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. 中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065;2. 黃河水利水電開發集團有限公司,河南 濟源 459017;3.洪澇災害應急智慧決策創新工作室,西安 710065)

0 前 言

近年來,極端天氣增多,暴雨洪水的災害性和突發性驟增,社會經濟的高質量發展和人民群眾的生命財產安全對河道防洪的要求越來越高,中國水環境治理和河道整治項目的建設也與日俱增[1-2]。水面線計算是河道整治項目設計中的重要依據,計算結果的精度關乎著河道防洪安全。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,對河道防洪安全、河勢穩定等方面產生了重要影響[3]。

橋梁壅水對河道防洪的影響一直以來是熱點關注問題。如何家偉[4]以云南柿子塘1號橋為依托,基于HEC-RAS模型研究了橋墩壅水對河道防洪的影響,結果表明HEC-RAS模型在橋墩壅水計算中具有一定的優勢。張永華等[5]采用經驗公式法和水流數學模型法兩種方法,計算分析呼口大橋壅水高度,取得了較好的結果,為項目決策提供了科學依據。蔣衛威等[6]以山區河流梅溪的跨河橋梁為例,構建了橋梁的三維模型,分析了FLOW3D模擬值與經驗公式的壅水計算值,為橋梁壅水計算提供了重要參考。燕琴等[7-13]基于HEC-RAS恒定流模型對上猶江特大橋建設時期和建設完成后進行壅水計算分析,計算結果符合工程應用實際,且該方法簡單高效,可在橋梁壅水分析方面推廣。眾多學者對橋梁壅水的研究大部分為常規的梁橋形式或不過水橋,對過水橋涵的壅水研究鮮有,洪水來臨時,水位淹沒橋涵頂部,對河道管理及周邊人民生命財產安全有著至關重要的影響,于此,本文基于HEC-RAS模型對過水橋涵的壅水進行分析探討。

在河道水面線壅水計算中,對于有橋墩的板式橋梁,可采用TB 10017-2021《鐵路工程水文勘測設計規范》中的橋前壅水公式進行計算,該公式考慮了橋前流速和斷面平均流速對壅水的影響,簡單方便,適合于橋墩等形式簡單的橋梁。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、出口局部水頭損失、隧洞流量系數等參數,其次涵洞以上部分需要按照堰流公式進行分析計算,影響因素復雜,TB 10017-2021《鐵路工程水文勘測設計規范》中的橋前壅水公式不適合。因此,當阻水建筑物為過水橋涵時,其方法一需根據流量大小,將通過建筑物的流量分為兩部分進行試算,一部分為涵洞過流計算,超過涵洞過流能力的部分按橋面堰流計算,兩者聯合試算,最終確定過水橋涵的壅水高度。另外可采用HEC-RAS、MIKE11、MIKE21模型進行數值模擬分析。

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

1 經驗公式與模型簡介

1.1 經驗公式簡介

當河道阻水建筑物為板橋或者梁橋形式時,可采用我國TB 10017-2021《鐵路工程水文勘測設計規范》中的橋前壅水計算經驗公式分析,該公式對能量守恒方程進行了簡化[8],表達式如下:

(1)

當阻水建筑物為過水橋涵時,涵洞一般為有壓流,泄流能力由下式計算:

(2)

公式(2)中的流量系數μ,由下式計算:

(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,與之相應的流速所在的斷面面積為ωi(上式根號內第二項中的ωi);li為涵洞第i段的長度,m;與之相應的斷面面積、水力半徑和謝才系數分別為 (上式根號內第二項中的ωi)、Ri、Ci。

橋面以上部分過水,按堰流流量公式計算:

(4)

過橋總流量:

集成學習（Ensemble Learning）是一種重要的數據挖掘方法，主要利用多個學習器的集成來解決問題，能夠顯著提高學習系統的泛化能力[4]。Elder在文獻[5]中研究表明分類器集成技術優于簡單的平均法和單一模型，且在近年來多屆KDD和CIKM Cup中取得優秀成績。集成學習也被認為是未來機器學習的重要研究方向之一，是提高學習精度的重要手段[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,需運用式(2)～(5)聯合試算。先假定橋上水位,再根據涵洞尺寸等相關參數試算涵洞的過流流量,同時根據橋面(堰)的尺寸試算堰流過流量,當堰的過流量和涵洞過流量之和等于該斷面的設計流量時,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是由美國陸軍工程兵團水文工程中心開發的軟件。適用于河道治理項目中的一維水動力計算,可進行橋梁、涵洞、閘門等涉水建筑物的水面線分析計算。HEC-RAS軟件模擬河道斷面及涉水建筑物,有能量守恒方程、動量平衡等方法。能量守恒方程如下:

(6)

式中:α1,α2為流速權重系數;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,需要在軟件中設置4個斷面,方能建成一個完整的橋/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號斷面布置在橋/涵下游較遠處,保證水流情況不受橋/涵影響;2號斷面在橋/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號斷面在橋/涵上游較遠處,保證水流不受橋/涵的影響。

圖1 HEC-RAS橋/涵模擬斷面布置

2 研究實例

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

馬營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,植被稀疏,以沙生植物為主。馬營溝流域如圖2所示。

圖2 馬營溝流域

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

表1 馬營溝流域橋涵尺寸表

圖3 馬營溝1號橋和2號橋照片

圖4 馬營溝3號橋和4號橋照片

根據現場踏勘得知,馬營溝為天然河道,河道內雜草叢生,參考《水力學計算手冊》(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,根據測量斷面位置及尺寸,在模型中輸入斷面數據,并在相應位置加入橋涵數據,橋涵進口局部水頭損失系數取0.05,出口局部水頭損失系數根據不同斷面參數模型自動率定,堰流部分堰流系數取1.4,再根據涵洞尺寸輸入洞長、距離上游斷面的間距和堰的高程尺寸等參數,參數設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。

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

圖5 馬營溝最下游斷面10年一遇水位～流量關系曲線

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

經計算天然河道水面線,馬營溝1～4號橋涵均為過水橋涵。根據表1中橋涵尺寸,采用涵洞和堰流聯合試算的方法和HEC-RAS軟件模擬橋涵壅水的方法,分別計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。馬營溝1～4號橋涵10年一遇橋涵壅水成果及對比見表2和圖6。

表2 馬營溝工程段橋涵壅水成果表

圖6 不同方法橋涵壅水高度計算值對比

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

3 結 論

(1) 河道水面線計算中,當跨河橋涵為過水橋涵時,壅水分析采用《鐵路工程水文勘測設計規范》中的橋前壅水計算經驗公式時存在計算參數考慮不恰當、阻水建筑物邊界條件考慮不周、阻水因素考慮不準確等問題[11],因此,可采用涵洞和堰流聯合試算的方法進行分析計算,計算成果滿足工程精度要求。

(2) 本次研究選取靖邊縣馬營溝10年一遇的水位～流量關系曲線對HEC-RAS模型的邊界條件進行約束,根據馬營溝河道現狀情況,并參考《水力學計算手冊》(第二版),對河道糙率等參數進行了合理率定。從結果看,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,操作運用簡便、仿真效率高。聯合試算法需要將涵洞和堰流結合起來分析,根據流量大小分情況試算。兩種方法在橋涵壅水分析的應用上均合理可行。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支撐和參考。