HEC-RAS在柳川河二期工程水力计算中的应用

张昭，倪立萍，张晓鹏

（1.河北省灌排供水技术服务总站，河北石家庄 050011；2.石家庄学院，河北石家庄 050035；3.河北省水利水电第二勘测设计研究院，河北石家庄 050021）

HEC-RAS在柳川河二期工程水力计算中的应用

张昭1，倪立萍2，张晓鹏3

（1.河北省灌排供水技术服务总站，河北石家庄 050011；2.石家庄学院，河北石家庄 050035；3.河北省水利水电第二勘测设计研究院，河北石家庄 050021）

介绍了HEC-RAS的主要功能，针对柳川河的现状，利用该软件进行河道与交叉建筑物联合建模、洪水因子输入、流态选择。通过计算比对验证了软件建立桥梁模型的可靠性，通过分析结果数据中的水力要素，确定了河道防护措施，保障了河道行洪安全。

HEC-RAS建模；桥梁模型；过水能力；河道行洪；安全

1 软件介绍

HEC-RAS是由美国陆军工程兵团水文工程中心开发的水面线计算软件，适用于河道稳定和非稳定流一维水力计算，包括洪水调度分析、河道水面线计算、涉水建筑物阻水分析、动床输沙模拟、闸门及水泵启闭模拟、水质分析等功能。由于其适用范围广、数据处理分析能力强、操作简便，近些年被广泛应用于水利工程的规划和设计中。

2 工程应用

2.1 河道现状

柳川河是张家口市宣化区的一条重要河流，属洋河支流，发源于崇礼县南部。河道全长60.2km，平均坡度6.4‰，流域面积428.2km2，河道宽56.0m～220.0m。柳川河治理二期工程起始于一期工程末端（桩号2+465），至柳川河入洋河口（桩号4+290）结束，长1.83km。由于长期断流，河道内杂草丛生、违建挤占，并堆积了大量的建筑、生活垃圾，降低了河道的过流能力［2］。治理段河道上现有京包铁路桥（桩号3+000）和洋河左堤桥（桩号4+224），其中京包铁路桥为梁式双向双桥，轴线与河道正交，两桥顺水流向净距10m。单桥全长90m，共9孔，单孔净跨8.5m，梁底高程605.14m。桥墩为尖端重力式结构，轴向与流向平行，长4.8m，宽1.7m。洋河左堤桥轴线与河道夹角60°，上部采用7×25m预应力混凝土箱梁，梁底高程604.95m，下部采用柱式墩、台，墩径1.3m，墩位横向距6m，轴线与流向平行。由于京包铁路桥修建年代久远，现状防洪标准不足50年一遇，给城市防洪安全带来隐患。洋河左堤桥防洪标准较高，为100年一遇。

2.2 工程布置

柳川河治理二期工程防洪标准为50年一遇，工程等别II等，堤防等级2级，橡胶坝等级2级。桩号2+ 465～3+155段为单式断面，河宽75.0m～90.0m，纵坡0.14%～0.67%，桩号3+155～4+065段复式梯形断面，槽底宽90.0m～153.0m，纵坡0.42%～0.67%，桩号4+ 065～4+290段采用单式梯形断面，底宽135m，纵坡0.19%，边坡坡比1∶3。在桩号2+920、3+500、4+065处布置3号、4号和5号橡胶坝，3号、4号坝高分别为2.0m和2.5m，坝长均为90m，5号坝高3.0m，坝长135m，橡胶坝的蓄水深度0.65～3.0m。

在桩号2+695处新建通用大桥，轴线与河道正交，结构型式为4×23.5m预应力混凝土箱梁和柱式墩台，梁底高程608.05m，墩径1.5m，墩横距5.6m，桥墩横轴与流向平行。

2.3 HEC-RAS应用

HEC-RAS推算河道恒定流水面线基于能量方程［1］：

式中Z1、Z2为主河道高程；Y1、Y2为断面水深；V1、V2为平均流速；a1、a2为流速系数；g为重力加速度；he为水头损失。

2.3.1 河道建模

在几何模型中输入河道桩号，断面起点距、高程，断面间滩距、槽距和糙率［3］。由于受洋河洪水顶托，左堤桥处洪水流速较低，且桥型有利于过水，产生的水头损失小，可将桥净断面加入河道断面序列，一起建模；通用大桥处受铁路桥回水影响，与左堤桥同理，将桥河归并；橡胶坝过洪时塌坝运行，垂直和侧向收缩较小，可在坝进出口各设一个断面，输入坝底高程、长度指标和收缩、扩散系数，用于计算局部损失。

2.3.2 桥梁建模

由于两桥距离较近，可合并建模，即形成长90m、宽16.6m的单桥，并建立桥面系、桥墩的实体单元，桥台连接堤边坡1∶3，堰流系数设为2.8。在桥上下游10m的断面处设置无效流动区，在边墩处建立三角单元模拟翼墙，以保证水面线的计算准确。

