HEC-RAS软件在桥梁壅水计算中的应用

李利娟陈 怀

（1.郴州市水利水电勘察设计研究院有限公司，湖南 郴州 423000；2.长沙博鸿水资源管理有限公司，湖南 长沙 410000）

0 引言

为了掌握新建桥梁工程对水位壅高的影响及范围，据《河道管理条例》及《河道管理范围内建设项目管理的有关规定》等有关法律法规要求，对占用河道断面的新建桥梁应进行壅水计算。桥梁等阻水建筑物的壅水计算除经验公式外，也可通过HEC-RAS软件采用能量守恒方程、动量守恒法及美国的WSPRO等方法计算。本文从HEC-RAS软件计算原理出发，对其在桥梁壅水计算中的应用进行论述。

1 HEC-RAS软件计算原理

HEC-RAS是美国陆军工程兵团水文工程中心开发的水力计算软件包，适用于稳定和非稳定流的水力计算，功能强大，可进行各种涉水建筑物（如堰、桥梁、防洪堤、涵洞、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及复式河道三维断面图、水位过程曲线等各种分析图表，使用起来十分方便简捷。HEC-RAS基本方程根据能量守恒定律推导，即：

式中：Z2、Z1——上、下断面河底高程；

Y2、Y1——上、下断面水深；

V2、V1——上、下断面流速；

α2、α1——动能校正系数；

g——重力加速度；

he——阻水造成的水头损失。

阻水造成的水头损失he包括局部损失与摩阻损失两部分，由下列公式计算：

式中：L——加权长度；

C——收缩、扩张系数。

流量加权长度L采用下列公式计算∶

式中：Llob,Qlob——为南岸滩地距离与流量；

Lch,Qch——为主河道距离与流量；

Lrob,Qrob——为北岸滩地距离与流量。

摩阻坡度Sf计算公式：

HEC-RAS把桥梁在河道中的能量损失分为三部分，分别为桥上游收缩段的能量损失、桥墩本身造成的能量损失和下游扩散段的能量损失[1-2]。因此，在计算桥梁的壅水时，HEC-RAS软件中需要4个断面才能建立一个完整桥梁模型，如图1所示。各断面位置布设原则为：（1）1号断面布设在桥下游扩散消失的地方，保证水流不受桥的影响；（2）2号断面布设在桥下游，一般布设在接近桥梁边缘的地方，主要用来反映桥下游断面的扩散情况；（3）3号断面和2号断面类似，布设在桥的上游，主要反映邻近桥上游的断面收缩情况；（4）4号断面布设在桥上游不受桥梁收缩影响处，保证该断面水流基本平稳。

图1 桥梁断面布设图

2 实例计算

2.1 工程概况

嘉禾县老麻地大桥布置在湘江一级支流舂陵水处。桥梁全长207.08m，宽9.0m，为简支梁结构，桥墩采用双柱式桥墩，D150cm钻孔灌注桩，桥梁与舂陵江正交。老麻地大桥工程自身按100年一遇洪水标准进行防洪评价，对受其影响河段按50年一遇洪水标准进行防洪评价。桥梁处100年一遇（P=1.0%）洪峰流量为2510m3/s，50年一遇（P=2.0%）洪峰流量为2220m3/s。

2.2 基本资料

老麻地大桥处河段基本顺直，河底高程随着水流方向变化平缓，一般采用洪峰值来计算桥梁阻水。2016年对老麻地大桥进行了实地勘测，在700m长段共设置11个断面，3号断面为桥址断面。老麻地大桥河段比降为1.2‰，估算壅水范围为300.0m，因此所取上边界条件：11号断面为上游边界，距离桥址断面上游约480m，且此处河道顺直且不受桥墩壅水影响；下边界条件：边界选取距桥址断面下游约220.0m处的1号断面[3]。

2.3 计算结果

输入各断面及桥梁测量参数、流量及起始水位等边界条件后，用恒定流计算分别计算建桥前后的水面线，计算结果见表1。

从表1可知，50年一遇洪水时，最大壅高值为0.11m，100年一遇洪水的最大壅高为0.15m。8号断面为50年一遇的水面线的尖灭点，壅水长度为270m；9号断面为100年一遇的水面线的尖灭点，壅水长度320.0m。

表1 建桥前后水面线计算结果

3 经验公式计算壅高及壅水范围

3.1 壅高计算方法（经验公式）

根据老麻地大桥工程的设计方案，计算设计洪水位下桥梁阻水面积和阻水总宽。根据河道断面形状，结合桥址河段上下游地形，确定设计洪水位下实际过水面积及水面宽，得到建桥后过水面积和水面宽。计算结果见表2。

表2 老麻地大桥工程阻水要素统计表

阻水建筑物水位壅高的计算公式中，下列三个经验公式在湖南省应用较广泛，比较符合湖南省河道水流特征。该工程采用这三个经验公式计算老麻地大桥的阻水影响。

（1）公式一（道布松公式）

式中：α——动能校正系数，取α=1.1；

ε——收缩系数，一般取0.85—0.95(本次取0.95)；

B——天然水面宽；

V——工程前断面流速；

h——工程前断面水深；

Δh——最大壅水高度；

∑b——工程后过水断面总宽，一般为河宽减去桥墩总宽；

Δz——壅高值。采用试算法计算。

（2）公式二（道布松公式）

式中：Q——流量；

ζ——系数，当水流紊动作用较大时取ζ=0.10，否则取ζ=0.05(本次取0.10)。

其余符号与公式（6）意义相同。

（3）公式三（《铁路工程水文勘测设计规范》中公式）

式中：η——经验系数，本次取0.05；

根据上述经验公式对老麻地大桥各设计洪水进行阻水壅高计算，计算结果见表3。

表3 老麻地大桥壅水计算结果

3.2 壅长计算方法（经验公式）

桥梁建成后，使上下游河段水流流态发生了变化，其壅水范围由桥梁的阻水率决定，根据前述计算桥梁阻水壅高值，用经验公式推求壅水长度。壅水长度计算采用公式：

式中：L——桥前壅水范围；

ΔZ——桥前最大壅水高度；

S——天然水面比降，采用洪调比降与嘉禾水文站实测比降综合确定。因此根据公式计算，100年一遇的壅水长度为285.0m，50年一遇的壅水长度为220.0m。

4 结束语

本文通过HEC-RAS软件计算了郴州市嘉禾县老麻地大桥壅水高度及长度，并把计算结果与相关经验公式进行对比，得出以下结论：

（1）在相同洪峰流量、水位等水文条件下，HEC—RAS计算得到的最大壅高与经验公式平均值相比：在50年一遇洪峰时，壅高相差0.02m；在100年一遇洪峰时，壅高相差0.02m；因此壅高计算结果相差不大。在频率2.0%时，壅水长度相差50.0m；在频率1.0%时，壅水长度相差35.0m；两种频率下，壅水长度相差都较大。

（2）HEC-RAS软件通过由下而上推算桥址处水位，因此对断面资料要求高，同时应尽可能地多布设断面，提高计算结果的精确度。而规范公式中的水位由桥址处的水位流量关系曲线再加桥墩的阻水要素推算得出。这两种方法得出的最大壅高值不一定相同，但是相差不大。然而，壅水范围在经验公式和HEC-RAS软件中计算结果相差较大，因此需要根据实际情况加以运用[4]。

（3）通过使用发现，HEC-RAS软件在桥梁阻水计算中运用简便、效率高，且壅高计算结果与其他经验公式的计算结果相差不大，因此HEC-RAS软件可以广泛应用到桥梁壅水计算中。