì)算分析，克什米大橋所在河段防洪標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇，其相應(yīng)流量為Q=2400 m3/s，橋梁設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用100 a一遇，相應(yīng)流量Q=3600 m3/s。具體的橋梁參數(shù)及地形條件見表1。

表1　橋梁參數(shù)及地形條件

2　HEC-RAS數(shù)學(xué)模型

HEC-RAS模型能交互使用于多目標(biāo)環(huán)境中，可進(jìn)行一維恒定流和非恒定流的河道水力演算以及可動邊界泥沙輸移計(jì)算，可用于緩流、急流和混合流三種流態(tài)中，在計(jì)算出基礎(chǔ)水面線后，該軟件的多個水力設(shè)計(jì)特征均能被激活使用[9]，因而在橋梁壅水計(jì)算中除了能計(jì)算出河道水面線，同時還能計(jì)算出過流面積以及流速。

在本實(shí)例中運(yùn)用恒定漸變流進(jìn)行水面線推算，其基本方程是一維能量守恒定律，按照斷面順序逐次進(jìn)行計(jì)算[10]，即：

(1)

式中：Y1，Y2為斷面水深；Z1，Z2為主槽高程；V1，V2為斷面平均流速；α1，α2為速度加權(quán)系數(shù)；g為重力加速度；he為能量水頭損失。

工程阻水造成的能量水頭損失由沿程水頭損失和局部水頭損失組成。能量水頭損失方程為：

(2)

式中：L為斷面間距；Sf為兩斷面間摩擦比降；C為收縮(放大)損失系數(shù)。

根據(jù)不同的糙率分界點(diǎn)劃分灘地，利用曼寧公式計(jì)算每個分區(qū)的流量[11]，表達(dá)式為：

(3)

(4)

式中：Q為分區(qū)流量；K為流量模數(shù)；A為分區(qū)面積；R為水力半徑。

3　幾何模型及邊界條件

在HEC-RAS軟件中，橋區(qū)河段內(nèi)的能量損失分成橋上游收縮段，橋墩所在處以及下游擴(kuò)散段三部分[12]。

該工程計(jì)算河段長481 m，共設(shè)7個計(jì)算斷面，第4斷面為橋址斷面，采用2010年6月實(shí)測地形圖作為本次的地形資料。河道幾何資料的建立：(1)7號斷面為上游邊界，位于橋址斷面上游225 m處，經(jīng)壅水范圍估算此處河段不受回水影響且河道地形平緩[13]。(2)結(jié)合該河段的河道情況選取1號斷面為下邊界，位于橋址下游256 m。(3)橋址處的平均比降為6.88‰。通過水文分析計(jì)算，橋址區(qū)域10 a一遇的洪峰流量為2 400 m3/s，100 a一遇洪峰流量為3 600 m3/s。河道地形見圖1。

4　計(jì)算結(jié)果及分析

克什米大橋橋位區(qū)域地形地貌簡單，地勢較平坦，橋區(qū)河道基本順直，水流方向一致，河底基本平整，沒有大的塊石，屬于穩(wěn)定性河流。建橋后，橋墩是影響該河段行洪的主要因素[14]。在遭遇最大洪水時橋梁的阻水壅高值最大，因此在計(jì)算橋梁阻水時將洪峰值考慮為恒定流，在HEC-RAS模型中采用恒定流進(jìn)行計(jì)算確定阻水壅高值。在HEC-RAS軟件中編輯河道幾何參數(shù)、輸入流量和邊界條件后，設(shè)定流況為恒定流進(jìn)行計(jì)算，即可計(jì)算出建橋前后的河道水面線。限于篇幅，在此僅列出橋梁在100 a一遇設(shè)計(jì)洪水時橋址處的斷面水位結(jié)果，如圖2、圖3。

