基于HEC-RAS的过水桥涵壅水分析研究

陈至立,张 赞,安占刚,曹绮欣,薛树红,3,葛 杰 ,冯家豪

(1. 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065;2. 黄河水利水电开发集团有限公司,河南 济源 459017;3.洪涝灾害应急智慧决策创新工作室,西安 710065)

0 前 言

近年来,极端天气增多,暴雨洪水的灾害性和突发性骤增,社会经济的高质量发展和人民群众的生命财产安全对河道防洪的要求越来越高,中国水环境治理和河道整治项目的建设也与日俱增[1-2]。水面线计算是河道整治项目设计中的重要依据,计算结果的精度关乎着河道防洪安全。已有的阻水建筑物(桥、涵、堰等)降低了河道行洪能力,造成了水位壅高,对河道防洪安全、河势稳定等方面产生了重要影响[3]。

桥梁壅水对河道防洪的影响一直以来是热点关注问题。如何家伟[4]以云南柿子塘1号桥为依托,基于HEC-RAS模型研究了桥墩壅水对河道防洪的影响,结果表明HEC-RAS模型在桥墩壅水计算中具有一定的优势。张永华等[5]采用经验公式法和水流数学模型法两种方法,计算分析呼口大桥壅水高度,取得了较好的结果,为项目决策提供了科学依据。蒋卫威等[6]以山区河流梅溪的跨河桥梁为例,构建了桥梁的三维模型,分析了FLOW3D模拟值与经验公式的壅水计算值,为桥梁壅水计算提供了重要参考。燕琴等[7-13]基于HEC-RAS恒定流模型对上犹江特大桥建设时期和建设完成后进行壅水计算分析,计算结果符合工程应用实际,且该方法简单高效,可在桥梁壅水分析方面推广。众多学者对桥梁壅水的研究大部分为常规的梁桥形式或不过水桥,对过水桥涵的壅水研究鲜有,洪水来临时,水位淹没桥涵顶部,对河道管理及周边人民生命财产安全有着至关重要的影响,于此,本文基于HEC-RAS模型对过水桥涵的壅水进行分析探讨。

在河道水面线壅水计算中,对于有桥墩的板式桥梁,可采用TB 10017-2021《铁路工程水文勘测设计规范》中的桥前壅水公式进行计算,该公式考虑了桥前流速和断面平均流速对壅水的影响,简单方便,适合于桥墩等形式简单的桥梁。而过水桥涵壅水首先需考虑涵洞是否为有压力/无压流,以及进、出口局部水头损失、隧洞流量系数等参数,其次涵洞以上部分需要按照堰流公式进行分析计算,影响因素复杂,TB 10017-2021《铁路工程水文勘测设计规范》中的桥前壅水公式不适合。因此,当阻水建筑物为过水桥涵时,其方法一需根据流量大小,将通过建筑物的流量分为两部分进行试算,一部分为涵洞过流计算,超过涵洞过流能力的部分按桥面堰流计算,两者联合试算,最终确定过水桥涵的壅水高度。另外可采用HEC-RAS、MIKE11、MIKE21模型进行数值模拟分析。

本文基于HEC-RAS模型和涵洞及堰流联合试算方法,以陕西省榆林市靖边县马营沟流域为例,研究过水桥涵的壅水水位高程,为过水建筑物壅水计算分析提供计算依据。

1 经验公式与模型简介

1.1 经验公式简介

当河道阻水建筑物为板桥或者梁桥形式时,可采用我国TB 10017-2021《铁路工程水文勘测设计规范》中的桥前壅水计算经验公式分析,该公式对能量守恒方程进行了简化[8],表达式如下:

(1)

当阻水建筑物为过水桥涵时,涵洞一般为有压流,泄流能力由下式计算:

(2)

公式(2)中的流量系数μ,由下式计算:

(3)

式中:ω为涵洞出口断面面积,m2;ζi为涵洞第i段上的局部能量损失系数,与之相应的流速所在的断面面积为ωi(上式根号内第二项中的ωi);li为涵洞第i段的长度,m;与之相应的断面面积、水力半径和谢才系数分别为 (上式根号内第二项中的ωi)、Ri、Ci。

桥面以上部分过水,按堰流流量公式计算:

(4)

过桥总流量:

集成学习（Ensemble Learning）是一种重要的数据挖掘方法，主要利用多个学习器的集成来解决问题，能够显著提高学习系统的泛化能力[4]。Elder在文献[5]中研究表明分类器集成技术优于简单的平均法和单一模型，且在近年来多届KDD和CIKM Cup中取得优秀成绩。集成学习也被认为是未来机器学习的重要研究方向之一，是提高学习精度的重要手段[6]。

Q总=Q1+Q2

(5)

阻水建筑物为过水桥涵,且过水流量大于涵洞过流能力时,需运用式(2)～(5)联合试算。先假定桥上水位,再根据涵洞尺寸等相关参数试算涵洞的过流流量,同时根据桥面(堰)的尺寸试算堰流过流量,当堰的过流量和涵洞过流量之和等于该断面的设计流量时,所假定的桥上水位即为所求的壅水位高程。

1.2 HEC-RAS模型

HEC-RAS是由美国陆军工程兵团水文工程中心开发的软件。适用于河道治理项目中的一维水动力计算,可进行桥梁、涵洞、闸门等涉水建筑物的水面线分析计算。HEC-RAS软件模拟河道断面及涉水建筑物,有能量守恒方程、动量平衡等方法。能量守恒方程如下:

(6)

