基于HEC—RAS的斷密澗河尹莊村段水面線分析

秦永泰

摘要： 為了保障斷密澗河（尹莊村段）治理工程的順利實施，根據工程特性和流域水文特征，應用HEC-RAS水力模型，對設計洪水條件下的河道水面線進行了模擬分析。結果表明：HEC-RAS軟件能夠較好得模擬出設計河道水面線，并通過有關圖表給出各涉河建筑物的阻水影響范圍，其中改建的交通橋和現有彩虹橋需要采取一定的工程措施增加其過流能力，方可保證斷密澗河的行洪安全。

Abstract： In order to carry out Duanmijian River （Yinzhuangcun） controlling projects scientifically and reasonably， this paper applied HEC-RAS to analyze river water surface curve under the created conditions， based on engineering characteristics and hydrological characteristics. Results show： HEC-RAS software could calculate the water surface line， and provide current-obstruction area of the hydraulic structures vividly. Duanmijian River flood safety can be ensured only if the recreation traffic bridge and existing Rainbow bridge discharge capacity will be increased by some engineering measures.

關鍵詞： HEC-RAS；水面線；河道治理；斷密澗河

Key words： HEC-RAS；water surface curves；river regulation；Duanmijian River

中圖分類號：TV85 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）13-0094-03

0 引言

我國降水時空分布差異化明顯，降水主要集中在汛期，并多形成暴雨型洪水，給人民生命財產造成不同程度的損失[1-2]，加快防洪能力落后的中小河流治理勢在必行。然而，推求水面線是中小河流治理工程的基礎工作，不僅影響到工程造價和建設規模，而且直接關系到工程周邊人民群眾的生命財產安全，因此在工程設計中應當科學合理地確定水面線，保證河道行洪安全。

目前，有關推求水面線的方法包括逐段試算法、直接逐步法和圖解法等傳統方法[3]，以及較為先進的MIKE、HEC-RAS、SOBEK等水力計算模型[4-6]，其中HEC-RAS軟件功能強大，使用方便，近年來已廣泛應用于水利水電工程領域[7-11]。本文基于HEC-RAS模型對河道水面線進行研究。

1 HEC-RAS簡介

HEC-RAS（The Hydrologic Engineering Center developed the River Analysis System，簡稱HEC-RAS）是由美國陸軍工程師兵團水文工程中心開發的一款河流水力分析系統，適用于恒定流、 非恒定流、水質分析和泥沙輸移計算，可對混合流、急流、緩流等多種流態進行模擬[12]，并可通過HEC-GeoRAS從DEM圖件獲取相關的地形、河流、橫斷面、糙率等地理空間數據，以提高數據預處理效率[13]。

HEC-RAS在洪水流量水位推算、河道水面線推算、涉水建筑物影響分析（庫壩、跌水、溢洪道、泵站、橋涵等）、洪水淹沒區分析、橋梁阻水和局部沖刷分析和河流水質演進分析等領域均有應用，同時可根據需要生成水位-流量關系圖、水位流量過程線、縱橫大斷面圖和水面線計算成果表等各種圖表。

1.1 恒定流

2 工程實例應用

斷密澗河發源于盧氏縣杜關鎮石橋溝村，屬黃河二級支流，于下游從靈寶市區穿過，流域面積162km2，河道全長49km，平均比降為1.49%。本研究主要涉及斷密澗河尹莊村段，河道全長約1.2km。

2.1 工程概況

該工程位于河南省靈寶市城區，河段范圍為隴海線鐵路橋上游50m處（0-050）至長安路彩虹橋下游73m處（1+205.5）。工程河段上下游段均完成了兩岸拆遷及河道治理工程，而本河段尚未治理，且原有堤防堤距窄、質量差、多被洪水沖毀，加之河道內違章建筑，生產、生活垃圾亂堆，荒灘裸露，雜草叢生，不僅與上下游河道景觀很不協調，而且在一定程度上降低了河道的防洪能力。

斷密澗河（尹莊村段）治理工程分為河道部分和水工建筑物部分，其中河道部分總長1255m，河床底寬55m，河床兩側采用M10漿砌石防沖基礎，基礎寬1m，埋深2.5m；蓄水面以下采用C25混凝土護坡并預留0.5m安全超高，蓄水面以上為混凝土連鎖護砌的生態護坡，坡比1：2，護坡高度隨河道地形介于1.6～4.5m之間。護坡上接L型防浪墻，墻頂高程高于護坡1m；防浪墻背水側為人行步道，低于防浪墻頂0.5m。順水流方向布設的水工建筑物依次為攔砂壩及其消力池、交通橋、1#漫水橋、2#漫水橋和1～3#橡膠壩及其消力池。

2.2 模擬分析

2.2.1 工程模型的構建

新建工程文件，導入通過ArcGIS軟件中Geo-RAS模塊提取的河道樁號、橫斷面、各涉水建筑物等平面數據，并根據橫斷面和各涉水建筑物的工程設計參數建立相應模型，生成河道治理工程布置圖，見圖1。

2.2.2 水力參數的選取

根據《防洪標準》（GB50201—2014）和《靈寶市城市總體規劃（2003～2020年）》，該治理工程的防洪標準為50年一遇，設計洪峰流量為776m3/s。由于設計的河道為規則的梯形斷面，河底為砂卵礫石，兩側為坡度較陡的混凝土護坡和混凝土連鎖護砌的生態護坡，主河槽和兩側的糙率分別為0.035和0.017，相鄰斷面的收縮系數和擴張系數分別取0.1和0.3。

本河道設計比降為0.01，在各涉水建筑物回水影響區域內為緩流，其他區域為急流，模擬時采用混合流態，邊界條件為臨界水深。

2.3 模擬成果與分析

通過模擬計算，設計條件下的河道水面線計算成果見表1和圖2。由圖2可知，在50年一遇設計洪水條件下，治理河段的堤防設計高度均滿足要求，隴海鐵路橋可以安全行洪，然而交通橋和彩虹橋由于受到自身橋墩、下游跌水和漫水橋的阻水作用，交通橋基本滿足行洪要求，彩虹橋有洪水漫橋的危險（見圖3），這將對橋梁周邊及其下游的防洪產生安全隱患。

因此，需要采取增加過水斷面、削弱涉水建筑物阻水影響和拆除橋梁重建等措施提高交通橋和彩虹橋處的過水能力，確保洪水順利泄流。

3 結語

根據斷密澗河（尹莊村段）設計河道水面線模擬結果可知：HEC-RAS軟件可以模擬出設計洪水條件下的完整水面線，并可通過有關圖表圈定各涉水建筑物的壅水范圍以及河道的行洪效果；治理河道的設計堤防滿足行洪要求，但由于橋墩和漫水橋的阻水影響，交通橋和彩虹橋上游水位壅高，嚴重威脅到兩岸的防洪安全，應采取必要的工程措施增加其行洪能力，這對段密澗河的防洪建設具有重要的指導意義。同時，由于HEC-RAS軟件無法對模擬結果進行驗證校核，故本研究結果有待其他方法來進一步驗證，以提高模擬結果的可靠性。

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