渭河咸阳段行洪能力及桥梁壅水的水力计算

咸阳市天然气输配三期渭河穿越工程防洪评价刘素梅【摘要】介绍了咸阳市天然气输配三期渭河穿越工程项目概况.通过现场查勘,对项目区河道历史演变概况、近期演变及演变趋势进行了分析.采用实测资料分析、理论(经验)公式、面积比拟法,计算分析穿越工程设计洪水和河道行洪、冲刷淤积数据,核定管道穿越断面在河段的设计洪水及冲刷深度等,探讨了工程建设可能给河道防洪、河岸防护、安全度汛、工程管理等方面造成的影响,最后作出综合评价:项目可以顺利实施.【期刊名称】《广西水利水电》【年(卷),期】2018(000)005【总页数】5页(P80-84)【关键词】天然气输配;渭河;防洪评价;河道;演变;咸阳【作者】刘素梅【作者单位】三原县水利工作队,陕西三原 713800【正文语种】中文【中图分类】TV8771 概况为了满足咸阳市发展需求，规划建设咸阳市城市天然气输配三期工程。

工程供气范围为：东起西咸交界，北至三原县。

渭河两岸河堤之间的宽度约1 197 m，勘察期穿越区河流主槽水位最深约0.7 m。

本项目管段采用定向钻穿越，穿越等级为河流大型穿越，设计洪水频率1%。

根据涉河工程建设的有关法规和国家计委、水利部《河道管理范围内建设项目管理的有关规定》，需对该工程项目进行防洪评价。

2 河道演变分析在距今大约2000多年的历史时期内，渭河河道演变可分为历史时期、三门峡水库修建前、修建后3个发育阶段。

本次河道演变分析以1960年三门峡水库修建前作为历史时期，1960年以后按近期演变进行分析。

2.1 河道历史演变概况据大量文献记载和考古资料证实，近2000余年来渭河中下游河道侧蚀北移。

将古河道与今日渭河河道做比较，可以看出，渭河从一级阶地形成以来河道不断向北偏移的规律，项目段渭河总的趋势是由南向北移动。

2.2 河道近期演变分析2.2.1 河床冲淤变化分析图1 渭河下游历年累计淤积体积变化图（1）渭河下游河道冲淤变化分析。

1960年以后，渭河下游的侵蚀基本面迅速抬升，河道出现了严重的淤积，排洪能力迅速降低，淤积末端不断上延，改变了60年代以前天然河道的性质。

城市跨河桥梁工程防洪综合评价及管理措施摘要：在城市规划过程中，出于城市美化等角度考虑，往往存在着河流从城市中穿过的现象，致使区域城市防洪工作成为城市规划工作的重点内容。

为提升城市交通通行能力，加强河流两岸的交通衔接，促进城市经济发展，跨河桥梁的建设尤为重要。

城市涉河建筑物必然与城市防洪问题紧密相连，因此，城市跨河桥梁建设对于区域城市防洪的影响逐渐成为热点话题。

综合分析某区域城市防洪特点，结合桥梁所在河段情况及设计方案本文对城市跨河桥梁工程进行防洪综合评价及并提出合理可行的管理措施进行分析，以供参考。

关键词：桥梁工程；防洪综合评价；管理引言跨河桥梁建设对河道的影响，主要体现在河道管理范围内设置的桥墩束窄了河道过水断面，水流过桥墩时需克服桥墩阻力，造成局部能量的损失，从而在桥墩前形成一定水位壅高和水头损失，增加了防洪压力。

1概述拟建铧山大桥位于陕西省神木市窟野河中游干流上，左岸为神木老城区滨河大道，右岸为铧西区铧山小区。

本次设计拆除既有窟野河铧山桥，在原址新建一座桥梁，新铧山大桥全长595m，孔跨布设从左岸至右岸为（3×25）m+（3×30）m+（2×67.6）m+（104+152）m+（25）m，主桥横跨窟野河，左侧引桥上跨滨河大道下接铧山路，右侧引桥上跨既有辅道，涉河桥长323.6m，主桥以全桥跨方式跨越窟野河，1#桥墩位于右岸基岩山体上，4#桥墩位于河道左岸滨河大道东，在河道内布设桥墩两组，分别为2#和3#桥墩，2#桥墩宽6m，3#桥墩宽3m。

