基于HEC—RAS的斷密澗河尹莊村段水面線分析

秦永泰

摘要： 為了保障斷密澗河（尹莊村段）治理工程的順利實(shí)施，根據(jù)工程特性和流域水文特征，應(yīng)用HEC-RAS水力模型，對(duì)設(shè)計(jì)洪水條件下的河道水面線進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果表明：HEC-RAS軟件能夠較好得模擬出設(shè)計(jì)河道水面線，并通過(guò)有關(guān)圖表給出各涉河建筑物的阻水影響范圍，其中改建的交通橋和現(xiàn)有彩虹橋需要采取一定的工程措施增加其過(guò)流能力，方可保證斷密澗河的行洪安全。

Abstract： In order to carry out Duanmijian River （Yinzhuangcun） controlling projects scientifically and reasonably， this paper applied HEC-RAS to analyze river water surface curve under the created conditions， based on engineering characteristics and hydrological characteristics. Results show： HEC-RAS software could calculate the water surface line， and provide current-obstruction area of the hydraulic structures vividly. Duanmijian River flood safety can be ensured only if the recreation traffic bridge and existing Rainbow bridge discharge capacity will be increased by some engineering measures.

關(guān)鍵詞： HEC-RAS；水面線；河道治理；斷密澗河

Key words： HEC-RAS；water surface curves；river regulation；Duanmijian River

中圖分類號(hào)：TV85 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）13-0094-03

0 引言

我國(guó)降水時(shí)空分布差異化明顯，降水主要集中在汛期，并多形成暴雨型洪水，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成不同程度的損失[1-2]，加快防洪能力落后的中小河流治理勢(shì)在必行。然而，推求水面線是中小河流治理工程的基礎(chǔ)工作，不僅影響到工程造價(jià)和建設(shè)規(guī)模，而且直接關(guān)系到工程周邊人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，因此在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)科學(xué)合理地確定水面線，保證河道行洪安全。

目前，有關(guān)推求水面線的方法包括逐段試算法、直接逐步法和圖解法等傳統(tǒng)方法[3]，以及較為先進(jìn)的MIKE、HEC-RAS、SOBEK等水力計(jì)算模型[4-6]，其中HEC-RAS軟件功能強(qiáng)大，使用方便，近年來(lái)已廣泛應(yīng)用于水利水電工程領(lǐng)域[7-11]。本文基于HEC-RAS模型對(duì)河道水面線進(jìn)行研究。

1 HEC-RAS簡(jiǎn)介

HEC-RAS（The Hydrologic Engineering Center developed the River Analysis System，簡(jiǎn)稱HEC-RAS）是由美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)水文工程中心開發(fā)的一款河流水力分析系統(tǒng)，適用于恒定流、 非恒定流、水質(zhì)分析和泥沙輸移計(jì)算，可對(duì)混合流、急流、緩流等多種流態(tài)進(jìn)行模擬[12]，并可通過(guò)HEC-GeoRAS從DEM圖件獲取相關(guān)的地形、河流、橫斷面、糙率等地理空間數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)預(yù)處理效率[13]。

HEC-RAS在洪水流量水位推算、河道水面線推算、涉水建筑物影響分析（庫(kù)壩、跌水、溢洪道、泵站、橋涵等）、洪水淹沒(méi)區(qū)分析、橋梁阻水和局部沖刷分析和河流水質(zhì)演進(jìn)分析等領(lǐng)域均有應(yīng)用，同時(shí)可根據(jù)需要生成水位-流量關(guān)系圖、水位流量過(guò)程線、縱橫大斷面圖和水面線計(jì)算成果表等各種圖表。

1.1 恒定流

2 工程實(shí)例應(yīng)用

斷密澗河發(fā)源于盧氏縣杜關(guān)鎮(zhèn)石橋溝村，屬黃河二級(jí)支流，于下游從靈寶市區(qū)穿過(guò)，流域面積162km2，河道全長(zhǎng)49km，平均比降為1.49%。本研究主要涉及斷密澗河尹莊村段，河道全長(zhǎng)約1.2km。

