HEC-RAS模型在桥墩壅水计算中的应用

何家伟

(昆明龙慧工程设计咨询有限公司，云南 昆明 650000)

对于涉水建筑物来说，壅水计算和影响分析是2项密切关联、不可或缺的重要工作。根据计算与分析结果，如果壅水严重将会导致河道无法正常行洪，在遭遇特大洪水时很有可能引起洪涝灾害。因此，壅水计算和影响分析可以作为指导工程建设的重要依据，必须加以重视。目前常用的壅水计算方法有经验公式法、水力学模型法。HEC-RAS模型是一种典型的一维水动力模型，将其应用到桥墩壅水计算与影响分析中，具有断面布置灵活、参数设计简单、结果直观准确等一系列特点。实践表明，基于HEC-RAS模型的一维水力学计算模型相比于二维水力学计算模型具有边界约束条件少、计算工作量少等优势，相比于经验公式法具有结果精确度高等优势。因此，HEC-RAS模型在桥梁工程的壅水计算中得到了广泛应用。

1 桥墩壅水计算常用方法及其局限性

经验公式法是现阶段桥梁壅水计算中比较常用的方法之一，其应用优势在于计算过程中使用变量少，减轻了前期数据采集的工作量。例如，选择“道不松公式”计算壅水(ΔZ)：

(1)

2 HEC-RAS模型计算桥墩壅水的优势分析

针对经验公式法存在的上述问题，基于HEC-RSA模型的桥墩壅水计算方法能够有效避免，显著提高了结果精度。HEC-RAS软件桥梁模拟方法有能量平衡(伯努利方程)、动量平衡、Yarnell公式、WSPRO等4种计算方法，可根据实际条件选用不同的方法。该模型可考虑桥梁、涵洞、堰、溢洪道、堤防等水工建筑物对水面线分析计算的影响，该软件具有恒定流、非恒定流求解以及河道输沙演算。在桥墩壅水计算中，如果河道水流相对平稳、河槽宽而浅，发生大洪水时出现最大壅高，可选择洪峰流量作为恒定流，计算桥梁壅水。因此，选择基于HEC-RAS恒定流模型的壅水分析计算，可准确求解桥位处最大壅水高度和壅水范围。根据能量守恒定律，计算公式为：

(2)

式中，Z1、Z2—上下断面河底高程，m；Y1、Y2—上下断面水深，m；V1、V2—上下断面水流的平均流速，m/s；α1、α2—动能修正系数；g—重力加速度，m/s2；he—桥梁工程造成的能量损失，m。

根据桥梁工程的结构特点，能量损失主要来自2个方面：桥墩占用河道过水断面，导致上游水流收缩产生的能量损失；收缩水流再次经过其他涉水建筑物时发生扩散产生的能量损失。

3 桥墩壅水计算与影响分析中HEC-RAS模型的应用

3.1 工程概况

柿子塘1#大桥属于云南省永平县至昌宁县高速公路的重要节点工程，大桥位于云南省大理州永平县境内的银江河上，该河流属澜沧江左岸一级支流永平大河的中上游，桥位处河段顺直，上游120m、下游130m处均有急弯，该河段河宽约20m，呈宽浅“U”型。柿子塘1#大桥全长216.08m，上部结构采用7m×30m预制预应力混凝土T梁，先简支后连续，单孔最大跨径30m，下部结构桥墩采用柱式墩。其中左幅、右幅5#桥墩均位于银江河河道内，大桥设计洪水标准100a一遇，最低梁底板高程为1531.17m，河道自身防洪标准为10a一遇。

3.2 HEC-RAS模型的断面布置原则

基于HEC-RAS平台构建桥梁模型，为保证壅水计算结果的精确性，最少要设置4个断面。具体布置方式如下：在跨河桥梁工程的下游、上游“足够远”的位置处，布设2个断面，标记①和④，在这2个断面处，要求水流不会受到桥墩壅水的影响，断面水流平稳。然后在跨河桥梁工程的下游、上游“比较近”的位置处(如路堤的堤趾处)，对称布置2个断面，标记为②和③，用来反映邻近桥止上、下游的断面情况(天然地面线)。计算断面根据防洪评价要求及河道变化情况布设，各河段间尽量控制落差变化不大，在有桥梁、水坝、闸门等阻水建筑物处增设断面，上述4个断面的布置如图1所示。

图1 HEC-RAS桥梁计算中断面位置示意图

在开展实地勘测的基础上，以桥梁所在位置为基准，选取长度为588m的河段，进行断面设置和壅水计算。柿子塘1#大桥的计算断面采用2021年6月实际测量断面，共布设10个断面(桥位介于5#～7#断面之间)，河道地形如图2所示。

