橋墩擴孔對阿什河流域防洪影響的數(shù)值模擬研究

邱小杰，毛倩倩，任華春

（上海市水利工程設(shè)計研究院有限公司，上海市 200061）

橋墩擴孔對阿什河流域防洪影響的數(shù)值模擬研究

邱小杰，毛倩倩，任華春

（上海市水利工程設(shè)計研究院有限公司，上海市 200061）

橋梁阻水壅高值計算是防洪影響評價的重要組成部分。研究一般的橋梁壅水問題，規(guī)范推薦采用經(jīng)驗公式法進(jìn)行計算；對于河道水力條件比較復(fù)雜的情況，宜采用數(shù)學(xué)模型計算或進(jìn)行物理模型試驗。相比物理模型，數(shù)學(xué)模型具有投資小、周期短的特點。以阿什河干流道外香坊段河道整治工程為例，運用HEC-RAS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析了橋墩擴孔對河道流域的防洪影響。

HEC-RAS；數(shù)值模擬；橋梁壅水；防洪影響

0　引言

近年來，大型生態(tài)景觀河道綜合整治工程逐漸增多，對于修建堤防，疏拓河道，修建攔泄水建筑物、橋梁保護(hù)、橋梁擴孔等工程，如何合理地分析這些工程的實施對洪水水面線的影響是水利工作者急需解決的問題。

HEC-RAS（River Analysis System）軟件是美國陸軍工程師團開發(fā)的一款免費軟件，其整個系統(tǒng)由用戶-圖形交互界面（GUI）子系統(tǒng)、計算單元子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)輸入和管理子系統(tǒng)、圖形和報告輸出子系統(tǒng)組成，其界面簡潔、功能強大，可計算存在渠道、橋、涵、堤、閘門、溢洪道等水工建筑物的復(fù)雜水力系統(tǒng)的多種水力要素［1-3］。本文以黑龍江省哈爾濱市阿什河道外香坊段為研究對象，運用HEC-RAS計算軟件，對河道整治范圍內(nèi)跨河橋梁的壅水情況進(jìn)行數(shù)值模擬研究［4，5］。

1　研究區(qū)域概況

1.1流域現(xiàn)狀

阿什河位于哈爾濱市東部，是松花江右岸一級支流，發(fā)源于尚志市帽兒山鎮(zhèn)尖山砬子，干流自東南向西北流經(jīng)尚志、五常兩市和哈爾濱市的阿城、香坊、道外三個區(qū)，于哈爾濱市道外區(qū)水泥廠附近匯入松花江，干流河道長213 km，流域面積3 581 km2［6］。治理河段長約25 km。阿什河上游為山區(qū)，河道坡陡，水流湍急，洪水峰高量大，進(jìn)入下游河底比降減緩，河道彎曲，河槽寬淺，泄洪能力低，并且河口受松花江洪水頂托泄流不暢，洪水經(jīng)常泛濫出槽，歷史上多次發(fā)生大洪水造成重大損失。

哈爾濱市阿什河干流道外香坊段擬對阿什河進(jìn)行河道疏浚，局部地區(qū)裁彎取直，兩岸新建堤防，沿河設(shè)攔河壩7座，形成6級水面，其中河道整治范圍內(nèi)共存在10條跨河的公路和1條跨河的鐵路，通過橋梁壅水計算發(fā)現(xiàn)其中幾座橋梁上游壅水比較嚴(yán)重。

1.2橋梁現(xiàn)狀

阿什河下游哈爾濱市城區(qū)段范圍內(nèi)有10座跨河公路橋梁和1座跨河鐵路橋梁。由于部分主河槽進(jìn)行了疏拓并且新開挖3座人工湖，沿河設(shè)7座攔河壩，流域內(nèi)的水流條件非常復(fù)雜［7］，宜采用數(shù)學(xué)模型對橋梁壅水進(jìn)行計算，本文采用一維計算軟件HEC-RAS對橋梁壅高水面線進(jìn)行分析計算［8］。本次分析研究范圍是從上游伏爾加橋到下游松花江河口處。橋梁具體平面位置如圖1所示，橋梁基本情況見表1。