2.3.3 洪水因子输入

柳川河50年一遇设计洪峰流量574m3/s，下游出口水位采用洋河同频洪水位603.01m，将流量和水位作为已知条件输入最下游断面（1号断面）。

2.3.4 水面线分析程序选择

HEC-RAS恒定流分析程序提供了缓流、急流、混合流3种流态。根据工程特性，选择自下游向上游逐段推求的缓流模式。

2.3.5 成果输出

结果文件以图、表形式输出，项目包括设计水位、总能头、临界水位、临界底坡、设计流速、过水面积和弗汝德数等水力要素。

表2 河道水力要素输出表

2.3.6 建筑物过水能力验证

京包铁路桥壅水高1.43m，其成果的可靠性将极大影响工程的布置和投资，需对桥的过流能力进行验证分析。

按照SL265—2001《水闸设计规范》附录A计算：

（1）判别水流状态：因为he/H=1.84/3.05=0.603< 0.650，所以属于孔流，按平底闸孔出流公式计算流量，其中he为桥洞净高，H为上游水深。

（2）根据桥洞高度、梁底形状、上游水深等计算孔流垂直收缩系数0.83，流量系数0.54，跃前水深1.53m。

（3）试算法求解流量：假定初始流量，并根据跃前水深计算跃后水深，由上下游水深和跃后水深确定淹没系数，在流量公式中代入上下游水深、淹没系数、流量系数、桥洞总净宽，将推求的流量与初始流量比对，误差小于1%时计算终止，若大于1%，则重新假定流量，进入下一步迭代计算。

最终计算流量578m3/s，与设计流量574m3/s非常接近，由此验证了HEC-RAS在铁路桥过流能力计算上的可靠性。

2.3.7 成果分析

由计算成果分析，受洋河高水位制约，柳川河排水不畅，河道回水距离790m，末端位于4号橡胶坝，此段河道两岸筑堤高度较大，考虑景观因素，堤身以复式断面为主；由于流速较小，仅对主槽及岸坡坡脚采用格宾网石笼防护。京包铁路桥上游水位已超过梁底高程，桥洞闷孔造成洪水下泄不畅，将增加上游两岸筑堤高度，同时加大了通用大桥与两岸已建道路连通的难度，投资规模也会提高；桥的上、下游约500m范围内的流速较大，在桥洞内水流流态紊乱，易造成冲刷，工程采用格宾网石笼、混凝土、浆砌石等抗冲材料对该河段进行全断面防护。

3 结语

HEC-RAS软件的一维水力模拟分析功能强大，可将河道与交叉建筑物一起建模，避免了水面线逐级推求的繁琐过程；对于长距离、坡度较陡且变化剧烈的河道，经过合理的模型输入和计算模式选择，推出的水面线完整，精度较高，不会发生中断，为后续分析创造了条件；软件丰富的输出形式和纠错功能可帮助设计人员整理数据，为工程的优化设计提供技术支持。

［1］Gary W Brunner.HEC-RAS River Analysis SystemHydraulic Reference Manual（Version 4.1）［M］.U.S.Army Corps of Engineers，Institute For Water Resources，Hydrologic Engineering Center，Davis，California，2010:2-1～2-21.

［2］张昭.张家口市宣化区柳川河水环境综合治理二期工程项目建议书［R］.河北天和咨询有限公司，2011.

［3］John C Warner，Gary W Brunner，Brent C Wolfe，et al. HEC-RAS River Analysis System Applications Guide Version 4.1［M］.U.S.Army Corps of Engineers，Institute For Water Resources，Hydrologic Engineering Center，Davis，California，2010:1-1～1-10.

Application of Hec-Ras in Liuchuan River Project PhaseⅡHydraulic Computation

ZHANG Zhao1，NI Li-ping2，ZHANG Xiao-peng3
（1.The Head Station for Irrigation，Drainage and Water Supply Techniques Service of Hebei Province，Shijiazhuang 050011，China；2.Shijiazhuang University，Shijiazhuang 050035，China；3.The Second Design and Research Institute of Water Conservancy and Hydropower of Hebei Province，Shijiazhuang 050021，China）

The paper introduces the major function of Hec-Ras.In the light of Liuchuan River’s current status,the Hec-Ras is used to model river and crossing structure,input flood factors and choose flow regime.Via the calculation and comparison,the reliability of bridge modeling by Hec-Ras is validated,based on the analysis of hydraulic elements in result files,the river’s protective measures is confirmed and the safety of the river is guaranteed during flood.

HEC-RASmodeling；bridge model；discharge capacity；river discharge；safety

TV222

A

1672-9900（2013）01-0038-03

2012-12-28

张昭（1982-），男（汉族），河北石家庄人，工程师，主要从事水工结构方面的研究，（Tel）13398610390。