图2 桥位处银江河地形及断面位置示意图

3.3 HEC-RAS模型的参数设置

利用HEC-RAS模型进行壅水计算时，必须考虑因为桥墩壅水带来的能量损失。除了断面水深、流速等因素外，糙率和断面收缩或扩张系数也是影响能量损失的2项重要因素。在参数设置中，糙率可通过断面测量数据、洪水水面线等求得，断面收缩或扩张系数C值可根据表1提供的取值标准加以选择。在本工程中，根据实地测量成果并结合相关规范，桥梁所在河段糙率取值范围为0.035～0.042之间，计算时以0.01m作为“尖灭”条件推求壅水长度。

表1 断面扩张或收缩系数C值

3.4 模型计算结果

3.4.1各断面设计洪水

根据水文分析成果，在银江河干流上设置新城水文站，实测洪峰流量。依照流域洪水特性，按面积暴雨修正法，即流域面积比的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桥梁控制断面，推算出不同频率下的设计洪水，成果见表2。

表2 桥梁设计洪水成果表

3.4.2起推断面水位

桥梁涉及河段水面线起推断面为10#断面，根据水文分析计算，起推断面水位流量关系成果见表3。

表3 起推断面流量水位关系

3.4.3桥墩壅水计算

在HEC-RAS模型中，分别输入该桥梁工程的地形、水文等边界约束条件，然后选择“恒定流”计算模式，求得该工程建桥前后所在河段的水面线。对于本桥梁工程，分别选择桥梁设计标准100a一遇(1%)和河道防洪标准10a一遇(10%)2种频率进行分析计算，计算成果见表4。

表4 建桥前后河段水面线变化情况 单位：m

从表4中可知，该桥梁工程建成后，左幅、右幅5#桥墩100a一遇洪水位最大壅高为0.06、0.05m，壅水长度为242m；10a一遇洪水位最大壅高为0.02、0.01m，壅水长度为142m。

在HEC-RAS得到的横断面三维透视图如图3所示。

3.5 桥墩壅水影响分析

由于桥梁工程的部分桥墩布设在河道内，占用河道行洪断面，降低河道泄洪能力，致使桥墩会形成一定的阻水，洪水位较建桥前有壅高。如果壅高较大，会导致河道发生洪水时，水流减缓，水位升高，严重时会导致洪水溢出河道，淹没河道两侧的农田、村庄。通过对本桥梁工程的壅水计算，桥梁建成后，当发生100a一遇、10a一遇洪水时，左幅5#桥墩最大壅高为0.06、0.02m，壅高后洪水位为1524.57和1523.16m；右幅5#桥墩最大壅高为0.05、0.01m，壅高后洪水位为1524.55和1523.12m。而根据设计资料，桥梁梁底板最低高程为1531.17m，高于相应标准的设计洪水位6.6～8.05m之间。根据JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》，在不通航或无流放木筏河流上及通航河流的补通航桥孔内，桥下净空不应小于相关规定：银江河属于非通航河道，洪水期有大漂流物，桥梁梁底高程应至少高出设计洪水位1.5m。

图3 柿子塘1#大桥横断面三维透视图

根据前述分析结论，说明银江河发生100a一遇或10a一遇洪水行洪时，桥梁的梁体结构设置满足规范净空高度要求，对桥梁自身的安全运行影响较小。同时桥梁建成后，壅水高度及长度均较小，对河道行洪安全产生的影响也较小。

3.6 桥墩壅水计算中常见问题的处理

在使用HEC-RAS模型计算水面线时，可能会因为断面数量太少、河流水深不够等因素的影响，导致壅水计算结果的准确性不足，分析结果的可借鉴价值也会受到干扰。因此，在应用HEC-RAS模型时，对于常见的一些问题也要采取针对性的解决方法予以处理。以堰流流量系数选择不合理为例，堰流类型可根据堰壁厚度(M)与堰上水头(H)比值的大小，分成3种类型。例如M/H≤0.7的，为薄壁堰流;M/H>10的，为明渠流；居于两者之间的，为宽顶堰流。堰流流量系数选择不当，会出现下游水位高于上游水位的情况，对壅水影响分析产生干扰。为避免此类问题，可以使用曲线形溢洪道输入设计堰上水头以及堰高反算堰流系数的方式，计算出合适的堰流流量系数。除此之外，像河道水流流态、河道水深等因素，也是在使用HEC-RAS模型计算壅水时要注意的影响因素。

4 结语

文章结合工程实例验证了HEC-RAS模型在桥段壅水计算中的应用优势，经验表明在科学设置断面、合理选择参数的基础上，可以较为精确地得出各断面在不同防洪标准下的水位变化情况，提高了影响分析的参考价值。由于受到现场环境、作业条件的影响，分析中没有考虑水流流态、堰流流量系数等因素对壅水计算的影响。在今后使用HEC-RAS模型进行壅水计算与分析时，还应综合考虑水深、水流流态等因素，进一步提高壅水计算结果和影响分析的可信度，为跨河桥梁工程的设计提供参考。