[HEC-RAS模型在密江特大桥防洪评价中的应用] 长江防洪模型

　　doi:10.3724/SP.J.1201.2012.01139� 　　 　　摘要：介绍了HEC-RAS模型计算桥梁壅水的基本原理和主要步骤，并以吉林市至珲春市高速铁路客运专线密江特大桥的壅水计算为实例，采用HEC-RAS模型，模拟了300年一遇、100年一遇、50年一遇、20年一遇以及10年一遇设计洪水频率下建桥前后的河道水面线，进而求得桥梁阻水壅高值和壅水长度。计算结果表明，HEC-RAS模型在分析计算桥梁对河道的阻水壅高影响时方便实用，工程适用性较好，可供防洪工程决策制定的参考。�
　　关键词：HEC-RAS模型;密江；桥梁壅水;防洪工程;影响评价�
　　中图分类号：TV131.4 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2012）01-0139-03�
　　Application of HEC-RAS Model for Evaluation of Flood Control of Mijiang Super-long Bridge�
　　DENG Xian-yu�1,LI Wen-feng�2�
　　(1.China Water Northeastern Investigation,Design & Research Co,Ltd.，Changchun 130021,China;�
　　2.JiLin Electric Power Survey & Design Institute，Changchun 130000,China)
　　�
　　Abstract:This paper introduces the basic principles and main procedures of the HEC-RAS model in calculating the bridge backwater.The HEC-RAS model is then used in the calculation of the Mijiang super-long bridge backwater at the Jilin-Hunchun high-speed railway for passenger traffic.Different scenarios of the frequency of flood events are simulated,including once in 300 years,once in 100 years,once in 50 years,once in 20 years,and once in 10 years.The river water surface lines before and after the bridge construction are simulated under the different scenarios of flood events,and thus the block water height and backwater height of the Mijiang bridge are obtained.The results show that the HEC-RAS model is convenient and practical in analyzing and calculating the effects of the bridge backwater height,and it has engineering applicability and can provide reliable references for decision-making in flood control projects.�
　　Key words:HEC-RAS model;MiJiang;bridge backwater;flood control projects;impact assessment
　　�
　　
　　随着社会经济的发展和需要，河道中出现越来越多的涉河工程，这些涉河工程的修建占用行洪道，减少行洪面积，造成河道水位壅高，对河道防洪产生了较大影响。根据《河道管理范围内建设项目防洪评价报告编制导则（试行）》的规定，对占用河道断面，影响洪水下泄的阻水建筑物，应进行壅水计算。如何正确分析计算各种涉水工程的阻水壅高影响，以便采取相应的补救措施，是水利工作者必须面对和解决的一个问题。以往研究一般采用经验公式计算，对河段影响较大的桥梁则进行数学模型计算或物理模型试验。随着计算机技术的日益发展，数学模型越来越多的被用于实际应用中［1-3］。以吉珲高铁中密江特大桥的壅水计算为实例，介绍HEC-RAS模型在防洪评价中的应用，为防洪评价探索一条可行而且有效的求解途径。�
　　1 HEC-RAS模型介绍�
　　HEC-RAS模型是由美国陆军工程兵团水资源研究所水文中心开发的河流分析系统，基于一维方法，用于模拟河流的水流、泥沙、水质等工程问题，可对天然的或人造的河网进行一维恒定流和非恒定流的河道水力推演，在国外河道水面线推算中已得到广泛的应用，该软件具有恒定流求解、非恒定流求解以及河道输沙演算3个功能，以上3个功能共用同一几何资料图示、同一几何资料、同一水力计算流程。其功能强大，可模拟缓流、急流以及跨临界流，计算中可以考虑桥、涵、坝、闸等设施的影响，使用起来十分方便简捷。其中几何数据包括：横断面测点信息、糙率、断面间距、桥涵、闸门等信息。演算采用标准逐步推算法求解一维能量方程式，而摩擦所产生的能量损失应用曼宁公式计算，求解恒定流时基于能量方程守恒，非恒定流时基于圣维南方程［4］。�
