不同模型在防洪影響評價中的應用研究

張 慧，劉冠霆，孫 眾

(揚州市勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225007)

隨著國民經濟的不斷發展，交通運輸作為支撐經濟發展的基礎性設施，必須符合經濟增長的發展需求，因而一大批跨河、跨海、高山河谷的橋梁工程在全國各地得到規劃興建，為了保障橋梁和河道的長久安全運行，勢必需要對其進行防洪影響評價[1- 2]。

經過跨河橋梁防洪評價的多年發展，已逐步形成了一套完整的評價指標體系和防治措施[3]，一般均是通過對水文資料收集，選擇合理的防洪標準，并對其進行雍水、沖淤的計算分析，最終判斷涉水橋梁的防洪影響程度[4]。但是，選擇的計算分析模型對于準確判斷防洪評價具有重要影響，不同的計算模型在計算難易度、準確度上均有相當大的差異，從最初的一維模型，逐步發展為現在的二維、三維計算模型，其精確度在不斷提高，但計算難度也在呈幾何形增長，選擇合適的防洪影響評價計算模型，在保證計算精度的情況下，可以大大提高工作效率，節省設計成本[5- 8]。

本文以揚州五峰山涉水橋梁為例，采用HEC-RAS模型、MIKE21模型以及HydroInfo模型，從計算精度上對橋墩產生的雍水和沖刷進行了對比分析計算，并綜合考慮計算工作量，對三種模型得到的防洪影響評價成果進行探討。

1 模型簡介

1.1 HEC-RAS模型

HEC-RAS模型是針對一維恒定或者非恒定流的河道水利分析計算模型。該模型可以用于明渠河道流動分析和洪泛區域的水力分析，分析所得的結果主要用于洪水區域的管理及洪水的安全評估，也可用于洪水淹沒地區范圍和危害程度的評價。例如在進行河道整治及新建橋梁等工程時，需要對河道壅水高度、流速的變化、橋涵沖刷狀況等情況對河流輸水及城市防洪的影響進行評價。

1.2 MIKE21模型

MIKE21是非結構化網格二維水力計算模型，專門用于模擬計算河道、河口、海岸等區域的水力變化因素。MIKE21為用戶提供了前后處理模塊、水動力學模塊、水質和環境評價模塊以及泥沙傳輸模塊等四大模塊，具有無障礙性、高效性、便捷性、廣泛性、兼容性、靈活性、公認性等特點，目前，在國內各大高校和研究設計院普遍使用。

1.3 Hydroinfo模型

HydroInfo是計算復雜水流與輸運問題的數值模擬軟件。該模型可以準確地模擬一維、二維、三維環境下恒定或者非恒定水流、波浪、泥沙及與運輸相關的各項水力因素。主要功能包括：流域河網管網模型、二維水流泥沙模型、三維自由水面模型等。HydroInfo進行了大量的解析解數值驗證、實驗室測量數據驗證與原型觀測數據驗證，同時也被廣泛的實際工程應用證實了該模型的可靠性、穩定性以及高效性。

2 模型計算結果對比分析

2.1 工程概況

本文以灰糞港橋為例進行分析。項目路在樁號K0+960.000處跨越灰糞港，路中心線與河道中心線夾角為71.0°，跨河處將拆除西側老橋，新建灰糞港橋，并保留利用東側老橋。河道全長15.3km，流域面積50.5km2，為通南高沙土地區白塔河以西片的骨干引排河道，并承擔江都新城區排澇和改善水質的任務。橋址處現狀河底高程1.8m，底寬6.0m，坡比1∶2，地面高程約在5.7m左右。規劃河道設計標準：河底高程-0.166m，底寬5.0m，坡比1∶2.5，河口寬度32.5m，河道設計標準為20年一遇，設計水位4.914m，設計流量48m3/s。大橋布置結構如圖1所示。

2.2 雍水曲線計算結果分析

不同計算模型得到的雍水情況統計與實測值的對比見表1。在20年一遇洪水條件下，規劃修建大橋后，河道的橋下平均流速、斷面平均流速分別為0.58m/s和0.53m/s，河道的最大雍水高度為3.33m，最大雍水曲線長度為125.41m；通過對比三種模型與實測值的大小可以看出，三種模型均能較好地模擬大橋興建后的水面曲線特征。但是，仔細對比后可以發現MIKE21模型較其它兩種模型的計算精度更高，其與實測值的誤差范圍更小。