2　模型率定

2.1數(shù)學(xué)模型

HEC-RAS計算模型是由美國陸軍工程師團水文工程中心開發(fā)的一維水面曲線計算模型。該模型通過輸入工程地形、流量等基本資料來計算恒定流及非恒定流條件下河道各斷面水位。HEC-RAS計算一維河道恒定流水面線基于一維能量方程，逐斷面采用直接步進(jìn)法演進(jìn)。其計算公式為

式中：Z1、Z2為下斷面和上斷面的水位高程，m；a1、a2為下斷面和上斷面的流速系數(shù)；v1、v2為下斷面和上斷面的流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；hf、hj為上下游斷面之間的沿程水頭損失和局部水頭損失，m。

圖1　阿什河道外香坊段11座橋梁平面位置示意

表1　橋梁基本情況表

2.2計算參數(shù)

（1）橫斷面資料。河道橫斷面圖及橋梁斷面圖采用2012年4月實測的成果，共計68個，2010年實測斷面6個，共計74個。

（2）縱斷面圖及平面圖。采用2012年4月實測的阿什河干流縱斷面圖、1/2 000平面圖。

（3）設(shè)計流量及起推水位。阿什河沿線有數(shù)條支河匯入，設(shè)計流量從上游至下游依次增大，各控制斷面設(shè)計流量及起推水位見表2和表3。

表2　阿城水文站—阿什河河口區(qū)間各斷面設(shè)計洪水

表3　下游起推水位　m

（4）糙率。阿什河上游屬山區(qū)河流，中下游屬平原河流，本次設(shè)計河段位于阿什河中下游，設(shè)計范圍內(nèi)干流河道基本無深潭和沙灘，灘地遍布碎石和雜草，根據(jù)水力學(xué)手冊確定糙率的范圍并依據(jù)阿城水文站的實測水位-流量關(guān)系試算河道的糙率，經(jīng)試算，主槽糙率n值為0.030～0.049、灘地為0.06～0.10。

2.3模型率定

采用2012年對阿什河干流進(jìn)行的洪水調(diào)查，該流域最近大洪水為1994年洪水，本次對阿什河沿線珍珠島、東風(fēng)鎮(zhèn)、靠河寨、長江路、東方紅橋、拉賓鐵路附近共計調(diào)查了14個洪痕。通過本次調(diào)查洪痕點水位與現(xiàn)狀水面線p=1%比較分析，現(xiàn)狀水面線與實際洪痕點擬合比較好，大部分洪痕點都位于現(xiàn)狀水面線附近，只有個別洪痕點比現(xiàn)狀水面線低。具體比較結(jié)果如圖2所示。

圖2　計算現(xiàn)狀水面線與洪痕率定結(jié)果對比圖

根據(jù)水面線和水文站推求和洪痕點水位分析，綜合考慮本段河道地層巖性為低液限黏土以及級配不良砂，灘地串溝、牛軛湖發(fā)育，沿河魚塘與采砂坑較多，局部主河槽蜿蜒曲折，且濕地、林地、草地多呈碎片分布等河道地形地質(zhì)條件，確定本段糙率主槽為0.03，灘地糙率為0.08比較合理。

3　模型計算

3.1模型計算

本工程沿阿什河兩岸新建提防，在阿什河主槽中設(shè)置7個攔泄水建筑物，形成6級水面，建筑形式包括翻板閘、混凝土跌水壩以及橡膠壩。另外根據(jù)景觀及取土需要利用現(xiàn)有的洼地開挖三個人工湖。

結(jié)合現(xiàn)狀實際情況，通過調(diào)整模型中的斷面參數(shù)，并采用模型率定后的糙率進(jìn)行水面線計算。計算結(jié)果見表4。