河道内梁底最低高程948.29m，大桥跨左岸河堤为67.6m连续箱梁，桥梁轴线方向与左岸河堤夹角约90°，左岸现状堤顶高程为931.80m，桥梁左岸堤防处最低下弦高程为948.17m，现状梁底净空为16.37m。

堤防临水侧桥墩承台距堤脚5.29m，距离桥墩墩柱7.7m，背水侧距离人行梯道墩柱1.62m。

该桥为城市主干路上的特大桥，设计防洪标准为300年一遇。

设计洪水水面线推算根据沿程比降、流量、建筑物及支流汇入情况，水面线分段进行推算。

(1）水面线推算的基本公式水面线计算按明渠恒定非均匀渐变流能量方程，在相邻断面之间建立方程，采用逐段试算法从下游往上游进行推算。

具体如下：2g2g 21w 2221V h V Z Z αα-++= 式中： 1Z 、1V —-上游断面的水位和平均流速；2Z 、2V ——下游断面的水位和平均流速；j f w h h h +=——上、下游断面之间的能量损失；l RC Vh f 22=-—上、下游断面之间的沿程水头损失； )22(2221gV g V h j -=ζ—-上、下游断面之间的局部水头损失; ζ——局部水头损失系数，根据《水力计算手册》，由于断面逐渐扩大的ζ取值0.333，桥渡处ζ取值0。

05～0。

1。

C —-谢才系数；R ——水力半径；α——动能修正系数。

（2）河道糙率河道的粗糙系数受到河床组成床面特性、平面形态及水流流态、植物、岸壁特性等影响，情况复杂,不易估计,本工程河道基本顺直,床面平整，经过整治的河床粗糙系数可以采用《水工设计手册》第一卷P1—404介绍的当量粗糙系数x Nxnn ∑=1当 ；设总湿周x 的各组成部分1x ，2x ，……N x 及所对应的粗糙系数分别为n 1，n 2……n N 。

1糙率的选取河道糙率影响因素有河槽方面也有水流方面。

河槽边壁及河床粗糙程度，滩地植被，河槽纵横形态的变化是主要因素。

大洪水糙率小于小洪水糙率，若附近有大洪水资料时可采用河段附近现状河道纵横断面资料反推综合糙率；若河道纵横断面于大洪水有较大变化时应在河道原貌的基础上反推糙率;反推糙率实际上小于实际糙率.无资料时可根据经验参照水力计算手册确定，偏重于安全考虑，在河道整治工作中糙率适当选小些，在防洪规划中适当大一些。

2起推断面与起推水位的确定水流为缓流时起推断面一般选在推算河段下游，急流时选在上游，附近下游有水文站时以水文站为起推断面,依据实测水位资料分析不同标准洪水位,当缺乏高标准的水位流量关系时可适当将水位流量关系外延。

HEC-RAS在跨河桥梁防洪壅水计算中的应用李宗伟;陈锋彪【摘要】利用H EC-RAS计算了两种洪水工况下跨河桥梁建设前后的水面线,确定了桥梁建设后引起壅水的高度,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用于跨河桥梁的壅水计算是合适的.【期刊名称】《长春工程学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(016)004【总页数】3页(P49-50,67)【关键词】HEC-RAS;防洪;壅水高度;水面线【作者】李宗伟;陈锋彪【作者单位】长春工程学院,长春130012;山东省东明县水务局,山东菏泽274500【正文语种】中文【中图分类】TV131.4跨河桥梁的建设侵占行洪断面[1]面积，给河道行洪和两岸堤防安全造成一定影响。

