叶　培，刘小兵，曾永忠

(西华大学，四川 成都 610039)



基于HEC-RAS模型的克什米大桥防洪评价中的壅水计算

叶培，刘小兵，曾永忠

(西华大学，四川 成都 610039)

摘要：以克什米大桥的壅水计算为例，利用HEC-RAS模型基于桥梁壅水计算的基本原理与方法模拟了100 a一遇以及10 a一遇设计洪水频率下建桥前后的河道水面线，进而求得桥梁阻水壅高值、过流面积及水流流速。通过对HEC-RAS模拟结果与Yarnell经验公式计算结果进行比较，发现水位壅高值相差不大。因此，HEC-RAS模型对于桥梁阻水壅高的计算可靠，便于分析，可在设计工作中推广应用。

关键词：克什米大桥；HEC-RAS模型；壅水；河道水面线

随着社会经济发展的需要，我国城市建设的步伐不断加快，跨河桥梁也不断的增加。由于跨河桥梁的建设会在河道中增设桥墩，这就会使河道行洪面积有一定程度的减小，尤其是在遭遇洪水的情况下，由于桥墩的阻水和束水作用，将在桥梁上下游形成局部范围内的阻水壅高，同时过流面积和流场也会有一定的改变[1]。根据《河道管理范围内建设项目防洪评价报告编制导则(试行)》的规定，对占用河道断面，影响洪水下泄的阻水建筑物，应进行壅水计算并采取合理的补救措施，所以寻求合理简单的方式对桥区河段进行壅水计算十分有必要。王开、查道满等[2-3]运用经验公式对桥梁壅水计算进行论证，李龙辉、刘宝[4]对桥梁壅水中的简化公式的适用条件和优缺点进行讨论，但是由于水力计算公式较多，每一个经验公式所试用的条件不同，选取不同的公式时所得到的结果也会不同，同时由于水流的流态、河床的组成、桥梁的结构等都会对桥梁的壅水产生影响，因此增加了运用经验公式时的不确定性[5]。随着计算机技术的发展，一维水力学数值模拟技术在实际工程中的应用也日渐成熟，在河道水面线的计算中，由于HEC-RAS软件所需要的资料和边界条件相对简单且其得到的成果也十分可靠[6-7]，因此在国外得到了推广，例如，美国的FEMA在进行洪水保险研究时就采用了HEC-RAS一维模型并取得了很好的效果[8]。本文通过克什米大桥的壅水计算，介绍HEC-RAS软件在桥梁防洪评价中的应用，为桥梁防洪评价寻求更多的求解方法。

1　工程概况

克什米大桥位于阿坝藏族羌族自治州马尔康县白湾乡克什米村，是灾后改建工程的一个重要环节，桥址距离下游绰斯甲汇口约973.2 m，上游集雨面积23 236 km2。桥梁横跨足木足河，桥梁连接河道两岸的G317线路，全长112.08 m，共设三个涉河桥墩，桥墩为圆柱形，河段两岸为小块石质土，河道为漂卵石河床。根据水文计算分析，克什米大桥所在河段防洪标准为10 a一遇，其相应流量为Q=2400 m3/s，桥梁设计洪水标准采用100 a一遇，相应流量Q=3600 m3/s。具体的桥梁参数及地形条件见表1。

表1　桥梁参数及地形条件

2　HEC-RAS数学模型

HEC-RAS模型能交互使用于多目标环境中，可进行一维恒定流和非恒定流的河道水力演算以及可动边界泥沙输移计算，可用于缓流、急流和混合流三种流态中，在计算出基础水面线后，该软件的多个水力设计特征均能被激活使用[9]，因而在桥梁壅水计算中除了能计算出河道水面线，同时还能计算出过流面积以及流速。

在本实例中运用恒定渐变流进行水面线推算，其基本方程是一维能量守恒定律，按照断面顺序逐次进行计算[10]，即：

(1)

式中：Y1，Y2为断面水深；Z1，Z2为主槽高程；V1，V2为断面平均流速；α1，α2为速度加权系数；g为重力加速度；he为能量水头损失。

工程阻水造成的能量水头损失由沿程水头损失和局部水头损失组成。能量水头损失方程为：

(2)

式中：L为断面间距；Sf为两断面间摩擦比降；C为收缩(放大)损失系数。

根据不同的糙率分界点划分滩地，利用曼宁公式计算每个分区的流量[11]，表达式为：

(3)

(4)

式中：Q为分区流量；K为流量模数；A为分区面积；R为水力半径。

3　几何模型及边界条件

在HEC-RAS软件中，桥区河段内的能量损失分成桥上游收缩段，桥墩所在处以及下游扩散段三部分[12]。

该工程计算河段长481 m，共设7个计算断面，第4断面为桥址断面，采用2010年6月实测地形图作为本次的地形资料。河道几何资料的建立：(1)7号断面为上游边界，位于桥址断面上游225 m处，经壅水范围估算此处河段不受回水影响且河道地形平缓[13]。(2)结合该河段的河道情况选取1号断面为下边界，位于桥址下游256 m。(3)桥址处的平均比降为6.88‰。通过水文分析计算，桥址区域10 a一遇的洪峰流量为2 400 m3/s，100 a一遇洪峰流量为3 600 m3/s。河道地形见图1。

