山区河道水面线和管涵漫水桥壅水计算探讨

科研管理　水利规划与设计　２０１３年第１期　山区河道水面线和管涵漫水桥壅水　计算探讨　杨扬　韩凤霞　刘军梅赵月芬　（北京市水利规划设计研究院　北京　１０００４８）　【摘　要】　对山区河道水面线和管涵漫水桥壅水的精确计算一直是防洪规划和咨询类项目中的一个重点难点。　本文简要阐述和分析了以往解决此两方面问题的方法及其局限性。利用ＨＥＣ－ＲＡＳ（美国陆军工程兵团水文工程中　心一河流分析系统）进行建模分析，对山区河道水面线计算中横断面数据设置的合理性和管涵漫水桥壅水计算中　堰流系数、入口损失系数和管壁糙率三个参数的敏感性分别进行了重点探讨，为今后在工程实践中更好的解决类　似问题提供了经验。　【关键词】ＨＥＣ—ＲＡＳ山区管涵漫水桥水面线壅水　［ＤＯＩ编码】　１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６９２—２４６９．２０１３．０１．０１６　【中图分类号】ＴＶ９１　【文献标识码】　Ｂ　【文章编号】　１６７２—２４６９（２０１３）０１－００４４－０４　１　引言　在水利防洪规划和咨询项目中，对洪水流经研　流水面线计算，可进行各种涉水建筑物（桥梁、涵　洞、堤防、水库等）的计算模拟，方法多样，功能　强大，也是目前国际工程界应用最广泛的一维流体　动力学计算软件。　ＨＥＣ．ＲＡＳ在国内已经被广泛应用并获得较高　认可，如刘洋等（２００８年）将ＨＥＣ—ＲＡＳ应用于山　究区域的水位要素的计算、模拟和分析工作一直居　于首要地位并直接影响着后续各方面评价工作及　工程或非工程措施的制定实施。随着计算机技术的　发展，人们在工程实践中对防洪规划工作的科学　化、精细化要求越来越高，突出表现在面对一些比　区天然河道水面线计算并与ＳＯＢＥＫ—ＲＵＲＡＬ软件　计算成果进行了对比；李磊等（２００８年）对　ＨＥＣ．ＲＡＳ和《铁路工程水文勘测设计规范》中桥　较复杂情况的水面线计算问题时提出了更高的精　度要求。以北京地区工程实践中出现的山区天然河　梁阻水的计算结论进行了对比；王佰伟等（２０１１年）　利用ＨＥＣ．ＲＡＳ建立三峡库区洪水演进模型，分析　了库区对上游洪峰的削减作用；戴文鸿等人对比了　ＨＥＣ—ＲＡＳ和另一款被广泛认可的一维水力学软件　ＭＩＫＥ１１在河床糙率取值问题上的不同状况。　ＨＥＣ—ＲＡＳ一维流模拟仍基于学科内普遍采用　的一维能量方程和圣维南方程组，相关论述很多，　道水面线计算和管涵漫水桥壅水计算为例，传统的　方法存在着繁琐复杂、精度不足、适用性较差等诸　多缺陷，国内工程业界对于这两种工况水面线计算　的探讨也鲜见报道。利用ＨＥＣ　ＲＡＳ软件进行建模　分析，笔者认为可为此二类问题的解决指明一个可　行的途径，并对建模求解此两类问题的成果合理性　和参数敏感性的两个问题进行了重点探讨，为今后　在工程实践中更好的解决类似问题提供了经验。　在此不再赘述。笔者认为各类商业或自编软件所差　异的只是解方程计算法则各有不同而已，凭借计算　机的运算能力，不考虑糙率、损失系数等经验性参　２　ＨＥＣ－ＲＡＳ软件简介　ＨＥＣ—ＲＡＳ（Ｒｉｖｅｒ　Ａｎａｌｙｓｅ　Ｓｙｓｔｅｍ）是美国陆军　数取值影响，理论上不同软件算得的结果差异很　小，在实际应用中要求建模工程师需深入了解软件　工程兵团水文工程中心开发的一款一维河道水面　线计算软件包。其适用于一维河道恒定流或非恒定　・４４・　作者简介：杨扬（１９８６年一），男，助理工程师。　科研管理　水利规划与设计　２０１３年第１期　的运算机理并透彻的掌握调试规则，依项目实际情　况再做判别和取舍。　诸多文献研究表明，ＨＥＣ—ＲＡＳ在天然河道恒　定流、非恒定流计算方面的有较高精度，在阻水建　由图１可见，未加密情况以每隔２００米为距的　实测断面位置作为计算横断，受流态急剧变化的影　响，对急缓流变化情况的反映明显不如加密修正情　况更精确明晰。