基于HEC-RAS的橋涵壅水深度與理論計算分析研究

周宏民，趙春濤

(中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222)

1 研究方法

HEC-RAS(Hydrologic Engineering Center’s River Analysis System)是由美國陸軍工程兵團水文工程中心開發的河道分析軟件包，適用于河道穩定和非穩定流一維水力計算，HEC-RAS功能強大，可進行各種涉水建筑物(如橋梁、入海涵、防洪堤、堰、水庫、塊狀阻水建筑物等)的水面線分析計算，同時可生成橫斷面形態圖、流量及水位過程曲線、復式河道三維斷面圖等各種分析圖表。

HEC-RAS系統包含多個一維水力分析模型，如恒定流水面線計算、非恒定流模型計算等。

(1)恒定流水面線計算。可計算河網、樹枝狀河系或單個河段在急流(Fr>1)、緩流(Fr<1)和臨界流(Fr=1)的水面線。

(2)非恒定流模擬。非恒定流模擬的基本方程為Saint-Vent方程組。

2 實例分析

2.1 工程概況

本文選取海口市西崩潭排洪溝為例，計算在不同的設計流量下，西崩潭河道在金墾路與僑中路之間橋涵的阻水壅水深度。西崩潭排洪溝起始端為海口市金牛嶺水庫，末端匯入龍昆溝，全長約1400 m，現狀河溝已經渠化，兩側為漿砌石擋墻，河床未硬化。本次計算橋涵在金牛嶺水庫下游約242 m處，金墾路與僑中路之間，河道頂部有鋼筋混凝土蓋板封蓋，長度約為114 m。

橋涵全長114 m，根據現場實際測量結果，橋涵進口寬度為6.9 m，底板高程6.15 m，頂板底高程8.72 m，凈高2.57 m。箱涵出口寬度9.9 m，底板高程5.48 m，頂板底面高程10.12 m，凈高4.64 m，進出口之間斷面漸變。

2.2 HEC-RAS數值模型建模及計算結果

2.2.1 計算范圍

為了能夠使橋涵進出口計算水流更加平穩，本次水面線推算是計算西崩潭整條河道，推算范圍始于金牛嶺水庫閘下30 m，終于東西崩潭匯合口，全長約1.4 km，計算斷面采用實測河道斷面；在計算范圍內，現狀有橋梁三座，其中，箱涵式蓋板橋一座，本次主要計算箱涵式蓋板橋橋前的壅水高度[1]。

2.2.2 計算糙率

根據《水力計算手冊》[2]，表面較平整的混凝土渠槽糙率取為0.012～0.016；漿砌塊石糙率取為0.020～0.025；經過中等修整，石渠河道糙率取為0.030～0.033。為安全起見，本文糙率取值略高于《水力計算手冊》的取值范圍，本工程箱涵段以外河道底部為天然碎石河道，糙率取為0.035，兩側為漿砌塊石護砌，糙率取為0.030；箱涵段河道均為混凝土護砌，糙率取為0.020。

2.2.3 模型上邊界及下邊界

本次西崩潭排洪溝水面線推算，河道排洪流量分為兩個工況進行分析計算：

(1)取金牛嶺水庫發生500年一遇超標準洪水時下泄流量10 m3/s與該區域雨水流量(3.5 m3/s)的總和13.5 m3/s。(2)西崩潭設計防洪標準為20年一遇，金牛嶺水庫的設計洪峰流量(20年一遇)為28.3 m3/s。為安全起見，將金牛嶺水庫視為無調蓄作用，取金牛嶺水庫20年一遇入庫洪峰流量28.3 m3/s與該區域雨水匯流3.5 m3/s的總和31.8 m3/s作為西崩潭排洪溝20年一遇可能最大泄流量。綜上所述，本次模型計算的上邊界為：計算流量分別為13.5 m3/s和31.8 m3/s。

根據《海口市防洪(潮)規劃報告》(海口市水務局、海南省水利水電勘測設計研究院、華南理工大學合編，2008年10月)，西崩潭河段(P=5%)設計水面線計算成果，西崩潭在東西崩潭匯合口處設計水位為4.55 m，本次采用此水位作為模型的下邊界控制水位。