4　计算结果及分析

克什米大桥桥位区域地形地貌简单，地势较平坦，桥区河道基本顺直，水流方向一致，河底基本平整，没有大的块石，属于稳定性河流。建桥后，桥墩是影响该河段行洪的主要因素[14]。在遭遇最大洪水时桥梁的阻水壅高值最大，因此在计算桥梁阻水时将洪峰值考虑为恒定流，在HEC-RAS模型中采用恒定流进行计算确定阻水壅高值。在HEC-RAS软件中编辑河道几何参数、输入流量和边界条件后，设定流况为恒定流进行计算，即可计算出建桥前后的河道水面线。限于篇幅，在此仅列出桥梁在100 a一遇设计洪水时桥址处的断面水位结果，如图2、图3。

图1河道地形图

图2建桥前100 a一遇洪水断面水位成果图

图3建桥后100 a一遇洪水断面水位成果图

由以上桥位处横断面水位成果图可以看出，建桥后由于涉河桥墩的增加，减小了河道行洪面积，在不同洪水频率下桥位处出现了阻水壅高的现象。

查看模拟计算成果表，可得到建桥前后计算河段在不同频率洪水时水位、过流面积、流速计算结果，分别见表2～表4。

表2　不同频率洪水水位计算成果

表3　不同频率过流面积计算成果

表4　不同频率流速计算成果

利用HEC-RAS软件进行壅水计算的结果表明：与建桥前相比，桥位上游水位线升高，过流面积增大，流速减小，桥位下游水面线下降，过流面积减小，流速增大。100 a一遇洪水条件下，大桥工程修建后引起最大壅水高度为0.39 m，过水面积束窄率在6.06%以内，最大流速变幅为6.45%；10 a一遇洪水条件下，工程修建后引起最大壅水高度为0.41 m，过水面积束窄率在6.78%以内，最大流速变幅在7.27%以内。可见，该桥梁建设引起的局部水位壅高较小，过水面积和流速的改变也较小。

桥梁设计洪水标准采用100 a一遇，相应流量Q=3600 m3/s，桥梁最低梁底高程为2 308.94 m，100 a一遇洪水时桥址断面设计水位为2 297.07 m，最低超高为11.87 m。因此桥梁设计满足100 a一遇洪水标准。

由此可见，克什米大桥的建设对工程河段的防洪影响较小，基本不会对河道的行洪造成影响。

5　规范经验公式计算

壅水高度的校核采用Yarnell经验公式，该公式是Yarnell等根据大量的室内模型试验数据总结出来的经验公式，已编入美国渠道桥梁设计规范公式[15]，如下：

ΔZ=2K(K+10ω-0.6)(α+15α4)

(3)

式中：ΔZ为桥前后的水位降落；K为桥墩形状系数；ω=V2/2gH，其中V为桥下游断面流速，H为桥下游断面水深；α为桥墩阻水比。

根据桥墩的形状、尺寸以及河道的基本情况，各计算参数取值见表5。

表5　Yarnell经验公式各计算参数

采用Yarnell经验公式计算得壅水高度为0.37 m,由表2成果可知桥前最大壅水高度为0.39 m,二者相差不大，从安全角度考虑，选取较大者进行之后的桥面设计高程复核，在此不做讨论。

6　结　语

运用HEC-RAS软件进行克什米大桥的水面线计算时，可通过断面水位成果图直接观测建桥前后水面线的变化，十分形象直观。该工程实例中桥墩轴线与水流方向的夹角为17°，在进行计算时，程序会自动将水流方向投影到桥位断面上进行计算。在桥梁的防洪评价工作中，不仅要进行壅水分析计算还需要进行河槽冲淤及河势稳定分析，运用HEC-RAS软件进行建桥前后的水面线计算，在得到水位计算成果的同时，还能得到过流面积和流速的变化值，在之后进行河槽冲淤及河势稳定分析时，就不用另行计算过流面积和流速了，提高了防洪评价工作的效率，值得在今后的类似工作中推广。

参考文献：

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[3]查道满，吴永林，王显生．跨河桥梁对河道水位的影响分析[J]．江淮水利科技，2010，(3)：3-4，7.

[4]李龙辉，刘宝．跨河桥梁壅水计算的的简化公式法[J]．东北水利水电，2008，26(12)：50-52.

[5]李炜．水力计算手册(第二版)[M]．北京：中国水利水电出版社，2006：345-349.

[6]陈学剑，潘世虎．HEC-RAS在河道整治工程方案优化中的应用[J]．人民黄河，2012，33(9)：7-8.

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[12]李崇勇．HEC-RAS模型在桥梁阻水壅高计算中的应用[J]．大众科技，2013，15(6)：72-74.

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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

中图分类号：TV877

文献标识码：A

文章编号：1672—1144(2014)06—0009—05

作者简介：叶培(1988—)，女，四川成都人，硕士研究生，研究方向为水文水资源以及流体机械。

基金项目：西华大学研究生创新基金(YCJJ2013110)

收稿日期：2014-05-03修稿日期：2014-07-15