圖1河道地形圖

圖2建橋前100 a一遇洪水?dāng)嗝嫠怀晒麍D

圖3建橋后100 a一遇洪水?dāng)嗝嫠怀晒麍D

由以上橋位處橫斷面水位成果圖可以看出，建橋后由于涉河橋墩的增加，減小了河道行洪面積，在不同洪水頻率下橋位處出現(xiàn)了阻水壅高的現(xiàn)象。

查看模擬計(jì)算成果表，可得到建橋前后計(jì)算河段在不同頻率洪水時水位、過流面積、流速計(jì)算結(jié)果，分別見表2～表4。

表2　不同頻率洪水水位計(jì)算成果

表3　不同頻率過流面積計(jì)算成果

表4　不同頻率流速計(jì)算成果

利用HEC-RAS軟件進(jìn)行壅水計(jì)算的結(jié)果表明：與建橋前相比，橋位上游水位線升高，過流面積增大，流速減小，橋位下游水面線下降，過流面積減小，流速增大。100 a一遇洪水條件下，大橋工程修建后引起最大壅水高度為0.39 m，過水面積束窄率在6.06%以內(nèi)，最大流速變幅為6.45%；10 a一遇洪水條件下，工程修建后引起最大壅水高度為0.41 m，過水面積束窄率在6.78%以內(nèi)，最大流速變幅在7.27%以內(nèi)?？梢?，該橋梁建設(shè)引起的局部水位壅高較小，過水面積和流速的改變也較小。

橋梁設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用100 a一遇，相應(yīng)流量Q=3600 m3/s，橋梁最低梁底高程為2 308.94 m，100 a一遇洪水時橋址斷面設(shè)計(jì)水位為2 297.07 m，最低超高為11.87 m。因此橋梁設(shè)計(jì)滿足100 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)。

由此可見，克什米大橋的建設(shè)對工程河段的防洪影響較小，基本不會對河道的行洪造成影響。

5　規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

壅水高度的校核采用Yarnell經(jīng)驗(yàn)公式，該公式是Yarnell等根據(jù)大量的室內(nèi)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)出來的經(jīng)驗(yàn)公式，已編入美國渠道橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范公式[15]，如下：

ΔZ=2K(K+10ω-0.6)(α+15α4)

(3)

式中：ΔZ為橋前后的水位降落；K為橋墩形狀系數(shù)；ω=V2/2gH，其中V為橋下游斷面流速，H為橋下游斷面水深；α為橋墩阻水比。

根據(jù)橋墩的形狀、尺寸以及河道的基本情況，各計(jì)算參數(shù)取值見表5。

表5　Yarnell經(jīng)驗(yàn)公式各計(jì)算參數(shù)

采用Yarnell經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得壅水高度為0.37 m,由表2成果可知橋前最大壅水高度為0.39 m,二者相差不大，從安全角度考慮，選取較大者進(jìn)行之后的橋面設(shè)計(jì)高程復(fù)核，在此不做討論。

6　結(jié)　語

運(yùn)用HEC-RAS軟件進(jìn)行克什米大橋的水面線計(jì)算時，可通過斷面水位成果圖直接觀測建橋前后水面線的變化，十分形象直觀。該工程實(shí)例中橋墩軸線與水流方向的夾角為17°，在進(jìn)行計(jì)算時，程序會自動將水流方向投影到橋位斷面上進(jìn)行計(jì)算。在橋梁的防洪評價工作中，不僅要進(jìn)行壅水分析計(jì)算還需要進(jìn)行河槽沖淤及河勢穩(wěn)定分析，運(yùn)用HEC-RAS軟件進(jìn)行建橋前后的水面線計(jì)算，在得到水位計(jì)算成果的同時，還能得到過流面積和流速的變化值，在之后進(jìn)行河槽沖淤及河勢穩(wěn)定分析時，就不用另行計(jì)算過流面積和流速了，提高了防洪評價工作的效率，值得在今后的類似工作中推廣。

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CalculationofKeshimiBridgeBackwaterinEvaluationofFloodControlBasedonHEC-RASModel

YE Pei,LIU Xiao-bing,ZENG Yong-zhong

(XiHuaUniversity,Chengdu,Sichuan610039,China)

Abstract：Taking the calculation of Keshimi Bridge backwater as an example,the river water surface lines before and after the construction of the brigde were simulated under different scenarios of frequency of flood events,including once in 100 years and 10 years.By using the basic principles and the main methods of HEC-RAS model,the backwater height,flow area and flow velocity were calculated.And then the results of HEC-RAS model were compared with that of Yarnell formula,the values of backwater height were similar.Accordingly,the application of HEC-RAS model in calculating the backwater height is fairly reliable,and the results obtained through this software can be analyzed easily,therefore it is recommended for the designing of engineering projects.

Keywords：Keshimi Bridge;HEC-RAS model;backwater;river water surface line

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.002

中圖分類號：TV877

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672—1144(2014)06—0009—05

作者簡介：葉培(1988—)，女，四川成都人，碩士研究生，研究方向?yàn)樗乃Y源以及流體機(jī)械。

基金項(xiàng)目：西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金(YCJJ2013110)

收稿日期：2014-05-03修稿日期：2014-07-15