表1 雍水曲線計算結果對比

2.3 橋址處最大沖刷計算

不同模型計算得到的橋址處沖刷結果如圖2所示。從圖2可以看出，MIKE21模型計算得到的最大沖刷深度、平均水深及最大水深均更接近于實測值，再次表明MIKE21模型在本次模擬情形下的計算準確度更高；HEC-RAS和Hydroinfo模型計算精度稍差，但與實測值相比，誤差均不到3%，表明了其余兩種計算方法相對來講也是較為準確和可靠的。

圖2 最大沖刷計算結果對比

2.4 堤防抗滑穩定性分析

根據GB50286- 2013《堤防工程設計規范》要求，2級堤防的抗滑穩定性系數不能低于1.25，非常情況下不可低于1.15；4級堤防抗滑穩定性系數不得低于1.15，非常運用時，不可低于1.05。不同模型計算得到的20年一遇情況下抗滑穩定性安全系數如圖3所示。從圖3可以看出，三種模型分析計算得到的堤防抗滑穩定性安全系數均大于1.4，且三者之間相差不大，遠遠大于正常堤防工程設計的規范值，表明了本堤防工程設計的安全可靠性。

圖3 抗滑穩定性安全系數對比

2.5 設計最大過流量分析

三種模型計算得到的最大過流能力如圖4所示。從圖4可以看出，MIKE21模型計算得到的最大過流量與設計過流量相等，而HEC-RAS和Hydroinfo模型計算得到的最大過流能力分別較設計流量大0.2m3/s和0.5m3/s。可見，MIKE21模型在計算精度上仍然要高于其它兩種模型。

圖4 過流能力計算分析

3 防洪影響綜合評價及討論

灰糞港橋址處過水斷面積為89.9m2，橋墩阻斷系數為10.90%，橋前壅水高度為3.33m，壅水曲線長度為125.45m；在設計洪水標準和尺寸下，三種模型計算得到的水力因素無論流速、雍水高度、雍水長度、最大沖深、抗滑穩定性及最大過流能力上均能滿足相應的防洪標準，對該河段的行洪能力基本沒有影響。

無論是一維模型、二維、三維計算模型，其總體思路均遵從以下幾個步驟：①收集相關資料進行分析；②邊界條件分析確定；③選擇合適模型；④模型率定和驗證；⑤模擬分析計算；⑥對計算結果進行提取和分析；⑦進行防洪綜合評價；⑧提出措施和建議。從上文分析得知，在計算精度上MIKE21模型較其它兩種模型更高，因而才被各大高校和研究院選擇使用，但是在水系復雜多變、計算方案多樣的情況下，由于HEC-RAS為一維的分析思路，分析計算難度遠遠小于其它兩種模型，在保證精度的情況下，選擇HEC-RAS模型能夠節省大量的人力物力，可在類似工程中推廣使用。

4 結論

本文以HEC-RAS、MIKE21以及Hydro Info模型對五峰山涉水橋梁的防洪影響進行對比計算分析，得出MIKE21模型在計算精度上高于其它兩種模型；但是，在保證精度的情況下，HEC-RAS分析計算更為簡單，能節省大量的設計評價時間和費用，在類似工程中可推廣使用。

[1] 楊文海, 路志強, 劉濤. 跨河橋梁防洪影響評價研究[J]. 水資源與水工程學報, 2013, 24(02): 163- 165.

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[4] 王旭, 張鳳華, 馬松根. 橋梁工程防洪影響評價需要注意的幾個問題[J]. 河南水利與南水北調, 2012(15): 39- 41.

[5] 馬小兵, 馬志華. MIKE11、MIKE21軟件在橋梁工程防洪影響評價計算中的聯合應用[J]. 浙江水利科技, 2012(03): 038- 39.

[6] 金明宇. 二維數學模型在南京長江幕燕濱江風光帶濱江廣場景觀改造工程防洪影響評價中的應用[J]. 紅水河, 2013, 32(02): 47- 51.

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