更为重要的是，对实测断面控制点　筑物水力学模拟方面，其方法众多，适用面广泛，　能够满足实际工程需求。　３应用实例探讨　３．１　山区天然河道水面线计算　山区天然河道水面线推算与传统的缓流态河　道水面线计算有明显不同。山区河道纵坡变化剧　烈，易出现急缓流流态的交替，局部出现水跃或水　跌的河段是水面线推算工作的重点难点。以往的方　法是采用急流段和缓流段分段分别推求的方式，回　避流态变化给计算带来的复杂性。对急流段河道，　按河道防洪安全中的取水位不利情况考虑，以ｌＩ临界　水深代替其急流态水深。上述方法步骤繁琐且弱化　了流速变化对防洪安全的影响，在某些情况下已不　适用。　ＨＥＣ．ＲＡＳ处理流态突变段水面线推算的一个　重要手段是局部加密断面并适当修正断面间损失　系数、有效过流断面等参数。在《房山区中小型水　库洪水风险分析》中，应用ＨＥＣ．ＲＡＳ对牛亡牛河（天　开水库一龙门口水库）推算河道水面线，分别对比了　断面经加密修正后和未加密修正的计算成果，其纵　断面成果对比见图１。　；一　一　图１　１｝亡牛；可（天开水库一龙门口水库）百年一遇　水面线纵断对比　图２　１｝亡牛河未加密成果一加密修正成果水位流　速差值图　位置的两组成果对比发现存在明显的差异。爿１＝牛河　未加密成果减去加密修正成果的水位、流速差值图　见图２。　由图２可见，在桩号４００断面位置处，未加密　成果与加密修正成果水位差一０．４６ｍ，流速差　１．０２ｍ／ｓ；在桩号１６００处，两者水位差．０．５ｌｍ，流　速差０．８６ｍ／ｓ。显而易见，如此明显的计算结果差异　对下一步的工程措施制定带来的影响己不可忽略。　尤其在急缓流流态交替河段，未加密断面的计算结　果失真情况尤为明显。产生这种情况的原因是由于　相邻计算断面间过大的流速水头差异导致模型无　法精确的迭代计算出断面间的能量梯度所致。在水　面线计算实例中，对某些流态变化复杂的河段进行　断面加密、收缩扩散系数调整、过流断面修正等处　理是提高计算精度的重要手段，更多的规律还需结　合实测资料或物模成果再做进一步研究。　３．２管涵漫水桥壅水计算　管涵漫水桥是北方偏干旱河道常见的一种桥　梁型式，桥面贴近河底，大水时桥身深埋在洪流下　部，减少冲击力；小水时下方管涵通过水流兼有桥　面承重作用，有造价低廉，施工简便的优点。典型　的管涵漫水桥型式见图３。　图３典型管涵漫水桥型式图　与常见的大江大河桥墩过流流态不同，管涵漫　水桥过流被桥面分为上半部分堰流和下半部分全　断面有压满管流两部分，需对两部分过流单独计算　能量损失再迭代配平两者的桥前断面能量水头，其　计算复杂程度明显高于普通桥墩过流情况。目前国　内关于此类桥涵壅水计算的研究还比较少见，更无　经严格验证并被长期广泛认可并采纳的规范公式　可应用于工程实践。在北京地区以往的类似工况的　科研管理　水利规划与设计　２０１３年第１期　计算中，主要采用以下两种方法进行推演，一是认　为草叶泥沙等物淤堵管涵而忽略下方管涵的过流，　直接以堰流公式求解管涵漫水桥壅水。显然，此方　法推算出壅水结果偏高，尤其发生低重现期洪水，　淹没桥面深度不太高的情况下，忽略管涵过水的概　化情况与实际情况明显不符。二是不区分管流和堰　流，只笼统考虑横断面上桥体阻水面积占全过水断　面面积的比例一个因素，此法在发生高重现期洪　水，桥体被深没于洪流中时也是可行的，但在发生　中低重现期洪水时也存在明显的局限性。　ＨＥＣ．ＲＡＳ进行桥面上下过流计算分别基于堰　流公式和伯努利能量方程，具体见式（１）、式（２）。　Ｑ＝ＣＬＨ　（１）　其中：Ｃ一一流量系数；　Ｌ一一有效堰宽；　Ｈ一一堰上水头；　Ｚ３＋　＋　：Ｚ２＋　＋　＋　＋　，＋　（２）　ｇ　ｚｇ　其中：ｚ３、ｚ２一一桥梁上游侧、下游侧管底高　程；　Ｙ３、Ｙ２一一桥梁上游侧、下游侧水深；　ａ３、ａ２一一桥梁上游断面、下游断面流　速权重系数；　ｖ　、ｖ　一一桥梁上游断面、下游断面流　速权重系数；　Ｈ。　