基于HEC—RAS的断密涧河尹庄村段水面线分析

秦永泰

摘要： 为了保障断密涧河（尹庄村段）治理工程的顺利实施，根据工程特性和流域水文特征，应用HEC-RAS水力模型，对设计洪水条件下的河道水面线进行了模拟分析。结果表明：HEC-RAS软件能够较好得模拟出设计河道水面线，并通过有关图表给出各涉河建筑物的阻水影响范围，其中改建的交通桥和现有彩虹桥需要采取一定的工程措施增加其过流能力，方可保证断密涧河的行洪安全。

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.

关键词： HEC-RAS；水面线；河道治理；断密涧河

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

中图分类号：TV85 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）13-0094-03

0 引言

我国降水时空分布差异化明显，降水主要集中在汛期，并多形成暴雨型洪水，给人民生命财产造成不同程度的损失[1-2]，加快防洪能力落后的中小河流治理势在必行。然而，推求水面线是中小河流治理工程的基础工作，不仅影响到工程造价和建设规模，而且直接关系到工程周边人民群众的生命财产安全，因此在工程设计中应当科学合理地确定水面线，保证河道行洪安全。

目前，有關推求水面线的方法包括逐段试算法、直接逐步法和图解法等传统方法[3]，以及较为先进的MIKE、HEC-RAS、SOBEK等水力计算模型[4-6]，其中HEC-RAS软件功能强大，使用方便，近年来已广泛应用于水利水电工程领域[7-11]。本文基于HEC-RAS模型对河道水面线进行研究。

1 HEC-RAS简介

HEC-RAS（The Hydrologic Engineering Center developed the River Analysis System，简称HEC-RAS）是由美国陆军工程师兵团水文工程中心开发的一款河流水力分析系统，适用于恒定流、 非恒定流、水质分析和泥沙输移计算，可对混合流、急流、缓流等多种流态进行模拟[12]，并可通过HEC-GeoRAS从DEM图件获取相关的地形、河流、横断面、糙率等地理空间数据，以提高数据预处理效率[13]。

HEC-RAS在洪水流量水位推算、河道水面线推算、涉水建筑物影响分析（库坝、跌水、溢洪道、泵站、桥涵等）、洪水淹没区分析、桥梁阻水和局部冲刷分析和河流水质演进分析等领域均有应用，同时可根据需要生成水位-流量关系图、水位流量过程线、纵横大断面图和水面线计算成果表等各种图表。

1.1 恒定流

2 工程实例应用

断密涧河发源于卢氏县杜关镇石桥沟村，属黄河二级支流，于下游从灵宝市区穿过，流域面积162km2，河道全长49km，平均比降为1.49%。本研究主要涉及断密涧河尹庄村段，河道全长约1.2km。

2.1 工程概况

该工程位于河南省灵宝市城区，河段范围为陇海线铁路桥上游50m处（0-050）至长安路彩虹桥下游73m处（1+205.5）。工程河段上下游段均完成了两岸拆迁及河道治理工程，而本河段尚未治理，且原有堤防堤距窄、质量差、多被洪水冲毁，加之河道内违章建筑，生产、生活垃圾乱堆，荒滩裸露，杂草丛生，不仅与上下游河道景观很不协调，而且在一定程度上降低了河道的防洪能力。

断密涧河（尹庄村段）治理工程分为河道部分和水工建筑物部分，其中河道部分总长1255m，河床底宽55m，河床两侧采用M10浆砌石防冲基础，基础宽1m，埋深2.5m；蓄水面以下采用C25混凝土护坡并预留0.5m安全超高，蓄水面以上为混凝土连锁护砌的生态护坡，坡比1：2，护坡高度随河道地形介于1.6～4.5m之间。护坡上接L型防浪墙，墙顶高程高于护坡1m；防浪墙背水侧为人行步道，低于防浪墙顶0.5m。顺水流方向布设的水工建筑物依次为拦砂坝及其消力池、交通桥、1#漫水桥、2#漫水桥和1～3#橡胶坝及其消力池。

2.2 模拟分析

2.2.1 工程模型的构建

新建工程文件，导入通过ArcGIS软件中Geo-RAS模块提取的河道桩号、横断面、各涉水建筑物等平面数据，并根据横断面和各涉水建筑物的工程设计参数建立相应模型，生成河道治理工程布置图，见图1。

2.2.2 水力参数的选取

根据《防洪标准》（GB50201—2014）和《灵宝市城市总体规划（2003～2020年）》，该治理工程的防洪标准为50年一遇，设计洪峰流量为776m3/s。由于设计的河道为规则的梯形断面，河底为砂卵砾石，两侧为坡度较陡的混凝土护坡和混凝土连锁护砌的生态护坡，主河槽和两侧的糙率分别为0.035和0.017，相邻断面的收缩系数和扩张系数分别取0.1和0.3。

本河道设计比降为0.01，在各涉水建筑物回水影响区域内为缓流，其他区域为急流，模拟时采用混合流态，边界条件为临界水深。

2.3 模拟成果与分析

通过模拟计算，设计条件下的河道水面线计算成果见表1和图2。由图2可知，在50年一遇设计洪水条件下，治理河段的堤防设计高度均满足要求，陇海铁路桥可以安全行洪，然而交通桥和彩虹桥由于受到自身桥墩、下游跌水和漫水桥的阻水作用，交通橋基本满足行洪要求，彩虹桥有洪水漫桥的危险（见图3），这将对桥梁周边及其下游的防洪产生安全隐患。

因此，需要采取增加过水断面、削弱涉水建筑物阻水影响和拆除桥梁重建等措施提高交通桥和彩虹桥处的过水能力，确保洪水顺利泄流。

3 结语

根据断密涧河（尹庄村段）设计河道水面线模拟结果可知：HEC-RAS软件可以模拟出设计洪水条件下的完整水面线，并可通过有关图表圈定各涉水建筑物的壅水范围以及河道的行洪效果；治理河道的设计堤防满足行洪要求，但由于桥墩和漫水桥的阻水影响，交通桥和彩虹桥上游水位壅高，严重威胁到两岸的防洪安全，应采取必要的工程措施增加其行洪能力，这对段密涧河的防洪建设具有重要的指导意义。同时，由于HEC-RAS软件无法对模拟结果进行验证校核，故本研究结果有待其他方法来进一步验证，以提高模拟结果的可靠性。

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