　　HEC-RAS系统包括使用者图形界面、单独水力分析单位、资料储存与管理功能及突变制作辅助功能。其用户界面是一个图形界面，如下图所示，该界面可以进行文件管理、资料输入和编辑、水力分析等［5］。�
　　
　　该模拟的数学原理阐述如下：�
　　一维恒定流水面线可通过求解能量方程来获得，逐断面依次计算，具体表达式如下：�
　　�Z�2+Y�2+a�2V�2�22g=Z�1+Y�1+a�1V�2�12g+h�e�（1）�
　　式中：�Z�1、Z�2－河道底高程；Y�1、Y�2－断面水深；V�1、V�2－断面平均流速；a�1、a�2－动能修正系数；g－重力加速度；h�e－水头损失�。�
　　两个断面间的水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失，水头损失表达式为：�
　　�h�e=L�S��f+C|a�2V�2�22g-a�1V�2�12g|�（2）�
　　式中：�L－断面平均距离；S�f－两断面间沿程水头损失坡度；C－收缩或扩散损失系数�。�
　　断面平均距离表达式如下：�
　　�L=L��lob�Q��lob�+L��ch�Q��ch�+L��rob�Q��rob�Q��lob�+Q��ch�+Q��rob��（3）�
　　式中：�L��lob�，L��ch�，L��rob�-是两断面间左边滩地、主槽、右边滩地的距离；Q��lob�，Q��ch�，Q��rob��－左边滩地、主槽、右边滩地平均流量。�
　　根据不同糙率分界点划分滩地，利用曼宁公式计算每个分区的流量，表达式如下：�
　　�Q=KS���1/2���f�（4）�
　　�K=1nAR��2/3��（5）�
　　式中：�K－流量模数；n－曼宁糙率系数；A－分区面积；R－水力半径。�
　　动能修正系数a可�通过滩地和主槽流量来进行计算，表达式如下：�
　　�a=(A�t)�2K�3��lob�A�2��lob�+K�3��ch�A�2��ch�+K�3��rob�A�2��rob�K�3�t�（6）�
　　式中：�A�t－整个过流断面面积；A��lob�，A��ch�，A��rob�－左边滩地、主槽、右边滩地过流面积；K�t－整个过流断面的流量模数；K��lob�，K��ch�，K��rob�－左边滩地、主槽、右边滩地流量模数。沿程水头损失坡度S�f�可通过下式求解：�
　　�S�f=Q�1+Q�2K�1+K�2�（7）�
　　2 HEC-RAS在实际中的应用�
　　以吉林至珲春高速铁路客运专线的密江特大桥为分析对象，利用HEC-RAS模型计算建桥前后的河道水面线，求得阻水壅高值和壅水长度。线路起点为吉林市，终点为珲春市，全长359�7 km。设计线路在珲春市内跨越密江，桥址位于珲春市密江乡东北侧，大桥全长899�47 m，孔跨类型为27～�32 m�简支箱梁。大桥设计最低梁底高程为99�38 m，大桥设计标准为100年一遇洪水，校核标准为300年一遇洪水，河段防洪标准为20年一遇洪水。�
　　2.1 研究河段�
　　密江是图们江左岸一级支流，发源于珲春市英安镇磨盘山脉南麓，流经吉林省珲春市，在珲春市密江乡密江村以南汇入图们江。流域集水面积771 km�2，全长56�9 km，拟建桥位处河道平均比降约为3�5‰。�
　　本次计算地形资料采用2010年11月实测地形。根据工程规模及河道特性，选取长4�5 km的河段为计算河段，设桥址断面上游17个计算断面，下游8个计算断面。�
　　
　　2.2 边界条件及糙率的确定�
　　模型上游流量边界条件采用拟建桥址处河道各频率洪峰流量，下游水位边界条件采用曼宁公式所确定的下游断面水位流量关系推算得出，各工况采用的边界条件见表1。�
　　表1 下游出口水位流量关系�
　　Table 1 The relationship between the upstream flow rate �and downstream river stage
　　�
　　频率�P（�%�）P=1P=2P=5P=10�
　　上游流量�Q�/（m�3•s��-1�）1 3431 061706465
　　下游水位/m64.4563.9363.5463.19
　　 通过现场勘察，河道、漫滩曼宁系数�n取值参看文献［6］中的《渠道及天然河流的粗糙系数n值表》，取�河道综合糙率0�04。�
　　2.3 模型计算�
　　根据密江特大桥桥梁立面图及实测断面资料，利用HEC-RAS模型求得桥梁在各设计频率下的阻水壅高值和壅水长度，成果见表2。�
　　2.4 结果分析�
　　利用HEC-RAS模型的实例模拟结果表明，密江大桥建成后，由于河道内增加了桥墩，河道行洪断面变窄，减少了河道过流面积，这是产生壅水的主要原因，但壅水高度不大，从河道水面线计算结果可以看出，发生20年一遇设计标准洪水时，桥位处的洪峰流量为706 m�3/s，最高洪水位为69�46 m，与大桥设计最低梁底高程净空达30 m，基本不会对河道的行洪造成影响；桥前水位壅高为0�05 m，符合《吉林省河道管理条例》要求，对工程河段的防洪影响较小。�
　　
　　 模型模拟纵断面，河道内最高水面线沿河道分布情况见图3、图4。�
　　�
　　3 结语�
　　修建涉河建筑物，将对河流产生多种影响。如何正确分析计算各种涉水工程的阻水壅高影响，以便采取相应的补救措施，是水利工作者必须面对和解决的一个问题。HEC-RAS模型具备分析计算河道中涉水工程的阻水壅高影响的能力，软件模拟结果较为直观，方法简单实用、成果可靠，模拟精度较高，可满足工程需要，值得在防洪评价中得到广泛应用。此外，软件计算方法对断面资料要求较高，在条件允许的情况下应尽可能地多设断面，以提高计算精度。�
　　参考文献（References）：�
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