同时桥梁设计本身也要考虑由于河道行洪断面的减少引起的壅水。

为保证河道的行洪安全以及两岸堤防和桥梁本身的安全运行，需要开展跨河桥梁防洪影响评价[2]工作，研究由于跨河桥梁建设引起的水位壅高[3]。

本文基于HEC-RAS[4]模型对跨河桥梁的壅水进行了研究。

HEC-RAS是美国陆军工程兵团水文工程中心研发的一维河流分析系统，包括稳定流、非稳定流的水面线[5]计算，泥沙分析和水力设计功能。

稳定流可对河网或单河段的各种流态进行水面线计算。

计算原理基于一维能量方程，逐个断面的通过标准步进法求解。

能量方程如下：，图1清晰地展示了能量方程中的各个参数的物理意义。

其中，水头损失包括沿程损失和局部损失。

采用稳定流计算对防洪评价中的建筑物壅水进行计算。

2.1 工程概况某大桥跨越珲春河干流，位于骆驼河口上游1 797m处，根据地形、地质、水文条件，本桥设置于桩号：K2+827。

桥梁总长990m，共31孔，桥梁结构型式为5×30 m+6×40m+20×30 m简支转连续T梁(箱梁)桥，其中30 m跨径采用箱梁结构，40 m跨径采用T梁结构，桥梁的起始端和末端采用跨越方式跨过堤防。

关于咸阳市渭河横桥工程桥梁用地面积的说明
(一)、渭河横桥工程西安侧管理范围内共分三部分：
(1)西安引道部分桥梁段，（0～14#墩）渭河横桥长度为439.147m，宽
度为50m（11m辅道+28m桥梁+11m辅道），投影面积为439.147×50m=21957.35㎡；
(2)南大堤部分，顺桥向长度为83.455m(11.325m南大堤南侧坡长+49m
大堤宽度+23.13m南大堤北侧坡长)，宽度为28m，投影面积为2336.74㎡;
(3)渭河河槽西安管理范围：渭河河槽中心里程为K2+487.5m，此范围
桥梁长度为1191.598m,宽度为28m，桥梁投影面积为1191.598×28m=33364.744㎡.
以上三部分渭河横桥工程总投影面积为57658.834㎡.
（二）、渭河横桥工程西安管理范围内桥墩台身投影面积总计为953.32㎡.
具体每个墩墩身投影面积及重要里程见附表。

陕西省河道管理条例(2024修正)文章属性•【制定机关】陕西省人大及其常委会•【公布日期】2024.05.30•【字号】•【施行日期】2024.05.30•【效力等级】省级地方性法规•【时效性】现行有效•【主题分类】防汛抗旱正文陕西省河道管理条例（2000年12月2日陕西省第九届人民代表大会常务委员会第十九次会议通过2004年8月3日陕西省第十届人民代表大会常务委员会第十二次会议修正2010年3月26日陕西省第十一届人民代表大会常务委员会第十三次会议第二次修正根据2018年5月31日陕西省第十三届人民代表大会常务委员会第三次会议关于修改《陕西省实施<中华人民共和国环境影响评价法>办法》等十一部地方性法规的决定第三次修正根据2024年5月30日陕西省第十四届人民代表大会常务委员会第十次会议关于修改《陕西省河道管理条例》的决定第四次修正）目录第一章总则第二章河道整治与建设第三章河道保护第四章河道清障第五章法律责任第六章附则第一章总则第一条为加强河道管理，确保河道行洪畅通和工程安全完整，发挥河道的综合效益，根据《中华人民共和国水法》、《中华人民共和国河道管理条例》及有关法律、法规，结合本省实际，制定本条例。

第二条本条例适用于本省行政区域内河道（包括湖泊、人工水道、行洪区、蓄滞洪区）的整治、利用、保护及其相关的管理活动。

河道内的航道，同时适用国家和本省有关航道管理的规定。

第三条本条例所称河道管理范围是：有堤防的河道为两岸堤防之间的水域、沙洲、滩地（包括可耕地）、行洪区，两岸堤防及护堤地；无堤防的河道，根据历史最高洪水位或者设计洪水位确定。

