HEC-RAS軟件在橋梁壅水計算中的應用

李利娟陳 懷

（1.郴州市水利水電勘察設計研究院有限公司，湖南 郴州 423000；2.長沙博鴻水資源管理有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

為了掌握新建橋梁工程對水位壅高的影響及范圍，據《河道管理條例》及《河道管理范圍內建設項目管理的有關規定》等有關法律法規要求，對占用河道斷面的新建橋梁應進行壅水計算。橋梁等阻水建筑物的壅水計算除經驗公式外，也可通過HEC-RAS軟件采用能量守恒方程、動量守恒法及美國的WSPRO等方法計算。本文從HEC-RAS軟件計算原理出發，對其在橋梁壅水計算中的應用進行論述。

1 HEC-RAS軟件計算原理

HEC-RAS是美國陸軍工程兵團水文工程中心開發的水力計算軟件包，適用于穩定和非穩定流的水力計算，功能強大，可進行各種涉水建筑物（如堰、橋梁、防洪堤、涵洞、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及復式河道三維斷面圖、水位過程曲線等各種分析圖表，使用起來十分方便簡捷。HEC-RAS基本方程根據能量守恒定律推導，即：

式中：Z2、Z1——上、下斷面河底高程；

Y2、Y1——上、下斷面水深；

V2、V1——上、下斷面流速；

α2、α1——動能校正系數；

g——重力加速度；

he——阻水造成的水頭損失。

阻水造成的水頭損失he包括局部損失與摩阻損失兩部分，由下列公式計算：

式中：L——加權長度；

C——收縮、擴張系數。

流量加權長度L采用下列公式計算∶

式中：Llob,Qlob——為南岸灘地距離與流量；

Lch,Qch——為主河道距離與流量；

Lrob,Qrob——為北岸灘地距離與流量。

摩阻坡度Sf計算公式：

HEC-RAS把橋梁在河道中的能量損失分為三部分，分別為橋上游收縮段的能量損失、橋墩本身造成的能量損失和下游擴散段的能量損失[1-2]。因此，在計算橋梁的壅水時，HEC-RAS軟件中需要4個斷面才能建立一個完整橋梁模型，如圖1所示。各斷面位置布設原則為：（1）1號斷面布設在橋下游擴散消失的地方，保證水流不受橋的影響；（2）2號斷面布設在橋下游，一般布設在接近橋梁邊緣的地方，主要用來反映橋下游斷面的擴散情況；（3）3號斷面和2號斷面類似，布設在橋的上游，主要反映鄰近橋上游的斷面收縮情況；（4）4號斷面布設在橋上游不受橋梁收縮影響處，保證該斷面水流基本平穩。

圖1 橋梁斷面布設圖

2 實例計算

2.1 工程概況

嘉禾縣老麻地大橋布置在湘江一級支流舂陵水處。橋梁全長207.08m，寬9.0m，為簡支梁結構，橋墩采用雙柱式橋墩，D150cm鉆孔灌注樁，橋梁與舂陵江正交。老麻地大橋工程自身按100年一遇洪水標準進行防洪評價，對受其影響河段按50年一遇洪水標準進行防洪評價。橋梁處100年一遇（P=1.0%）洪峰流量為2510m3/s，50年一遇（P=2.0%）洪峰流量為2220m3/s。

2.2 基本資料

老麻地大橋處河段基本順直，河底高程隨著水流方向變化平緩，一般采用洪峰值來計算橋梁阻水。2016年對老麻地大橋進行了實地勘測，在700m長段共設置11個斷面，3號斷面為橋址斷面。老麻地大橋河段比降為1.2‰，估算壅水范圍為300.0m，因此所取上邊界條件：11號斷面為上游邊界，距離橋址斷面上游約480m，且此處河道順直且不受橋墩壅水影響；下邊界條件：邊界選取距橋址斷面下游約220.0m處的1號斷面[3]。

