基于HEC-RAS的东风渠总干渠承载力分析

周伍光，马悦，谭唯薇

(1.四川省都江堰东风渠管理处，成都，610051；2.中水君信工程勘察设计有限公司，成都，610074)

根据《成都市实施“东进”战略水资源保障专项规划》，东风渠总干渠输供水能力直接影响“东进”[1-3]各城市用水保障，对总干渠输供水承载力进行分析研究是非常必要和迫切的。多数研究渠道的供水能力是通过公式直接计算过流量[4-7]，仅选取其中有代表性的渠段进行研究，无法反映整个工程的运作情况。对于实际工程中长渠道的输供水能力研究计算繁复、工作量大。随着计算机技术的发展，数学模型被越来越多地应用于实际工程中。其中HEC-RAS被广泛应用于模拟河流、渠道以及其他水体的一维水面线推算，均能获得较好的计算成果[8-11]。以东风渠总干渠的输供水能力计算为例，介绍HEC-RAS模型在渠道运行状况评价中的应用，从而较直观地确立渠道的整治重点，为渠道的整治提供切实可行的解决方案。

1 研究区概况及数据来源

东风渠总干灌区为东风渠1-4期，主要干渠包括以输水为主的总干渠和新南干渠以及以灌溉供水为主的北干渠、东干渠、老南干渠和眉彭干渠。设计灌溉面积7.38万hm2，其中田5.27万hm2，土2.05万hm2，涉及成都市郫都区、新都区、金牛区、成华区、龙泉驿区、双流区以及眉山市彭山区、东坡区和仁寿县。

东风渠总干渠承担了向龙泉山及黑龙滩灌区的输供水任务。作为东风渠管理处的重要输供水通道，输供水承载力直接影响着东风渠五期和六期灌区用水保障。结合东风渠管理处实际需求，确定研究范围为东风渠总干渠，总长54.3km。其取水枢纽在进水枢纽闸(府河闸)左岸取水，始建于1956年10月，至1957年一季度建成通水，原进口设计流量30m3/s。1972年对东风渠总干渠进行了扩建，进口设计流量80m3/s。总干渠沿渠共有分干渠4条，支渠10条，渡槽2座，涵洞61座，泄水闸9座。东风渠总干渠在末端罗家河坝年均向龙泉山灌区输水约3.0亿m3。

2 计算模型

渠道水面线的推求是河道规划与设计中非常重要的基础工作，目前经常使用的水面线计算软件包括MIKE[12-14]、FLUENT[15-17]、HEC-RAS等。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包，适用于河道稳定和非稳定流一维水力计算，其功能强大，可进行各种涉水建筑物(如桥梁、涵洞、防洪堤、堰、水库、块状阻水建筑物等)的水面线分析计算。同时可生成横断面形态图、流量及水位过程曲线、复式河道三维断面图等各种分析图表，使用起来十分便捷。文章采用HEC-RAS来进行分析。

2.1 HEC-RAS模型介绍

HEC-RAS的全称是Hydrologic Engineering Center-River Analysis System，是针对一维恒定及非恒定流的水力模型，其主要用于明渠河道流动分析[18]以及洪泛平原区域[19-20]的确定。模型的主要功能有恒定与非恒定流的模拟[21-22]、可动边界的泥沙输移计算[23]。

(1)河道水面线采用河道恒定非均匀流水面线方程式，公式为：

(1)

式中：Z1、Z2分别为上、下断面的水位(m)；L为上、下断面间的河段长度(m)；V1、V2分别为上、下断面的平均水流速度(m/s)；R1、R2分别为上、下断面的水力半径；ξ为河道扩散及收缩的水头损失系数；g为重力加速度。

(2)桥墩的壅水高度计算[24]是应用宽顶堰淹没流变换公式来计算的：

(2)

式中：ξ为侧限收缩系数，a为断面流速的不均匀系数；W0为天然断面面积(m2)；W为桥涵净过水面积(m2)；Q为过水流量(m3/s)；△Z为桥上游、下游水位落差(m)。

2.2 地形与断面

为计算东风渠总干渠设计水面线，我单位实测了1∶2000河道带状地形图和1∶1000纵横断面图。其中布设271个断面，渠道长54.3km，平均间距200m。各实测大断面包括了明渠和渡槽、暗涵和隧洞测量进出口断面控制。水下地形采用充气船安装水下测深仪测量，涉河建筑物测量立视图，反应墩柱尺寸、拱肋形态及桥底板高程等要素。

2.3 计算工况

根据调查，东风渠总干进口近两年来实际最大输供水流量均在65m3/s左右，均发生在8月，该时期内总干渠灌区用水量较小，主要功能为向下游供区输水，渠道流量相对稳定，可以认为渠道两岸的水痕即为进口段65m3/s下的水面线。龙泉第二水厂在麻石桥枢纽取水，已成设计规模为25万m3/d，最大取水流量为3.4m3/s。麻石桥位于总干39km处，除龙泉第二水厂取水之外，麻石桥以上考虑10%的零星取水及输水损失，则麻石桥以下渠段水痕对应流量可以概化为55m3/s，麻石桥以上概化为65m3/s。以此流量分段进行总干渠设计水面线的模拟，通过逐断面调整糙率以拟合设计水面线和实测水痕，对于拟合后的各断面糙率即可认为是天然情况下的合理糙率，据此再计算总干渠设计工况和校核工况下的设计水面线。综上，本次水面线计算工况可分为如下2种：