河道的具体管理范围，由县级以上人民政府负责划定并公告，由同级水行政主管部门设立明示界桩。

第四条县级以上人民政府水行政主管部门负责本行政区域内河道的保护和监督管理工作。

省三门峡库区管理机构受国家流域管理机构和省水行政主管部门委托，在三门峡库区范围内履行管理职责。

天然河道水面线推算方法及基本参数的分析天然河道水面线推算是河道防洪规划和整治建设工作的基础，是河道堤防工程设计的依据，水面线推算的合理性和科学性对水利工程的投资有直接的影响。

本文主要介绍天然河道水面线的计算方法及基本参数的选取原则，为今后相关工程水力计算作参考。

标签：天然河道；水面线推算；基本参数分析1、天然河道水面线计算公式天然河道因其断面几何尺寸、坡度、粗糙系数一般沿程均会发生变化，水流一般为非均匀流。

水面线计算主要理论依据是伯努利能量守恒方程，从下游向上游断面逐段推算水位，最终得出整个河段的水面线。

基本方程式如下：2、天然河道水面线计算中参数的确定水面线计算中参数确定很重要，关系到计算结果的准确性，如糙率、比降均沿流程都有变化，而要准确确定参数，就必须尽可能的收集水文、泥沙、断面及河道地形等基础资料，包括历史洪水调查资料。

2.1河道糙率确定河道糙率是反应河流阻力的一个综合性系数，也是衡量河流能量损失大小的一个特征量，它是水流与河槽相互相互作用的产物。

所以影响河道糙率的因素有河槽方面也有水流方面，但两者相互作用，相互影响，无明显的划分界限。

河槽边壁及河床粗糙程度，滩地植被，河槽纵横形态、水位的高低变化等是主要因素。

天然河道水面线计算糙率的确定主要有两种方法：一是有实测资料时，可采用河段附近现状河道纵横断面资料反推综合糙率；二是无实测资料时可根据河道现状平面形态、河床组成、床面及滩地植被情况，参照《水力计算手册》和以往同类工程确定，偏重于安全考虑，在河道整治工作中糙率适当选小些，在防洪规划中适当大一些。

2.2起推断面与起推水位的确定一是水流为缓流时起推断面一般选在推算河段下游，急流时选在上游；二是附近下游有水文站时以水文站为起推断面，依据实测水位资料分析不同标准洪水位，当缺乏高标准的水位流量关系时可适当将水位流量关系外延；三是附近下游有调查的历史洪水的水位流量关系时可以采用均匀法求调查断面近似的水位流量关系，从而确定起推断面水位流量关系；四是没有实测资料时，起推断面大多选定与有设计校核水位流量关系的跨河桥或其他有控制的断面，应由此修正起推断面的水位；五是当没有水文站或控制工程时，起推断面一般由河段末端向下游延伸一段距离，距离的长短与河道纵坡有关，当起推断面的水位较难准确确定或不能确定起推断面是否受下游壅水影响时，应进行敏感性分析，即假定起推水位变化时，若河段末端水位没有明显变化，说明起推断面位置相对合适，否则向下游重新选取。

防洪工程常用计算公式在抗洪抢险中，经常遇到一些技术问题，也就是暴雨、洪水、河道、水库的设计洪水、校核洪水、河道过洪能力计算问题，本人把一般常用的水利水电工程计算公式摘录如下，以供大家在抗洪抢险中参考、探讨：㈠暴雨洪水设计⑴暴雨设计：暴雨：12小时降雨量达到30毫米或者24小时降雨量达到50毫米时称为暴雨。

