杨作书
中水珠江规划勘测设计有限公司海南分公司 海南海口 571126
摘要：介绍了HEC-RAS模型计算桥梁壅水的基本原理和应用范围，利用 HEC-RAS模型计算了50年、20年和10年一遇设计洪水频率下跨河桥梁建设前后河道水面线，分析了桥梁建设前后上游河道水位的壅高，并利用规范的经验公式对计算结果进行了验证，结果表明两者的计算值相差均较小，HEC-RAS模型用于跨河桥梁的壅水计算是合适的。
关键词 ：HEC-RAS模型；防洪；壅水高度；水面线
0 引言
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，这些跨河桥梁的的建设侵占行洪断面[1]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。本文基于HEC-RAS[2]模型对跨河桥梁的壅水进行了研究。
1 HEC-RAS模型介绍
HEC-RAS是美国陆军工程兵团水文工程中心（USACEHEC）开发的河流分析系统（RAS）软件，主要由河流恒定流模型、非恒定流模型、泥沙分析模型、水质分析模型、以及水力设计模块等组成，其在河道水力分析计算中有着广泛应用，且软件经过工程验证，是国际上有名的水文水力工程软件之一。
HEC-RAS 软件通过不同子模型可以模拟不同设计方案的河道沿程水位、水质变化分析，以及泥沙输移变化规律等，各子模型的地形文件可以很好地处理各种涉河建筑物如桥梁、涵洞、侧向堰、拦河闸坝、阻水障碍物等，同时可生成河道横断面图、水位～流量过程曲线、河道三维断面图等各种分析图表，为河道整治[ 3,4] 、两岸淹没风险分析、防洪堤建设、涉河建筑物设计、模拟溃坝洪水[5] 等方面决策提供服务，使用十分便捷，可以大大减小计算工作量。
1.1基本原理
HEC-RAS 软件包括图形界面、水力分析模块、资料输入与管理模块、以及结果输出 模块等功能。用户操作界面见图1，该界面可以进行新建工程，地形和流量文件编辑与管理，并根据不同模拟需求进行恒定流、非恒定流、泥沙、水质分析等。
图1 HEC-RAS最新版V5.0.3使用界面
该模型的基本原理介绍如下：
1、恒定流水动力模型
HEC-RAS恒定流水动力模型计算原理基于能量守恒方程，逐断面采用直接步进法推求，可以对急流、缓流和临界流3种流态进行水面线计算，公式如下：
能量守恒方程：
2 案例计算与分析
2.1工程概况
G河是海南省东方市境内流入海的最大一条河流，发源于东方市与乐东县交界的朦瞳岭。G河流域面积381 km2，河长54.5km，干流平均坡降4.45‰，由东向西流经陀烈谷地经C城镇，最终汇入北部湾。
GC大桥位于G河下游，距出海口约2.5km，河段较顺直，区间无较大支流汇入。GC大桥设计长300m，21孔，中墩直径为1.15m，过水净宽277m，设计桥面高程9.8~10.8m，桥板厚度1.0m，设计洪水频率1/100。河段防洪标准10年一遇。
2.2计算参数选取
本次计算地形资料采用2014 年实测地形。根据工程规模及河道特性，选取河段长4.3km，共设27个计算断面，第18断面为桥址断面。断面布置见图2。河道几何资料的建立: (1) 27号断面为上游边界，位于桥址断面上游1.8km 处，经壅水范围估算此处河段不受回水影响且河道地形平缓。(2) 结合该河段河道情况选取1号断面为下边界，位于桥址下游2.5km。（3）本次模型流量边界采用不同频率最大洪峰流量，下边界水位采用对应不频率的设计潮位值。详见表1。
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根据表3知，10a一遇壅水高度为0.03m，20a一遇壅水高度为0.05m，10a一遇壅水高度为0.06m。可以看出，HEC-RAS模型计算的壅水高度在三种不同洪水频率下的成果和经验公式计算成果基本一致。
3 结语
本文利用HEC-RAS稳定流计算了跨河桥梁建设前后的水面线，得到了桥梁建设引起的壅水高度，同时根据《铁路工程水文勘测设计规范》中的经验公式进行了壅水高度计算。结果表明，两种方法计算的壅水值基本一致。
与经验公式比较，HEC-RAS可以较细致地考虑河道地形条件和建筑物参数等方面的因素，在跨河桥梁的河道水面线计算是适用的。
参考文献：
[1]张林，程琳，孙东坡，等．铁路斜交桥对河道行洪的影响及对策[J].水利水运工程学报，2012（1）：36-42.
[2]李磊，李月玉，孙艳，等．HEC-RAS软件在桥梁防洪评价中的应用[J].水力发电，2008（3）：103-105.
[3]谢加球，侯凯，王艳苹，等．HEC-RAS水文分析软件在水利水电工程中的运用[J].人民珠江，2013, (4):29-32.
[4]陈学剑，潘世虎. HEC-RAS在河道整治工程方案优化中的应用[J]. 人民黄河，2011, 33(9):7-8,43.
[5]贺娟，王晓松．基于HEC-RAS及HEC-GeoRAS的溃坝洪水分析[J]. 水利水运工程学报，2015( 6) : 112 -116．
论文作者:杨作书
论文发表刊物:《防护工程》2018年第14期
论文发表时间:2018/10/22
标签：河道论文; 模型论文; 断面论文; 桥梁论文; 河段论文; 工程论文; 洪水论文; 《防护工程》2018年第14期论文;