2.2.4 計算結果

采用HEC-RAS軟件進行數據處理，河道在不同流量下水面線計算結果見表1和表2。西崩潭排洪溝箱涵段在流量為13.5 m3/s時，橋涵進口處水位為7.10 m；在流量為 31.8 m3/s時，橋涵進口處水位為8.16 m。

表1 西崩潭河道水面線(Q=13.5 m3/s)

表2 西崩潭河道水面線(Q=31.8 m3/s)

2.3 理論公式計算河道水位結果

2.3.1 壅水理論計算公式

明渠均勻流計算公式是推求河道水位的常規實用方法，在工程設計和防洪影響評價工作中廣泛使用，采用該方法推求的設計水位能夠滿足防洪評價的要求，本次采用試算法，給出下游起推水位，從下游到上游逐個斷面逐一計算水深，如式(1)：

(1)

(2)

式中：n為河床糙率；ω為斷面過水面積，m2；R為過水斷面水力半徑，m。

2.3.2 理論計算公式計算結果

采用明渠均勻流計算公式計算西崩潭排洪溝河床改造項目箱涵水面線，流量分別為13.5 m3/s和31.8 m3/s。計算過程詳見表3、表4。

表3 理論計算水位推算(Q=13.5 m3/s)

表4 理論計算水位推算(Q=31.8 m3/s)

3 計算結果與對比分析

本次采取了理論分析計算和HEC-RAS模型仿真分析計算兩種方法計算橋涵的進口處的壅水深度，對比結果見表5和表6，在設計流量為13.5 m3/s 的工況下，HEC-RAS模型計算的橋涵進口處的水位為7.10 m，流速為1.90 m/s，明渠均勻流計算公式推算的橋涵進口處的水位為7.05 m，流速為2.19 m/s，兩種方式計算的水位誤差為0.05 m，流速誤差為0.29 m/s；HEC-RAS模型計算的橋涵出口處的水位為6.65 m，流速為1.53 m/s，明渠均勻流計算公式推算的橋涵出口處的水位為6.62 m，流速為1.63 m/s，兩種方式計算的水位誤差為0.03 m，流速誤差為0.10 m/s。

表5 水位推算對比(Q=13.5 m3/s)

表6 水位推算對比(Q=31.8m3/s)

在設計流量為31.8 m3/s的工況下，HEC-RAS模型計算的橋涵進口處的水位為8.16 m，流速為2.11 m/s，明渠均勻流計算公式推算的橋涵進口處的水位為8.11 m，流速為2.35 m/s，兩種方式計算的水位誤差為0.05 m，流速誤差為0.24 m/s；HEC-RAS模型計算的橋涵出口處的水位為7.76 m，流速為1.86 m/s，明渠均勻流計算公式推算的橋涵出口處的水位為7.68 m，流速為1.99 m/s，兩種方式計算的水位誤差為0.08 m，流速誤差為0.13 m/s。

在兩種計算工況下，兩種計算方式的計算結果相差較小，HEC-RAS仿真計算水位略高，可以認為更加偏于安全，在排除參數選取人為誤差的情況下，認為本次構建的西崩潭河道及橋涵壅水計算的HEC-RAS仿真模型是符合實際情況的[3]。

4 結 論

河道新建和改擴建工程的防洪影響評價常采用經驗公式法、數值模擬計算法和物理模型實驗法來模擬計算水工建筑物建設前后對河道水流的影響，隨著計算機的發展，數值模擬計算成為防洪影響評價計算的主流，在利用數值模擬模型來模擬計算河道水面線方面，我國已經開展了很多研究工作。本文基于HEC-RAS數值模型推求了橋涵的壅水值，并與理論計算值進行對比與分析。計算結果表明，在兩種計算工況下，HEC-RAS軟件計算值與傳統理論計算值結果非常接近，HEC-RAS計算結果較為精確，并能得到圖形及表格的結果，還可以得到流速、水頭等其他結果，相比于傳統水面線計算大量的調試以及水面類型判斷，節約了大量時間，所以，HEC-RAS計算河道水面線的方法尤其適合帶有河道附屬建筑物的情況，建議在今后的設計工作中推廣應用。