每小时以内的降雨量达到20毫米也称为暴雨。

设计暴雨的计算公式：①设计点雨量计算公式：Htp=KpHt(式中：Ktp——设计点雨量；Kp——皮尔逊曲线值；Ht——最大雨量均值；t——欲求时间；)②设计面雨量计算公式：Ht面=atHt（式中：Ht面——设计面雨量；at——暴雨线性系数；Ht——设计历时点雨量；at、bt——暴雨线性拟合系数；）③暴雨系数计算公式：at=（式中：at、bt——线性拟合参数；F——流域面积；）④多年平均径流量计算公式：Wp=1000yF(式中：Wp——多年平均径流量；y——多年平均径流深；F——流域面积；)⑤设计频率年径流深计算公式：yp=yKp(式中：y——多年平均径流深；Kp——频率模比系数；)⑥多年平均年径流系数计算公式：α=y/x =W/1000Fx（式中：α——多年平均年径流系数；y——年径流深；x——多年平均降雨量；）⑵洪水设计：①洪水特征：一般常用洪峰流量、洪水总量、洪水过程线三个要素表示。

洪水设计的概念：一次降雨形成的洪水过程线，反映洪水的外形，过程线上的最大值就是洪峰流量，用Q表示。

洪峰最高点就是洪峰水位，用Z表示。

洪水过程线和横坐标所包围的面积，经过单位面积换算求得，就是洪水总量，用W表示。

洪水过程线的底宽是洪水总历时，用T表示。

从开始涨水到洪峰流量的历时称为涨水历时，用t1表示。

从洪峰到洪水下落到终止的历时称为落水历时，用t2表示。

洪水总历时等于涨水历时和落水历时之和。

即T=t1 t2。

一般情况下，一次降雨形成的洪水过程称为单式洪水过程。

相邻两次以上的降雨，前面降雨形成的洪水没有泄完，后面降雨形成的洪水接踵而来，称为复式洪水过程。

渭河关中段水环境容量计算研究
陈艳霞;高建勇;刘俊民;钱波
【期刊名称】《人民黄河》
【年(卷),期】2008(030)009
【摘要】根据渭河多年的水质监测资料,选取COD作为衡量渭河污染程度的主要指标,采用一维稳态水质方程和段首控制法计算分析渭河关中段的水环境容量.计算中根据最不利原则,选用最枯月水文条件进行计算,分功能区段计算,最后求和得到渭河关中段总的水环境容量(即年允许排放量)为165 192t/a.其中有一半的功能区段排放量已经严重超出水环境容量,应有针对性地采取措施,对现状污染源排放量进行削减.
【总页数】3页(P46-47,49)
【作者】陈艳霞;高建勇;刘俊民;钱波
【作者单位】西昌学院,工程技术系,四川,西昌,615013;西昌学院,工程技术系,四川,西昌,615013;西北农林科技大学,水利与建筑工程学院,陕西,杨凌,712100;西昌学院,工程技术系,四川,西昌,615013
【正文语种】中文
【中图分类】X26;X522
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基于二维水流数学模型的壅水分析计算段璆【摘要】长沙市湘江巴溪洲综合整治利用工程建成后,使上下游河段水流形态发生变化,上游河段水位有不同程度的壅高,为了较精确地计算巴溪洲工程建设对湘江河道防洪的影响,采用河道平面二维水流数学模型进行工程对河道行洪水位和流场影响的计算,并对工程前后工程河段水位和流速等的变化进行分析.【期刊名称】《湖南水利水电》【年(卷),期】2016(000)002【总页数】4页(P42-45)【关键词】壅高;二维水流数学模型;水位;流速【作者】段璆【作者单位】长沙市水利水电勘测设计院长沙市410015【正文语种】中文（长沙市水利水电勘测设计院长沙市410015）巴溪洲综合整治利用工程位于湘江干流长沙河段南部，湘江黑石铺大桥以南约3 km位置，隶属长沙市岳麓区。

巴溪洲与湘江东岸（长沙市天心区暮云开发区）隔水相距不到1 km，与湘江西岸（坪塘集镇）相隔不到300 m。

巴溪洲长约3 450 m，平均宽度约300 m，最大宽度约400 m，总体地形为北高南低，洲面高程主要在（30～34）m之间，最高洲面高程为36.4 m。

该河段平均河宽约1 100 m，最大河宽约1 230 m。

巴溪洲位于湘江河道左侧，将湘江分为左右两汊，左汊河宽（180～260）m；右汊为主航道，河宽（600～820）m。

由于巴溪洲是由河道泥沙淤积形成的天然沙洲，洲滩地质条件较差，目前岸坡崩塌、失稳现象比较普遍，巴溪洲综合整治工程的建设会加大洲滩边坡的冲刷，势必会对巴溪洲的建设造成较大的不利影响。

