HEC-RAS模型在橋墩壅水計算中的應用

何家偉

(昆明龍慧工程設計咨詢有限公司，云南 昆明 650000)

對于涉水建筑物來說，壅水計算和影響分析是2項密切關聯、不可或缺的重要工作。根據計算與分析結果，如果壅水嚴重將會導致河道無法正常行洪，在遭遇特大洪水時很有可能引起洪澇災害。因此，壅水計算和影響分析可以作為指導工程建設的重要依據，必須加以重視。目前常用的壅水計算方法有經驗公式法、水力學模型法。HEC-RAS模型是一種典型的一維水動力模型，將其應用到橋墩壅水計算與影響分析中，具有斷面布置靈活、參數設計簡單、結果直觀準確等一系列特點。實踐表明，基于HEC-RAS模型的一維水力學計算模型相比于二維水力學計算模型具有邊界約束條件少、計算工作量少等優勢，相比于經驗公式法具有結果精確度高等優勢。因此，HEC-RAS模型在橋梁工程的壅水計算中得到了廣泛應用。

1 橋墩壅水計算常用方法及其局限性

經驗公式法是現階段橋梁壅水計算中比較常用的方法之一，其應用優勢在于計算過程中使用變量少，減輕了前期數據采集的工作量。例如，選擇“道不松公式”計算壅水(ΔZ)：

(1)

2 HEC-RAS模型計算橋墩壅水的優勢分析

針對經驗公式法存在的上述問題，基于HEC-RSA模型的橋墩壅水計算方法能夠有效避免，顯著提高了結果精度。HEC-RAS軟件橋梁模擬方法有能量平衡(伯努利方程)、動量平衡、Yarnell公式、WSPRO等4種計算方法，可根據實際條件選用不同的方法。該模型可考慮橋梁、涵洞、堰、溢洪道、堤防等水工建筑物對水面線分析計算的影響，該軟件具有恒定流、非恒定流求解以及河道輸沙演算。在橋墩壅水計算中，如果河道水流相對平穩、河槽寬而淺，發生大洪水時出現最大壅高，可選擇洪峰流量作為恒定流，計算橋梁壅水。因此，選擇基于HEC-RAS恒定流模型的壅水分析計算，可準確求解橋位處最大壅水高度和壅水范圍。根據能量守恒定律，計算公式為：

(2)

式中，Z1、Z2—上下斷面河底高程，m；Y1、Y2—上下斷面水深，m；V1、V2—上下斷面水流的平均流速，m/s；α1、α2—動能修正系數；g—重力加速度，m/s2；he—橋梁工程造成的能量損失，m。

根據橋梁工程的結構特點，能量損失主要來自2個方面：橋墩占用河道過水斷面，導致上游水流收縮產生的能量損失；收縮水流再次經過其他涉水建筑物時發生擴散產生的能量損失。

3 橋墩壅水計算與影響分析中HEC-RAS模型的應用

3.1 工程概況

柿子塘1#大橋屬于云南省永平縣至昌寧縣高速公路的重要節點工程，大橋位于云南省大理州永平縣境內的銀江河上，該河流屬瀾滄江左岸一級支流永平大河的中上游，橋位處河段順直，上游120m、下游130m處均有急彎，該河段河寬約20m，呈寬淺“U”型。柿子塘1#大橋全長216.08m，上部結構采用7m×30m預制預應力混凝土T梁，先簡支后連續，單孔最大跨徑30m，下部結構橋墩采用柱式墩。其中左幅、右幅5#橋墩均位于銀江河河道內，大橋設計洪水標準100a一遇，最低梁底板高程為1531.17m，河道自身防洪標準為10a一遇。

3.2 HEC-RAS模型的斷面布置原則

基于HEC-RAS平臺構建橋梁模型，為保證壅水計算結果的精確性，最少要設置4個斷面。具體布置方式如下：在跨河橋梁工程的下游、上游“足夠遠”的位置處，布設2個斷面，標記①和④，在這2個斷面處，要求水流不會受到橋墩壅水的影響，斷面水流平穩。然后在跨河橋梁工程的下游、上游“比較近”的位置處(如路堤的堤趾處)，對稱布置2個斷面，標記為②和③，用來反映鄰近橋止上、下游的斷面情況(天然地面線)。計算斷面根據防洪評價要求及河道變化情況布設，各河段間盡量控制落差變化不大，在有橋梁、水壩、閘門等阻水建筑物處增設斷面，上述4個斷面的布置如圖1所示。

圖1 HEC-RAS橋梁計算中斷面位置示意圖

在開展實地勘測的基礎上，以橋梁所在位置為基準，選取長度為588m的河段，進行斷面設置和壅水計算。柿子塘1#大橋的計算斷面采用2021年6月實際測量斷面，共布設10個斷面(橋位介于5#～7#斷面之間)，河道地形如圖2所示。