、Ｈｆ、Ｈｅｘ一一涵洞入口能量损失、　洞内摩擦能量损失、涵洞出口能量损失。　由（１）、（２）式可见，在漫水桥结构型式己知　的情况下，其壅水计算结果主要取决于堰上流量系　数ｃ、涵洞入口能量损失Ｈ。　、洞内摩擦能量损失　Ｈｆ和出口能量损失Ｈ。　四方面因素。　图４　Ｃ、ｋ　和ｎ三参数设置界面（描框处）　以某高速公路改建工程应急临时便道洪水影　响评价为例，应急临时便道按照混合式过水路面即　管涵漫水桥结构型式设计，路面结构下铺设钢筋砼　管涵，钢筋砼管涵内径为Ｏ７２０ｍｍ，管四周用砼包　满。为防止水流冲刷，涵洞洞口两侧采用浆砌片石　铺砌，桥面最低处仅比河底高约１．１ｍ，其型式类似　于图３中桥涵所示。对于本工程中管涵出口段型式，　其出口能量损失系数一般取１．０，则壅水计算结果　主要由堰上流量系数ｃ、涵洞入口能量损失系数ｋ。　和管内壁糙率ｎ三个参数来约束。ＨＥＣ—ＲＡＳ水力　计算手册详细列举了描述涵洞入口能量损失系数　１（ｅｎ和管内壁糙率ｎ的取值表，而对堰上流量系数Ｃ　的取值则只给出了建议性的取值参考（宽顶堰　１．３８～１．７１，ｍｅｔｒｉｃ）。三个参数设置界面见图４。　在实际计算中，Ｃ、ｋ蚰和ｎ三个参数选取的合　理性直接关系着计算结果的合理性，因此需对三个　参数分别进行敏感性分析。参照胍Ｃ．ＲＡＳ水力计　算手册中罗列的取值参考，本算例选取Ｃ＝Ｉ．４４、　ｋ　＝０．５、ｎ＝０．０１３作为基本组，再按表１分别选取　另外共６组对照组进行对比分析。　表１　Ｃ、ｋ　ｎ三参数敏感性分析取值表　参数　基本组　对照组　调整Ｃ　调整ｋｅｎ　调整ｎ　Ｃ　１．４４　１．５５　ｌ　１．６６　１．４４　Ｉ　１．４４　１．４４　ｌ　１．４４　ｋ。　０．５　０．５　ｌ　０．５　０．６　１　０．７　０．５　ｌ　０．５　ｎ　０．０１３　０．０１３　１　０．０１３　０．０１３　１　０．０１３　０．Ｏ１ｌ　ｌ　０．０１５　对３年、５年、１０年和２０年每个重现期中七　个计算组的算例统一采用相同的边界条件和概化　地形。为避免下边界条件的选取所造成的影响，将　下边界条件设置于下游足够远处，并验证确认其不　会对研究区计算成果造成影响。分别对所处河段３　年、５年、１０年和２０年一遇设计洪水情况下临时　便道壅水计算的基本组和对照组成果进行对比，其　对比图见图５（ａ￣ｄ）。　图５不同洪水重现期三参数敏感性对比表　科研管理　水利规划与设计　２０１３年第１期　由图５可见，ａｂｃｄ四种重现期工况中，堰流系　数Ｃ的取值变化对壅水高计算值的影响都明显比入　口损失系数ｋｎ和管壁糙率ｎ的变化对壅水高的影　响更敏感。并且随着流量由低重现期３年一遇的　３８０ｍ　／ｓ逐渐增至高重现期２０年一遇的２５００ｍ３／ｓ，　堰流系数Ｃ对壅水高计算值的影响愈发敏感，而入　口损失系数　和管壁糙率ｎ的敏感性则愈发减弱。　例如ａ图中，堰流系数Ｃ的变化使得壅水高由Ｏ．３２ｍ　涨至０．３６ｍ，升高０．０４ｍ：而同样流量情况下入口　损失系数ｌ（ｅ　和管壁糙率ｎ的变化使得壅水高各自　仅升高０．０２ｍ。但在ｄ图中，堰流系数Ｃ的变化使　得壅水高升高幅度达０．２２ｍ，而入口损失系数ｌ（ｅ　和管壁糙率ｎ的变化只分别影响壅水高度０．０１ｍ和　０ｍ，敏感性已很微弱。　段，进行断面加密和适当修正处理明显有助于提高　计算精度。　（３）对管涵漫水桥壅水计算，通过分析　ＨＥＣ—ＩＬＡＳ的计算原理，认为堰流系数Ｃ、入口损失　系数ｋ　和管壁糙率ｎ是影响壅水计算成果的三个　最重要参数。结合陆军工程兵团水力学手册推荐参　数取值范围，通过对Ｃ、ｌ（ｃ　和ｎ的敏感性分析，认　为Ｃ是影响计算结果的最敏感参数。并且随着洪峰　流量的增大，Ｃ值的选取对计算结果的影响也越敏　感，反之其他两个参数的影响则越小甚至忽略不　计。