第1种工况(设计工况)：总干渠全段按设计流量输入，即进口段-南北闸为80m3/s，南北闸-麻石桥70m3/s，麻石桥-团结闸65m3/s，团结闸-罗家河坝60m3/s。

第2种工况(校核工况)：总干渠全段按校核流量输入，即进口段-南北闸为90m3/s，南北闸-麻石桥80m3/s，麻石桥-团结闸75m3/s，团结闸-罗家河坝70m3/s。

2.4 糙率的选择

根据东风渠管理处提供资料记载，总干渠续建配套设计时计算采用的糙率值为0.018。东风渠总干渠是人工渠道，且渠堤已硬化，历年运行水位相对稳定，在渠岸上有明显的水痕。本次在计算第一种工况时，初始采用糙率值为0.018，根据初算结果与各断面实测水痕对比分析，调整各断面糙率以拟合实测水痕，循环试算，最终确定合适的糙率[25]，以此进行第二种工况水面线计算。根据最终拟合后结果，各断面糙率值在0.016～0.021之间，该值是反映了断面现状情况下渠道淤积后的综合糙率值。

3 渠道水面线分析

根据东风渠管理处提供资料记载，东风渠总干设计时有设计流量和加大流量，总干渠续建配套设计时渠顶超高为0.95m。本次分析将总干渠设计流量下的工况称作“设计工况”，加大流量下的工况称作“校核工况”。由水面线计算成果得知，两种不同工况下，水面线高程均未超过渠顶高程，但均有不同程度的渠顶超高不足的现象。

3.1 设计工况计算结果

根据水面线计算成果，总干渠设计工况下渠顶高程均高于水位高程，仅存在衬砌渠坎至设计水面部分超高不足的问题。271个断面中，143个断面超高不足，其中左岸118个，右岸110个，合计渠道长度约28km，超高不足在金丰高架桥上游体现较为明显。点绘总干设计工况下左、右岸各断面所需增加超高变化曲线(见图1所示)。可以看出左岸超高不足段落主要集中在12km以前、16km～19km、20km～26km、29km～30km以及35km～39km；右岸超高不足段落主要集中在13km以前、16km～19km、21km～31km以及35km～39km。左右岸超高不足段落重叠较高，分析主要原因为历年运行以来的泥沙淤积所致。由于近年来为保障龙泉驿水厂取水需要，麻石桥(39km)以上几乎未进行有效的岁修和清淤，泥沙淤积非常严重，导致过流断面减少，渠道糙率增加，设计水面线进一步抬高，渠道过流能力下降，渠顶超高不足。

图1 设计工况下总干渠左/右岸所需增加超高统计

东风渠总干渠则可以正常进行岁修和清淤，在实施有效清淤工程后，总干渠设计水面线将会有所下降，可以认为仅从渠顶高程来看，总干渠设计工况下输供水承载力基本满足要求。

3.2 校核工况计算结果

校核工况下，271个断面中有76个断面路面高程不满足超高要求，其中左岸47个，右岸54个，合计渠道长度约15km。点绘总干校核工况下左、右岸以路面高程为控制各断面所需增加超高变化曲线(见图2所示)。可以看出左岸超高不足段落主要集中在3km～8km、29km～31km以及13km～25km中间的零星段落和罗家河坝以上；右岸超高不足段落主要集中在3km～10km、21km～23km、34km～36km以及45km～47km和罗家河坝以上段落。

图2 校核工况下总干渠左/右岸所需增加超高统计

总体来看东风渠总干校核工况下的设计水面线成果，渠顶普遍不满足超高要求。虽然随着总干渠有效的清淤工程的实施，可以有效降低渠道设计水面线，但考虑总干渠校核工况下大部分段落高程不满足要求，且差值较大，校核工况下渠道有较大的漫顶风险。因此，本次认为校核工况下总干渠输供水承载能力不满足要求。

4 结论

采用HEC-RAS计算软件进行渠道水面线分析成效显著，特别是在渠道糙率的拟合、断面的尺寸确定及护砌的选择设计中起到事半功倍的作用，软件计算方法对断面资料有较高要求，在条件允许的情况下应尽可能多设置断面，从而提高计算精度。通过软件构建了研究区域不同工况下水面线的数值模型，明确了超高不足的渠段，使得东风渠总干渠的整治工作更加有的放矢。同时在计算水面线的过程中，糙率的选取严重影响水面线的计算结果，因此在实际工程中要注重渠底及渠坡的衬砌并且及时清淤，以免造成水流拥堵导致渠水漫顶。