2.1 工程概況

該工程位于河南省靈寶市城區(qū)，河段范圍為隴海線鐵路橋上游50m處（0-050）至長(zhǎng)安路彩虹橋下游73m處（1+205.5）。工程河段上下游段均完成了兩岸拆遷及河道治理工程，而本河段尚未治理，且原有堤防堤距窄、質(zhì)量差、多被洪水沖毀，加之河道內(nèi)違章建筑，生產(chǎn)、生活垃圾亂堆，荒灘裸露，雜草叢生，不僅與上下游河道景觀很不協(xié)調(diào)，而且在一定程度上降低了河道的防洪能力。

斷密澗河（尹莊村段）治理工程分為河道部分和水工建筑物部分，其中河道部分總長(zhǎng)1255m，河床底寬55m，河床兩側(cè)采用M10漿砌石防沖基礎(chǔ)，基礎(chǔ)寬1m，埋深2.5m；蓄水面以下采用C25混凝土護(hù)坡并預(yù)留0.5m安全超高，蓄水面以上為混凝土連鎖護(hù)砌的生態(tài)護(hù)坡，坡比1：2，護(hù)坡高度隨河道地形介于1.6～4.5m之間。護(hù)坡上接L型防浪墻，墻頂高程高于護(hù)坡1m；防浪墻背水側(cè)為人行步道，低于防浪墻頂0.5m。順?biāo)鞣较虿荚O(shè)的水工建筑物依次為攔砂壩及其消力池、交通橋、1#漫水橋、2#漫水橋和1～3#橡膠壩及其消力池。

2.2 模擬分析

2.2.1 工程模型的構(gòu)建

新建工程文件，導(dǎo)入通過(guò)ArcGIS軟件中Geo-RAS模塊提取的河道樁號(hào)、橫斷面、各涉水建筑物等平面數(shù)據(jù)，并根據(jù)橫斷面和各涉水建筑物的工程設(shè)計(jì)參數(shù)建立相應(yīng)模型，生成河道治理工程布置圖，見圖1。

2.2.2 水力參數(shù)的選取

根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201—2014）和《靈寶市城市總體規(guī)劃（2003～2020年）》，該治理工程的防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，設(shè)計(jì)洪峰流量為776m3/s。由于設(shè)計(jì)的河道為規(guī)則的梯形斷面，河底為砂卵礫石，兩側(cè)為坡度較陡的混凝土護(hù)坡和混凝土連鎖護(hù)砌的生態(tài)護(hù)坡，主河槽和兩側(cè)的糙率分別為0.035和0.017，相鄰斷面的收縮系數(shù)和擴(kuò)張系數(shù)分別取0.1和0.3。

本河道設(shè)計(jì)比降為0.01，在各涉水建筑物回水影響區(qū)域內(nèi)為緩流，其他區(qū)域?yàn)榧绷?，模擬時(shí)采用混合流態(tài)，邊界條件為臨界水深。

2.3 模擬成果與分析

通過(guò)模擬計(jì)算，設(shè)計(jì)條件下的河道水面線計(jì)算成果見表1和圖2。由圖2可知，在50年一遇設(shè)計(jì)洪水條件下，治理河段的堤防設(shè)計(jì)高度均滿足要求，隴海鐵路橋可以安全行洪，然而交通橋和彩虹橋由于受到自身橋墩、下游跌水和漫水橋的阻水作用，交通橋基本滿足行洪要求，彩虹橋有洪水漫橋的危險(xiǎn)（見圖3），這將對(duì)橋梁周邊及其下游的防洪產(chǎn)生安全隱患。

因此，需要采取增加過(guò)水?dāng)嗝?、削弱涉水建筑物阻水影響和拆除橋梁重建等措施提高交通橋和彩虹橋處的過(guò)水能力，確保洪水順利泄流。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)斷密澗河（尹莊村段）設(shè)計(jì)河道水面線模擬結(jié)果可知：HEC-RAS軟件可以模擬出設(shè)計(jì)洪水條件下的完整水面線，并可通過(guò)有關(guān)圖表圈定各涉水建筑物的壅水范圍以及河道的行洪效果；治理河道的設(shè)計(jì)堤防滿足行洪要求，但由于橋墩和漫水橋的阻水影響，交通橋和彩虹橋上游水位壅高，嚴(yán)重威脅到兩岸的防洪安全，應(yīng)采取必要的工程措施增加其行洪能力，這對(duì)段密澗河的防洪建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義。同時(shí)，由于HEC-RAS軟件無(wú)法對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證校核，故本研究結(jié)果有待其他方法來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證，以提高模擬結(jié)果的可靠性。

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