为在实际工程中切实合理的选取计算参数提供　了经验。　参考文献　刘洋，孙晓英，王俊英等．浅析ＨＥＣ—ＲＡＳ及ＳＯＢＥＫ—ＲＵＲＡＬ软　件推算ＬＩＪ区天然河道水面线［Ｊ］．北京水务，２００８（６）．　４结论　通过对山区河道水面线和管涵漫水桥壅水计　算的探讨，可得到以下结论：　（１）本文针对水利规划咨询项目中存在的山　区河道水面线和管涵漫水桥壅水计算的问题，简要　阐释了以往解决此类问题方法的局限性和　ＨＥＣ—ＲＡＳ应用于解决这两方面问题的适用性。　２　３　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，２００８，３３（３）：１０３—１０５．　王佰伟，田富强，桑国庆．Ｈｅｃ—Ｒａｓ洪水演进模型的应用［Ｊ］　南水北调与水利科技，２０１１，９（３）：２４—２７．　戴文鸿，高嵩，张云，唐洪武．ＨＥＣ—ＲＡＳ和ＭＩＫＥ１ｌ模型河床　糙率应用比较研究［Ｊ］．泥沙研宄，２０１　１（６）：４１－４５．　ＵＳ　Ａｒｍｙ　Ｃｏｒｐｓ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ　Ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　（２）在山区河道水面线计算方面，通过对比　分析计算实例，发现未经过横断面加密修正处理的　模型计算结果相比较于经过加密修正后的成果，差　异较大且存在明显的不合理性。认为对局部河段尤　Ｃｅｎｔｅｒ．ＨＥＣ—ＲＡＳ　Ｒｉｖｅｒ　Ａｎａｌｙｓｅ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｕｓｅｒ’ｓ　Ｍａｎｕａｌ［ｍ］．　２００２．　ＵＳ　Ａｒｍｙ　Ｃｏｒｐｓ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ　Ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｅｎｔｅｒ．ＨＥＣ—ＲＡＳ　Ｒｉｖｅｒ　Ａｎａｌｙｓｅ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　其是急缓流流态变化和断面收缩扩大较剧烈的河　Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　Ｍａｎｕａｌ［Ｍ］．２００２．　（上接第２９页）占７０％，２＂－＇３年一遇涝水时均为　农业损失，随着洪水频率的增大，农业损失呈减少　趋势。详见表４。　表４农业损失占比情况表　重现期　农业损失占比（％）　（年）　马庄村　箭井岗　朱台村　乔口村　孙浅村　杨楼村　平均　村　５０　３０　十分复杂，极易发生暴雨，且时空分布不均，暴雨　集中、雨期长、雨区广，极易形成洪涝灾害。淮北　平原及沿淮洼地地势低洼，汛期外河洪水位高出　地面，受外河洪水顶托涝水难以自排，“关门淹”　现象严重。　长期以来，由于投入不足工程建设标准偏低，　排水体系不完善、除涝能力弱，面上积水不能及时　排出，加重了涝灾损失；工程管理薄弱，也影响排　涝工程益发挥；河湖洼地过度围垦降低滞蓄能力，　增加了内涝发生的频率并加重了涝灾的损失。　通过研究，充分认识安徽省淮河流域涝灾的分　布和发展变化趋势，掌握易涝洼地不同年型的洪涝　灾害损失情况以及涝灾损失与洪水频率的关系，为　合理确定易涝洼地治理标准、治理范围提供了技术　支撑。　‘４７・　３８　７３　２５　２２　３９　５７　３９　５７　２０　１Ｏ　３　２　１Ｏ０　９９　５５　８４　４２　３ｌ　５３　７０　４９　７０　１Ｏ０　ｌ００　１Ｏ０　ｌ０Ｏ　１００　１Ｏ０　５结语　淮河流域地处我国南北气候过渡带，气候条件