圖2 橋位處銀江河地形及斷面位置示意圖

3.3 HEC-RAS模型的參數設置

利用HEC-RAS模型進行壅水計算時，必須考慮因為橋墩壅水帶來的能量損失。除了斷面水深、流速等因素外，糙率和斷面收縮或擴張系數也是影響能量損失的2項重要因素。在參數設置中，糙率可通過斷面測量數據、洪水水面線等求得，斷面收縮或擴張系數C值可根據表1提供的取值標準加以選擇。在本工程中，根據實地測量成果并結合相關規范，橋梁所在河段糙率取值范圍為0.035～0.042之間，計算時以0.01m作為“尖滅”條件推求壅水長度。

表1 斷面擴張或收縮系數C值

3.4 模型計算結果

3.4.1各斷面設計洪水

根據水文分析成果，在銀江河干流上設置新城水文站，實測洪峰流量。依照流域洪水特性，按面積暴雨修正法，即流域面積比的2/3次方和流域平均最大1日降水量比把新城水文站洪峰流量修正移置到橋梁控制斷面，推算出不同頻率下的設計洪水，成果見表2。

表2 橋梁設計洪水成果表

3.4.2起推斷面水位

橋梁涉及河段水面線起推斷面為10#斷面，根據水文分析計算，起推斷面水位流量關系成果見表3。

表3 起推斷面流量水位關系

3.4.3橋墩壅水計算

在HEC-RAS模型中，分別輸入該橋梁工程的地形、水文等邊界約束條件，然后選擇“恒定流”計算模式，求得該工程建橋前后所在河段的水面線。對于本橋梁工程，分別選擇橋梁設計標準100a一遇(1%)和河道防洪標準10a一遇(10%)2種頻率進行分析計算，計算成果見表4。

表4 建橋前后河段水面線變化情況 單位：m

從表4中可知，該橋梁工程建成后，左幅、右幅5#橋墩100a一遇洪水位最大壅高為0.06、0.05m，壅水長度為242m；10a一遇洪水位最大壅高為0.02、0.01m，壅水長度為142m。

在HEC-RAS得到的橫斷面三維透視圖如圖3所示。

3.5 橋墩壅水影響分析

由于橋梁工程的部分橋墩布設在河道內，占用河道行洪斷面，降低河道泄洪能力，致使橋墩會形成一定的阻水，洪水位較建橋前有壅高。如果壅高較大，會導致河道發生洪水時，水流減緩，水位升高，嚴重時會導致洪水溢出河道，淹沒河道兩側的農田、村莊。通過對本橋梁工程的壅水計算，橋梁建成后，當發生100a一遇、10a一遇洪水時，左幅5#橋墩最大壅高為0.06、0.02m，壅高后洪水位為1524.57和1523.16m；右幅5#橋墩最大壅高為0.05、0.01m，壅高后洪水位為1524.55和1523.12m。而根據設計資料，橋梁梁底板最低高程為1531.17m，高于相應標準的設計洪水位6.6～8.05m之間。根據JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規范》，在不通航或無流放木筏河流上及通航河流的補通航橋孔內，橋下凈空不應小于相關規定：銀江河屬于非通航河道，洪水期有大漂流物，橋梁梁底高程應至少高出設計洪水位1.5m。

圖3 柿子塘1#大橋橫斷面三維透視圖

根據前述分析結論，說明銀江河發生100a一遇或10a一遇洪水行洪時，橋梁的梁體結構設置滿足規范凈空高度要求，對橋梁自身的安全運行影響較小。同時橋梁建成后，壅水高度及長度均較小，對河道行洪安全產生的影響也較小。

3.6 橋墩壅水計算中常見問題的處理

在使用HEC-RAS模型計算水面線時，可能會因為斷面數量太少、河流水深不夠等因素的影響，導致壅水計算結果的準確性不足，分析結果的可借鑒價值也會受到干擾。因此，在應用HEC-RAS模型時，對于常見的一些問題也要采取針對性的解決方法予以處理。以堰流流量系數選擇不合理為例，堰流類型可根據堰壁厚度(M)與堰上水頭(H)比值的大小，分成3種類型。例如M/H≤0.7的，為薄壁堰流;M/H>10的，為明渠流；居于兩者之間的，為寬頂堰流。堰流流量系數選擇不當，會出現下游水位高于上游水位的情況，對壅水影響分析產生干擾。為避免此類問題，可以使用曲線形溢洪道輸入設計堰上水頭以及堰高反算堰流系數的方式，計算出合適的堰流流量系數。除此之外，像河道水流流態、河道水深等因素，也是在使用HEC-RAS模型計算壅水時要注意的影響因素。

4 結語

文章結合工程實例驗證了HEC-RAS模型在橋段壅水計算中的應用優勢，經驗表明在科學設置斷面、合理選擇參數的基礎上，可以較為精確地得出各斷面在不同防洪標準下的水位變化情況，提高了影響分析的參考價值。由于受到現場環境、作業條件的影響，分析中沒有考慮水流流態、堰流流量系數等因素對壅水計算的影響。在今后使用HEC-RAS模型進行壅水計算與分析時，還應綜合考慮水深、水流流態等因素，進一步提高壅水計算結果和影響分析的可信度，為跨河橋梁工程的設計提供參考。