加上湘江长沙综合枢纽下闸蓄水后，水位抬升更加容易引起巴溪洲岸坡崩塌、失稳等。

2.1 工程阻水要素分析根据工程设计方案，选取断面k3+650、k3+400、k2+650、k1+800、K1+000、k0+200为控制断面。

根据巴溪洲河段河道地形以及实测大断面，确定工程建设前各频率设计洪水位下过水面积及水面宽；根据巴溪洲综合整治工程可研方案，计算工程建设后各频率设计洪水位过水面积。

渭河下游河道造床流量及过洪能力变化分析
张冰洁;王灵灵;薛亚莉;曲艳
【期刊名称】《陕西水利》
【年(卷),期】2018(000)001
【摘要】选取渭河下游主要控制站咸阳站、临潼站、化县站,分别统计三站在渭河综合治理前(1974～2010年)和综合治理后(2011 ～ 2014年)水沙情况、河道造床流量及过洪能力等数据,通过综合治理前后特征数据对比的方法反映造床流量及过洪能力的变化情况,结果表明:综合整治后,随着堤防的加高培厚及新建,河道的造床流量和过洪能力大大增加.
【总页数】3页(P8-9,11)
【作者】张冰洁;王灵灵;薛亚莉;曲艳
【作者单位】陕西省河流工程技术研究中心,陕西西安710018;陕西省江河水库管理局,陕西西安710018;陕西省延安水文水资源勘测局,陕西延安716000;陕西省河流工程技术研究中心,陕西西安710018;陕西省江河水库管理局,陕西西安710018;陕西省河流工程技术研究中心,陕西西安710018
【正文语种】中文
【中图分类】P333
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文章编号:1006 2610(2023)05 0031 05基于HEC-RAS 的过水桥涵壅水分析研究陈至立1,张　赞2,安占刚1,曹绮欣1,薛树红1,3,葛　杰1,冯家豪1(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)摘　要:为研究过水桥涵在河道防洪中的壅水高度影响,以陕西省榆林市靖边县马营沟流域为例,采用涵洞及堰流联合试算方法和HEC-RAS 模型数值模拟方法,分别计算该流域4座过水桥涵的壅水水位,并进行成果合理性分析及对比㊂结果表明:1号桥涵壅水两种方法计算结果一致,2号桥涵壅水采用涵洞及堰流联合试算方法比HEC-RAS 模型模拟结果高0.02m,3号桥涵壅水采用涵洞及堰流联合试算方法比HEC-RAS 模型模拟结果低0.01m,4号桥涵壅水采用涵洞及堰流联合试算方法比HEC-RAS 模型模拟结果稍低0.01m,两种方法计算过水桥涵壅水的结果相差较小,且均合理实用㊂在项目设计过程中,可根据实际情况任选一种,或者采用两种方法分别计算对比,以增加工程设计的精度㊂关键词:HEC-RAS;数值模拟;过水桥涵;联合试算;壅水分析中图分类号:TV87 文献标志码:A DOI :10.3969/j.issn.1006-2610.2023.05.006Study and Analysis on Backwater of Bridge Culverts based on HEC -RASCHEN Zhili 1,ZHANG Zan 2,AN Zhangang 1,CAO Qixin 1,XUE Shuhong 1,3,GE Jie 1,FENG Jiahao 1(1.PowerChina Northwest Engineering Corporation Limited ,Xi'an　710065,China ;2.Yellow River Water Conservancy and Hydropower Development Group Co.,Ltd.,Jiyuan　459017,China ;3.Flood Disaster Emergency Intelligent Decision-Making Innovation Studio ,Xi'an　710065,China )Abstract :In order to study the influence of backwater height of overflow bridges and culverts on river flood control ,taking the Mayinggou watershed in Jingbian County ,Yulin City ,Shaanxi Province as an example ,the backwater levels of four overflow bridges and culverts in the watershed are calculated by the joint trial calculation method of culverts and weirs and the numerical simulation method of HEC-RAS model ,and the rationality of the results is analyzed and compared.The results show that the calculation results of the two methods for backwater of Bridge and Culvert 1is consistent ;the joint calculation method of culvert and weir flow for backwater of Bridge and Culvert 2is 0.02m higher than the simulation results of HEC-RAS model ,the joint calculation method of culvert and weir flow for backwater of Bridge and Culvert 3is 0.01m lower than the simulation results of HEC-RAS model ,and the joint calculation method of culvert and weir flow for backwater of Bridge and Culvert 4is slightly 0.01m lower than the simulation results of HEC-RAS model.It can be seen that the difference in the