HEC-RAS分析多種結(jié)構(gòu)類型橋梁壅水相互影響的應(yīng)用

楊 揚(yáng) ，郝 敏 ，史 源 ，韓鳳霞

（1.北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100048；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

1 概況

橋梁壅水計(jì)算是河道橋梁防洪影響評(píng)價(jià)的重要基礎(chǔ)工作。以往橋梁壅水計(jì)算獨(dú)立于河道水面線計(jì)算，若遇多座橋梁壅水相互影響則計(jì)算繁瑣，精度較低。HEC-RAS3.1.2（River Analyse System以下簡稱RAS）河流分析系統(tǒng)擁有強(qiáng)大的河工建筑物模擬計(jì)算能力，能方便、快捷、準(zhǔn)確地建模計(jì)算。以永定河京石高速公路輔路導(dǎo)行路洪水影響分析工程為例，臨時(shí)導(dǎo)行路為管涵漫水橋結(jié)構(gòu)，RAS較好地模擬了其壅水對(duì)上游盧溝橋橡膠壩、盧溝石橋、京廣鐵路橋和盧溝橋分洪樞紐的影響。

2 計(jì)算模型

RAS是美國陸軍工程兵團(tuán)水文工程中心開發(fā)的一維河道水力學(xué)計(jì)算軟件包，適用于一維河道恒定流或非恒定流水力計(jì)算，對(duì)各種涉水建筑物（橋梁、涵洞、堤防、水庫等）的計(jì)算模擬方法多樣、功能強(qiáng)大，目前已成為使用最廣泛的一維水力計(jì)算軟件之一。

2.1 一維河道水力學(xué)計(jì)算

RAS計(jì)算一維河道恒定流水面線基于一維能量方程，逐斷面采用直接步進(jìn)法演進(jìn)。其計(jì)算公式如下：

式中：Z1，Z2——下斷面和上斷面的水位高程，m；

a1，a2——下斷面和上斷面的流速系數(shù)；

v1，v2——下斷面和上斷面的流速，m/s；

g——重力加速度，m/s2；

hf，hj——上下游斷面之間的沿程水頭損失和局部水頭損失，m。

2.2 橋梁水力學(xué)計(jì)算

對(duì)于橋涵等水工建筑物的模擬，RAS考慮其能量損失由三部分構(gòu)成：一是建筑物上游水流收縮造成的能量損失；二是由建筑物自身結(jié)構(gòu)特征，如橋墩形狀、涵洞口構(gòu)造、溢流面型式等造成的能量損失；三是建筑物下游水流擴(kuò)散造成的能量損失。

對(duì)于北方干旱地區(qū)常見的管涵漫水橋的計(jì)算，RAS先分別計(jì)算其浸水部分的壓力流出流和路面漫流，然后循環(huán)迭代計(jì)算使二者的上游水頭相匹配，可較合理地對(duì)此復(fù)雜流態(tài)情況進(jìn)行準(zhǔn)確模擬。

浸水部分壓力流計(jì)算公式為：

式中：Q——流量，m3/s；

C——淹沒出流系數(shù)，一般取0.8；

A——凈過流斷面面積，m2；

h——建筑物上游斷面總水頭與下游斷面測(cè)管水頭之差。

路面漫流部分采用堰流公式計(jì)算：

式中：Q——流量，m3/s；

C——堰流系數(shù)；

L——堰頂寬，m；

H——包括行進(jìn)流速的堰上水頭，m。

對(duì)于支墩阻水計(jì)算，RAS常用方法有能量方程法（又稱標(biāo)準(zhǔn)步長法）、動(dòng)量守恒法和Yanell經(jīng)驗(yàn)公式法。能量方程法認(rèn)為橋墩阻水位置為一段縮窄了斷面的天然河道，根據(jù)橋址處河床斷面參數(shù)和橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)，RAS自動(dòng)生成橋區(qū)斷面，此斷面的濕周包括浸水河床濕周長度及橋墩、邊墩等建筑物浸水濕周長度。在一維河道水力學(xué)計(jì)算中，能量方程法簡便高效、精確可靠，適用性較廣。