式中:α1,α2为流速权重系数;Z1,Z2为上下游断面河床底高,m;Y1,Y2为断面水深,m;V1,V2为断面平均流速,m/s;he为能量水头损失。

HEC-RAS软件把桥/涵在河道中的能量损失主要分为以下三部分:第一部分是桥/涵上游段的能量损失、第二部分是桥/涵自身的能量损失、第三部分是桥/涵下游段的能量损失[9-10]。因此,模拟桥/涵壅水时,需要在软件中设置4个断面,方能建成一个完整的桥/涵模型,HEC-RAS桥/涵模拟断面布置如图1所示。各断面布置原则为:1号断面布置在桥/涵下游较远处,保证水流情况不受桥/涵影响;2号断面在桥/涵下游较近处,能够反映桥/涵下游断面的情况;3号断面在桥/涵的上游较近处,主要反映邻近桥/涵上游的断面情况;4号断面在桥/涵上游较远处,保证水流不受桥/涵的影响。

图1 HEC-RAS桥/涵模拟断面布置

2 研究实例

马营沟是陕北无定河支流大理河左岸老庄沟的一级支流,是大理河的二级支流,发源于靖边县高家沟便民服务中心庞家畔村,自北向南流经左挂山村、庙界村、陈家砭村,于靖边县青阳岔镇陈家砭村汇入老庄沟。河道全长16.58 km,流域面积65.3 km2。

马营沟流域地形西北高东南低,高程在1 200.00 ～1 400.00 m,上游分水岭最高点庞家畔村海拔1 440.00 m,沟口处海拔高程1 200.00 m左右。地貌属黄土丘陵沟壑区,植被稀疏,以沙生植物为主。马营沟流域如图2所示。

图2 马营沟流域

河道水面线计算采用天然河道恒定非均匀流能量守恒方程,按全断面计算水面线。马营沟设计河段内有过水桥涵4座,需考虑其壅水作用对水面线的影响,桥涵尺寸见表1,桥涵图片见图3～4。

表1 马营沟流域桥涵尺寸表

图3 马营沟1号桥和2号桥照片

图4 马营沟3号桥和4号桥照片

根据现场踏勘得知,马营沟为天然河道,河道内杂草丛生,参考《水力学计算手册》(第二版),确定河道糙率为0.034。桥涵为砖桥,涵洞顶部光滑,糙率取0.017,底部取0.034,根据测量断面位置及尺寸,在模型中输入断面数据,并在相应位置加入桥涵数据,桥涵进口局部水头损失系数取0.05,出口局部水头损失系数根据不同断面参数模型自动率定,堰流部分堰流系数取1.4,再根据涵洞尺寸输入洞长、距离上游断面的间距和堰的高程尺寸等参数,参数设置完成并检查无误后,模型模拟河段水位,即可得到壅水水面线。

选取马营沟最下游断面10年一遇的水位～流量关系曲线控制断面起推水位。水位～流量关系曲线见图5。

图5 马营沟最下游断面10年一遇水位～流量关系曲线

由于1号桥涵距离2号桥涵1.6 km,而1号桥涵壅水长度影响范围为834 m,因此1号桥涵的壅水未影响至2号桥涵处;2号桥涵距离3号桥涵2.7 km,2号桥涵的壅水长度影响范围为289 m,因此2号桥涵的壅水未影响至3号桥涵处;3号桥涵距离4号桥涵4.3 km,3号桥涵的壅水长度影响范围为312 m,因此3号桥涵的壅水未影响至4号桥涵处。

经计算天然河道水面线,马营沟1～4号桥涵均为过水桥涵。根据表1中桥涵尺寸,采用涵洞和堰流联合试算的方法和HEC-RAS软件模拟桥涵壅水的方法,分别计算得到桥涵壅水水位,该壅水水位与不考虑桥涵壅水的天然河道水位之差值,即为桥涵的壅水高度。马营沟1～4号桥涵10年一遇桥涵壅水成果及对比见表2和图6。

表2 马营沟工程段桥涵壅水成果表

图6 不同方法桥涵壅水高度计算值对比

由图6分析可知, 1号桥涵采用涵洞+堰流联合试算方法和HEC-RAS模型模拟结果一致,2号桥涵采用涵洞+堰流联合试算方法比HEC-RAS模型模拟结果高0.02 m,3号桥涵采用涵洞+堰流联合试算方法比HEC-RAS模型模拟结果低0.01 m,4号桥涵采用涵洞+堰流联合试算方法比HEC-RAS模型模拟结果低0.01 m。涵洞+堰流联合试算方法合理新颖,HEC-RAS模型参数均与实际相符,模拟正常,且两者计算的过水桥涵壅水的高度相差校小,因此结果均合理。

3 结 论

(1) 河道水面线计算中,当跨河桥涵为过水桥涵时,壅水分析采用《铁路工程水文勘测设计规范》中的桥前壅水计算经验公式时存在计算参数考虑不恰当、阻水建筑物边界条件考虑不周、阻水因素考虑不准确等问题[11],因此,可采用涵洞和堰流联合试算的方法进行分析计算,计算成果满足工程精度要求。

(2) 本次研究选取靖边县马营沟10年一遇的水位～流量关系曲线对HEC-RAS模型的边界条件进行约束,根据马营沟河道现状情况,并参考《水力学计算手册》(第二版),对河道糙率等参数进行了合理率定。从结果看,模型的模拟精度较高,仿真度较好[12-13]。

(3) HEC-RAS软件模拟桥涵壅水,操作运用简便、仿真效率高。联合试算法需要将涵洞和堰流结合起来分析,根据流量大小分情况试算。两种方法在桥涵壅水分析的应用上均合理可行。本文两种方法的提出为工程跨河桥涵壅水分析提供了技术支撑和参考。