results of the two methods in calculating the backwater of overflow bridges and culverts is small ,and both methods are reasonable and practical.During the project design process ,both methods can be chosen in accordance with the actual situation ,or two methods can be used to calculate and compare separately to increase the accuracy of engineering design.Key words :HEC-RAS ;numerical simulation ;overflow bridges and culverts ;joint trial calculation ;backwater analysis 收稿日期:2023-07-12 作者简介:陈至立(1992-),女,陕西省澄城县人,工程师,主要从事水文分析计算㊁水资源评价等工作. 基金项目:中国电力建设股份有限公司重大科技项目(DJ -ZDXM-2022-41).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]㊂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㊂已有的阻水建筑物(桥㊁涵㊁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㊁河势稳定等方面产生了重要影响[3]㊂===============================================桥梁壅水对河道防洪的影响一直以来是热点关注问题㊂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㊂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㊂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㊂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㊂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㊂在河道水面线壅水计算中,对于有桥墩的板式桥梁,可采用TB10017-2021‘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㊂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㊁出口局部水头损失㊁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,TB10017-2021‘铁路工程水文勘测设计规范“中的桥前壅水公式不适合㊂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㊂另外可采用HEC-RAS㊁MIKE11㊁MIKE21模型进行数值模拟分析㊂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㊂1　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TB10017-2021‘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:ΔZ m=η(V m2-V02)(1)式中:ΔZ m为桥前最大壅水高度,m;η为与河段特征及河滩路堤阻挡流量和设计流量的比值有关的系数;V m为桥下断面平均流速,m/s;V0为桥前断面平均流速,m/s㊂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:Q1=μω2g(T0-h p)(2)式中:μ为流量系数;ω为涵洞出口断面面积,m2;T0为上游水面与涵洞出口底板高程差T,及上游行近流速水头V20/2g之和,一般可认为T0≈T;h p为涵洞出口断面水流的平均单位势能,h p=0.5a+p/γ;a 为出口断面洞高,m;p/γ为出口断面平均单位压能㊂当有压涵洞出口为自由出流时,p/γ的值取决于出口断面下游的边界衔接情况和出口断面水流的弗劳德数,一般小于0.5a㊂它反应了出口断面压力分布不符合静水压力规律和出口段顶部存在负压的情况㊂当出口段为逐渐收缩时,出口段顶部负压得以消除,可取p/γ等于0.5a㊂当出口为淹没出流时,可取h p等于h s,h s为出口断面底板起算的下游水深㊂公式(2)中的流量系数μ,由下式计算:μ=11+∑ζi(ωωi)2+∑2gl i C2i R i(ωωi)2(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);l i为涵洞第i段的长度,m;与之相应的断面面积㊁水力半径和谢才系数分别为(上式根号内第二项中的ωi)㊁R i㊁C i㊂桥面以上部分过水,按堰流流量公式计算:Q2=σsσc mnb2g H3/20(4)式中:b为每孔净宽,m;n为闸/涵孔孔数;H0为包括行近流速水头的堰前水头,即H0=H+V202g,m;m为流===============================================量系数,与堰型㊁堰高等边界条件有关;σs为侧收缩系数;σc为淹没系数㊂过桥总流量: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㊂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㊂1.2　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㊂适用于河道治理项目中的一维水动力计算,可进行桥梁㊁涵洞㊁闸门等涉水建筑物的水面线分析计算㊂HEC-RAS软件模拟河道断面及涉水建筑物,有能量守恒方程㊁动量平衡等方法㊂能量守恒方程如下:Z2+Y2+α2V 2 22g=Z1+Y1+α1V212g+h e(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;h