動(dòng)量平衡法的演算基于阻水建筑物上下游斷面的水流動(dòng)量守恒。其演進(jìn)過程依次為：建筑物下游斷面至橋墩收縮斷面動(dòng)量守恒計(jì)算；下游收縮斷面至上游收縮斷面動(dòng)量守恒計(jì)算；上游收縮斷面至建筑物上游斷面動(dòng)量守恒計(jì)算。

Yanell經(jīng)驗(yàn)公式法基于近2 600次水力學(xué)實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)包含了多種水力學(xué)條件和阻水情況下的建筑物壅水情況。此法適用于橋墩造成的能量損失占總能量損失比例較大的情況。

3.實(shí)例應(yīng)用

3.1 基本情況

本文以永定河京石高速輔路橋（盧溝新橋）改建工程洪評(píng)計(jì)算為例，推求分析100年一遇洪水情況下，工程建設(shè)對(duì)其上游水位的壅水影響。

由于原輔路橋年代久遠(yuǎn)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度現(xiàn)已不滿足要求，將予以拆除重建。施工期間新建一座應(yīng)急臨時(shí)導(dǎo)行路以承擔(dān)原輔路橋的交通任務(wù)，新輔路橋竣工通車后予以拆除。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，應(yīng)急臨時(shí)導(dǎo)行路橫跨永定河河床，其路面貼近河床段長104 m，高程58.52～58.16 m，高出現(xiàn)狀河床約1.64 m；路面縱坡較為平緩，基本形成堰高為1.64 m的梯形堰，路面下平行于水流方向鋪設(shè)250根過水管涵，直徑0.72 m。

應(yīng)急臨時(shí)導(dǎo)行路上游重要工程設(shè)施分布密集，距盧溝橋橡膠壩裹頭37 m，距盧溝石橋523 m，距京廣鐵路橋867 m，距盧溝橋分洪樞紐1 549 m。這些工程較易受應(yīng)急臨時(shí)便道壅水影響。

此次建模河段范圍起自京石高速橋下游斷面，終至上游盧溝橋分洪閘下，全長約1.6 km。按照盧溝橋分洪樞紐調(diào)度方案，模型計(jì)算上邊界條件取100年一遇洪峰流量2 500 m3/s，下游邊界條件依據(jù)《海河流域永定河系防洪規(guī)劃報(bào)告》取起調(diào)水位59.568 m。

3.2 模擬分析

選取其中兩種工況：工況一為工程建設(shè)前，原輔路橋未拆除時(shí)水面線情況；工況二為工程建設(shè)后，新輔路橋建成而臨時(shí)導(dǎo)行路未拆除時(shí)水面線情況。對(duì)比這兩種工況，可以有效分析臨時(shí)導(dǎo)行路的建設(shè)對(duì)上游水面線壅高影響。兩種工況壅水情況見表1。

表1 工程建設(shè)前后雍水情況對(duì)比表

計(jì)算結(jié)果表明，新建輔路橋采用連續(xù)梁圓柱形支墩結(jié)構(gòu)，大大降低了阻水?dāng)嗝婷娣e，與原輔路橋相比，輔路橋上斷面100年一遇洪水水位降低0.13 m；臨時(shí)導(dǎo)行路占據(jù)了1/2以上的河道行洪斷面，導(dǎo)致其上游斷面100年一遇洪水水位比工程建設(shè)前壅高0.56 m，壅水上溯影響盧溝石橋，使其上下游斷面水位分別比建設(shè)前抬高0.2 m和0.4 m，京廣鐵路橋上下游水位分別壅高0.07 m和0.08 m，盧溝橋分洪樞紐閘下水位壅高0.02 m。

由此可見，臨時(shí)導(dǎo)行路的建設(shè)對(duì)盧溝橋分洪樞紐至臨時(shí)導(dǎo)行路段河道的行洪能力造成了較為嚴(yán)重的影響，壅高洪水位將使原本100年一遇防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的堤防承受更大的防汛壓力。根據(jù)現(xiàn)狀堤防高程分析，京廣鐵路橋至臨時(shí)導(dǎo)行路段左堤超高不滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

實(shí)踐證明，RAS具備在較復(fù)雜水力條件下分析多種結(jié)構(gòu)類型涉水建筑物壅水影響的能力，方法合理、成果可靠，為今后類似分析研究工作開辟了新途徑。