2.3 計算結果

輸入各斷面及橋梁測量參數、流量及起始水位等邊界條件后，用恒定流計算分別計算建橋前后的水面線，計算結果見表1。

從表1可知，50年一遇洪水時，最大壅高值為0.11m，100年一遇洪水的最大壅高為0.15m。8號斷面為50年一遇的水面線的尖滅點，壅水長度為270m；9號斷面為100年一遇的水面線的尖滅點，壅水長度320.0m。

表1 建橋前后水面線計算結果

3 經驗公式計算壅高及壅水范圍

3.1 壅高計算方法（經驗公式）

根據老麻地大橋工程的設計方案，計算設計洪水位下橋梁阻水面積和阻水總寬。根據河道斷面形狀，結合橋址河段上下游地形，確定設計洪水位下實際過水面積及水面寬，得到建橋后過水面積和水面寬。計算結果見表2。

表2 老麻地大橋工程阻水要素統計表

阻水建筑物水位壅高的計算公式中，下列三個經驗公式在湖南省應用較廣泛，比較符合湖南省河道水流特征。該工程采用這三個經驗公式計算老麻地大橋的阻水影響。

（1）公式一（道布松公式）

式中：α——動能校正系數，取α=1.1；

ε——收縮系數，一般取0.85—0.95(本次取0.95)；

B——天然水面寬；

V——工程前斷面流速；

h——工程前斷面水深；

Δh——最大壅水高度；

∑b——工程后過水斷面總寬，一般為河寬減去橋墩總寬；

Δz——壅高值。采用試算法計算。

（2）公式二（道布松公式）

式中：Q——流量；

ζ——系數，當水流紊動作用較大時取ζ=0.10，否則取ζ=0.05(本次取0.10)。

其余符號與公式（6）意義相同。

（3）公式三（《鐵路工程水文勘測設計規范》中公式）

式中：η——經驗系數，本次取0.05；

根據上述經驗公式對老麻地大橋各設計洪水進行阻水壅高計算，計算結果見表3。

表3 老麻地大橋壅水計算結果

3.2 壅長計算方法（經驗公式）

橋梁建成后，使上下游河段水流流態發生了變化，其壅水范圍由橋梁的阻水率決定，根據前述計算橋梁阻水壅高值，用經驗公式推求壅水長度。壅水長度計算采用公式：

式中：L——橋前壅水范圍；

ΔZ——橋前最大壅水高度；

S——天然水面比降，采用洪調比降與嘉禾水文站實測比降綜合確定。因此根據公式計算，100年一遇的壅水長度為285.0m，50年一遇的壅水長度為220.0m。

4 結束語

本文通過HEC-RAS軟件計算了郴州市嘉禾縣老麻地大橋壅水高度及長度，并把計算結果與相關經驗公式進行對比，得出以下結論：

（1）在相同洪峰流量、水位等水文條件下，HEC—RAS計算得到的最大壅高與經驗公式平均值相比：在50年一遇洪峰時，壅高相差0.02m；在100年一遇洪峰時，壅高相差0.02m；因此壅高計算結果相差不大。在頻率2.0%時，壅水長度相差50.0m；在頻率1.0%時，壅水長度相差35.0m；兩種頻率下，壅水長度相差都較大。

（2）HEC-RAS軟件通過由下而上推算橋址處水位，因此對斷面資料要求高，同時應盡可能地多布設斷面，提高計算結果的精確度。而規范公式中的水位由橋址處的水位流量關系曲線再加橋墩的阻水要素推算得出。這兩種方法得出的最大壅高值不一定相同，但是相差不大。然而，壅水范圍在經驗公式和HEC-RAS軟件中計算結果相差較大，因此需要根據實際情況加以運用[4]。

（3）通過使用發現，HEC-RAS軟件在橋梁阻水計算中運用簡便、效率高，且壅高計算結果與其他經驗公式的計算結果相差不大，因此HEC-RAS軟件可以廣泛應用到橋梁壅水計算中。