e为能量水头损失㊂HEC-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㊁第二部分是桥/涵自身的能量损失㊁第三部分是桥/涵下游段的能量损失[9-10]㊂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㊂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㊂2　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㊁庙界村㊁陈家砭村,于靖边县青阳岔镇陈家砭村汇入老庄沟㊂河道全长16.58km,流域面积65.3km2㊂图1　HEC-RAS桥/涵模拟断面布置马营沟流域地形西北高东南低,高程在1200.00~1400.00m,上游分水岭最高点庞家畔村海拔1440.00m,沟口处海拔高程1200.00m左右㊂地貌属黄土丘陵沟壑区,植被稀疏,以沙生植物为主㊂马营沟流域如图2所示㊂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㊂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3~4㊂===============================================图3　马营沟1号桥和2号桥照片图4　马营沟3号桥和4号桥照片表1　马营沟流域桥涵尺寸表河段桥涵编号桥长/m 桥宽/m 河底高程/m桥面高程/m孔数/个每孔直径/m 孔顶高程/m马营沟1号桥14.041188.081187.48321186.982号桥12.041185.641188.89221187.023号桥8.541188.231191.14211188.904号桥17.061192.521196.1331.61193.63 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0.034㊂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㊁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㊂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㊂水位~流量关系曲线见图5㊂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1.6km,而1号桥涵壅水长度影响范围为834m,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2.7km,2号桥涵的壅水长度影响范围为289m,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4.3km,3号桥涵的壅水长度影响范===============================================围为312m,因此3号桥涵的壅水未影响至4号桥涵处㊂经计算天然河道水面线,马营沟1~4号桥涵均为过水桥涵㊂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㊂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6㊂表2　马营沟工程段桥涵壅水成果表桥梁编号桥梁型号洪水频率下游断面水位/m 桥下水位/m 壅水高度/m 涵洞+堰流联合试算HEC-RAS 涵洞+堰流联合试算HEC-RAS差值1号过水桥涵10%1188.271188.951188.950.680.680　2号过水桥涵10%1189.771190.051190.030.280.260.023号过水桥涵10%1191.671192.001192.010.330.340.014号过水桥涵10%1196.911197.281197.290.370.380.01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0.02m,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0.01m,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0.01m㊂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㊂3　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㊁阻水建筑物边界条件考虑不周㊁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㊂(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㊂从结果看,模型的模拟精度较高,仿真度较好[12-13]㊂(3)HEC-RAS 软件模拟桥涵壅水,操作运用简便㊁仿真效率高㊂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㊂两种方法在桥涵壅水分析的应用上均合理可行㊂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㊂参考文献:[1]　程静文,程旭强.河道综合治理工程水工设计的若干问题[J].水利水电工程设计,2022,41(1):4-6,49.[2]　戴荣,王琦.基于SCS 模型的资料缺乏地区小流域设计洪水计算方法研究[J].西北水电,2020(6):57-60,67.[3]　袁玉,巴欢欢,胡学东,等.基于HEC-RAS 的水库坝址上下游桥梁工程壅水计算分析[J].水利水电快报,2023,44(1):77-80,86.[4]　何家伟.HEC-RAS 模型在桥墩壅水计算中的应用[J].水利技术监督,2022,172(2):163-165,210.[5]　张永华,刘国梁,丁昌春.呼口大桥防洪评价雍水及回水计算分析[J].黑龙江水利科技,2016,44(1):10-13.[6]　蒋卫威,鱼京善,陈寅生,等.基于FLOW3D 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