表4　河道整治后橋梁過水水位及橋面板底高程　m

3.2計算結(jié)果分析

根據(jù)模型計算結(jié)果，伏爾加橋、賓西鐵路橋、繞城高速跨河橋、聯(lián)勝新橋、先鋒路橋、哈同路橋、工農(nóng)兵橋都可以通過100 a一遇洪水；剩余4座橋梁中，聯(lián)勝橋、民富橋因為設(shè)計時設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低，均不能通過20 a一遇洪水，本次工程將拆除重建，東方紅橋以及長江路橋擬采用橋梁擴孔。

3.3橋梁擴孔后模型計算及分析

針對東方紅橋及長江路橋，對斷面參數(shù)進(jìn)行修改，并重新計算橋梁擴孔后的水面線。計算結(jié)果見表5。

通過分析，長江路橋在經(jīng)過橋梁擴孔后可以通過100 a一遇洪水位，相應(yīng)的橋梁上游水位線略有下降；東方紅橋在經(jīng)過擴孔后仍然不能滿足行洪要求，分析東方紅橋附近地形，可以發(fā)現(xiàn)該處的水面線受制于橋梁上下游斷面。在疏拓上下游斷面重新計算水面線后，東方紅橋可以通過100 a一遇洪水。

4　結(jié)論和建議

（1）近年來，河道整治工程已經(jīng)不僅僅需要滿足城市防洪的要求，有時根據(jù)生態(tài)景觀要求需要在河道中設(shè)置攔河壩、填筑人工島。如何調(diào)節(jié)好這些阻水建筑物與城市防洪之間的矛盾并確定這些攔泄水建筑物的工程規(guī)模，利用一般的水面線計算公式已經(jīng)不能滿足設(shè)計要求。

表5　橋梁擴孔后主要橋梁過水水位及橋面板底高程　m

（2）本工程運用HEC-RAS軟件利用歷史洪痕率定，建立了與阿什河干流現(xiàn)狀擬合較好的數(shù)學(xué)模型，并且根據(jù)防洪景觀需要，合理地模擬了包括河道沿途的流量變化、現(xiàn)狀與設(shè)計防洪堤頂高程的變化、主槽分叉與匯流、攔泄水建筑物的設(shè)置、人工湖與人工島的設(shè)置等各類情況，并運用該模型計算了設(shè)計工況下的水面線，分析了沿途各個橋梁設(shè)計工況下的上游壅水情況，為確定橋梁擴孔提供了設(shè)計依據(jù)。

（3）隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，二維模型的使用也逐漸增多，對于二維模型在復(fù)雜水力邊界條件下橋梁壅水的應(yīng)用還需要更多的探索研究。

［1］US Army Corps of Engineers Institute For Water Resources Hy-drologicEngineeringCenter.HEC-RASRiverAnalysis SystemUser's Manual［M］.2002.

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［3］Seckin G，Haktanir T，Knight D W.A simple method for estimating floodflowaroundbridges［J］.Proceedingsofthe ICE-Water Management，2007，160（4）:195-202.

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［5］趙渭軍.Hec-2方法在橋梁壅水水面線計算中的應(yīng)用［J］.浙江水利科技，1994（4）:49-54.

［6］管立志，孫旭.淺談阿什河流域整治工程中應(yīng)注意的問題［J］.水利科技與經(jīng)濟，2012（18）:47-48.

［7］毛倩倩，李碩嬌，季永興.阿什河哈爾濱城區(qū)段橋墩沖刷計算［J］.城市道橋與防洪，2012，31（6）:10-13.

［8］陳學(xué)劍，潘世虎.HEC-RAS在河道整治工程方案優(yōu)化中的應(yīng)用［J］.人民黃河，2014（7）:199-202.

TV87，U44

B

1009-7716（2016）06-0184-04

2016-03-18

邱小杰（1988-），男，江蘇南通人，助理工程師，從事水利工程設(shè)計、水文水資源研究等工作。