基于HEC-RAS軟件模型的橋梁壅水計算簡析

(樂山市水利電力建筑勘察設計研究院，四川 樂山，614000)

1 引言

因橋墩將占據河道一定的過水面積，特別是在較大洪水情況下，受橋墩的束水和阻水作用，將在橋位上游局部范圍內形成一定的壅水，對橋區河段的洪水位和流場均會造成一定的改變。因此橋梁設計方案確定后，業主單位需委托有資質的單位分析、評價橋梁建成后對上游河段的壅水影響[1]。

在實際評價中，橋梁壅水計算通常采用經驗公式計算，例如《鐵路工程水文勘測設計規范》(TB 10017-99)中的壅水計算公式，公式中對河段河床組成、河道特性以及橋下供給過水面積等參數要求較高，很多參數與經驗取值有很大關系。而HEC-RAS軟件模型要求根據橋梁設計方案在橋位橫斷面處輸入橋梁各參數，以模擬出橋梁建成后河段水面線，從而得到橋梁壅水高度及長度等。

本文以樂山市某大橋為例，計算其壅水高度及壅水長度。

2 橋梁概況

根據橋梁設計資料，上部結構采用(14×40+3×50+6×40)m預應力混凝土簡支T梁橋，橋梁軸線的法線與水流方向基本一致。橋面橫向坡度0%，縱向坡度-2.033%～2.3%(自左岸向右岸)，橋面厚2.5m，橋面寬32m。下部結構均采用鋼筋混凝土蓋梁+圓柱墩：除50m跨徑T梁橋墩(14#～17#)寬2.2m外，其余橋墩寬2.0m。

該橋橋面連續，橋長959m，屬大橋，其防洪標準按100年一遇設計。經水文計算，橋位處100年一遇洪水流量為18600m3/s。

該橋梁跨河部分設計尺寸統計見下表1。

表1 橋梁跨河部分設計高程及尺寸

3 HEC-RAS軟件模型概況

HEC-RAS是由美國陸軍工程兵團水文工程中心開發的水面線計算軟件包，適用于河道穩定和非穩定流一維水力計算，可進行各種涉水建筑物(如橋梁、涵洞、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。該軟件模型在國內外水面線推算中已廣泛應用。

HEC-RAS水面線計算采用標準逐步遞推法求解一維能量方程式。該模型不僅根據糙率的縱橫向分布考慮主河道和灘地的流量分配，還考慮了糙率隨水位的變化，并且還結合各種形狀涉水建筑物的阻水基理分析阻水情況和能量損失。

其基本能量方程式表示如下：

式中：Z2、Z1——上、下游斷面河底高程；

Y2、Y1——上、下游斷面水深；

V2、V1——上、下游斷面平均流速；

α2、α1——動能校正系數；

g——重力加速度；

he——工程阻水造成的水頭損失。

圖1 能量方程各要素示意

兩個斷面間的能量水頭損失由摩擦損失和水流收縮(放大)產生的水頭損失組成。能量水頭損失方程如下：

C——斷面擴張或收縮系數；

L——流量加權系數。

流量加權系數計算公式如下：

式中：K——流量模數；

n——糙率系數；

A——分區面積；

R——水力半徑。

動能校正系數α計算公式如下：

式中：At——斷面總面積；

Kt——總流量模數；

Alob、Ach、Arob——左岸灘地、主河道、右岸灘地面積；

Klob、Kch、Krob——左岸灘地、主河道、右岸灘地流量模數。

4 HEC-RAS軟件模型計算橋梁壅水

4.1 橫斷面布置

在上起橋軸線上游約510m、下至橋軸線下游350m，總長約860m的河段上布置5個橫斷面(CS1～CS5)進行河段分析，其中CS3段面為橋址處斷面。

將橋梁設計參數、尺寸按HEC-RAS軟件模型輸入方法在橋位處實測橫斷面(CS3)上得到模擬，見圖2。

圖2 橋位橫斷面

4.2 設計洪水計算成果

根據水文分析計算成果，該河段100年一遇(P=1%)設計洪水流量為18600m3/s。

4.3 河床糙率

該河段此前有多家科研設計單位進行過歷史洪水調查工作，調查成果歷經多次復核和審查，并運用于該流域水利工程設計中，成果合理可靠。該河道綜合糙率n值為0.035～0.038。

4.4 起算控制水位

河段水面線推算起始控制斷面為CS1斷面，P=1%時設計洪峰流量18600m3/s，相應設計洪水位388.70m。

4.5 計算結果

橋孔壓縮水流，使橋位上游水面雍高，形成橋前壅水。壅水高度一般跟水流進入橋孔的阻力、橋下水流的過水面積、河床糙率等有關。與建橋前河流的情況比起來，橋梁對河流的過流與行洪有一定的影響。

通過以上參數，采用HEC-RAS河流分析系統軟件模型計算河段建橋前、后水面線，成果見表2。

表2 橋梁河段設計洪水位計算成果

橋位斷面處建橋前、后各洪水參數指標見表3。

表3 橋位處斷面(CS3)洪水參數指標變化

4.6 分析計算結果

根據橋梁設計方案及實測橫斷面圖，通過采用HEC-RAS軟件模型進行該橋壅水計算。在100年一遇洪水下，建橋后因橋墩擠占河道部分行洪斷面，過水面積減少209m2，過水面積縮窄率為4.65%，橋位處流速增加4.87%，設計洪水位壅高0.04m，橋前壅高0.08m，橋梁壅水長度約120m。

橋梁建成后，工程河段三維模型見圖3。

圖3 橋梁建成后河段洪水三維模擬

5 結論

HEC-RAS軟件模型進行橋梁壅水分析，依據的基礎資料是橋梁設計參數、尺寸，以及實測河道橫斷面，相比經驗公式來說，能更好地反映橋梁建設對河道行洪的影響，因為它是將橋梁橋型設計加載到橋位橫斷面上，模擬出橋梁建成后橋位處橫斷面的變化，從而采用能量方程推算出建橋后的河道水面線。