郭 晴

（山西省水利水電勘測設計研究院 山西太原 030024）

0 引言

溢洪道水面線計算，通常情況下采用《溢洪道設計規(guī)范》（SL253-2000）中的泄槽水面線計算公式，此公式的原理是基于能量方程，用逐段試算法推求。首先確定各斷面的樁號，其次分析流態(tài)并計算出控制斷面的控制水深，然后以控制水深作為已知水深逐段試算出下一個斷面的水深直至結束。這種方法要求每個斷面的水深都需要進行反復試算才能求出，計算工作量繁瑣且枯燥。而通常在溢洪道的設計中一般會采用不同的底坡進行方案比選，這樣就帶來了大量的重復工作，導致設計人員要耗費大量的時間和精力。而本文著重介紹的HEC-RAS軟件可以很好地解決這一問題，利用HEC-RAS軟件計算水面線，只需建立好水力模型，輸入斷面數(shù)據(jù)，設置好各個斷面相關參數(shù)以及流量邊界條件，就可以迅速計算出準確的水面線，省略了繁瑣的試算工作，大大提高了溢洪道設計的效率。本文運用HEC-RAS軟件對廣志水庫溢洪道水面線進行計算，并采用通常的逐段試算法對其結果進行復核，復核結果說明HEC-RAS軟件計算準確。

1 HEC-RAS軟件簡介

HEC-RAS是由美國陸軍工程兵團水文工程中心開發(fā)的水面線計算軟件包，適用于河道穩(wěn)定和非穩(wěn)定流一維水力計算，其功能強大，可進行各種涉水建筑物（如橋梁、涵洞、防洪堤、堰、水庫、溢洪道、抽水站、障礙物）的水面線分析計算，同時可生成橫斷面形態(tài)圖、流量及水位過程曲線、復式河道三維斷面圖等各種分析圖表，使用起來十分方便簡捷。河道水力分析模型——HEC-RAS軟件是一個針對一維恒定/非恒定流的水力模型，主要用于明渠河道流動分析和洪泛平原區(qū)域的確定。

HEC-RAS是一個綜合性的水力分析軟件包，軟件使用的是圖形界面（GUI），能夠模擬計算緩流、急流及混合流的水面線，本次介紹使用的版本是3.1.3，在以后的版本中，還將包括泥沙運動和水力設計功能。

HEC-RAS軟件的用戶界面如圖1所示，使用者可以在這個界面上建立水力模型、各種數(shù)據(jù)輸入及存儲、水力分析、成果輸出等。

圖1 HEC-RAS軟件的用戶界面

2 廣志水庫工程概況

廣志水庫總庫容為222萬m3，屬小（1）型工程，工程等別為Ⅳ等。工程分為水庫樞紐和供水管線兩大部分，其中水庫樞紐工程建筑物包括大壩、泄水建筑物以及供水管線的進水塔和壩下埋鋼管段，泄水建筑物包括導流泄洪洞、岸邊溢洪道。

溢洪道由引渠段、控制段、泄槽段、挑流段組成，總長165m。

樁號0-073.5～0-005為引渠段，溢洪道引渠長78.5m，平底，底高程1176.7m，向上游呈喇叭形擴散布置。樁號0-005～0+005為控制段，長10m，溢洪道控制段進口為無底坎寬頂堰，堰頂高程為1177m，凈寬15m。樁號0+005～0+079為泄槽段，長74m，斷面為矩形，底寬15m，樁號0+055之前設計底坡為1∶20，樁號0+055之后設計底坡為1∶3。底板及邊墻采用鋼筋混凝土襯砌，厚0.5m，槽深由進口的3.5m漸變至2.5m。樁號0+079～0+091.5為挑流反弧段，反弧半徑為15m，挑射角29.93°。本次計算取樁號段0+005-0+079進行水面線計算。

經(jīng)調(diào)洪計算，溢洪道在設計洪水位（P=3.3%）情況下泄量為22m3/s，校核洪水位（P＝0.33%）情況下泄量為138m3/s。在進行溢洪道消能設計時，根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》和《溢洪道設計規(guī)范》（SL253-2000）應該按常遇洪水進行布防。由于設計泄量較小，采用設計泄量進行溢洪道消能設計意義不大，所以本次計算時選取校核泄量進行計算?？刂茢嗝娌捎脧木徚鬟^渡到急流的分界面，即控制段與泄槽段的連接面，以臨界水深作為控制水深。溢洪道縱剖面形狀見圖2。

下面利用HEC-RAS軟件對廣志水庫溢洪道水面線進行計算，再用傳統(tǒng)的水面線計算方法對其結果進行驗證。

圖2 溢流道縱剖百圖

3 HEC-RAS軟件計算

HEC-RAS軟件計算恒定流基于一維能量方程。其計算公式如下:

式中Z2、Z1為下斷面、上斷面的主河道高程，H2、H1為下斷面、上斷面的斷面水深；v2、v1為下斷面、上斷面的平均流速；α2、α1為流速系數(shù)；g為重力加速度；hC為兩端面間的水頭損失。

3.1 HEC-RAS軟件建模

利用計算機軟件解決工程計算問題，最關鍵的核心在于數(shù)學模型的建立，而實際耗費在“計算”的時間相對小得多，所以計算成果的精確程度取決于模型建立的好壞。這就要求設計工作者收集全面的斷面數(shù)據(jù)資料，謹慎選擇合適的相關參數(shù)，及時調(diào)整模型建立過程中發(fā)現(xiàn)的不合適之處。

利用HEC-RAS軟件建立水力模型主要有下列5個步驟：

1）開始一個項目。在軟件首頁新建工程—“廣志水庫溢洪道水力計算”。

2）繪制河系圖。河系圖是由一條一條的水力計算段為基礎組成的。根據(jù)廣志水庫溢洪道泄槽的平面圖在幾何模型中繪制河系圖，方向必須是從上游到下游。繪制好水力計算段后輸入“河流標記”和“水力段標記”。

3）輸入幾何數(shù)據(jù)。在橫斷面窗口輸入廣志水庫溢洪道泄槽段的斷面樁號、斷面間距、斷面各個測點坐標和高程數(shù)據(jù)以及糙率數(shù)據(jù)。本工程糙率取0.014，收縮損失系數(shù)取0.1，擴散損失系數(shù)取0.3。

4）輸入水流數(shù)據(jù)和邊界條件。本次計算采用校核流量138m3/s。邊界條件需要輸入臨界水深，通過計算得2.052m。

5）選擇流態(tài)，執(zhí)行水力計算。選擇HEC-RAS水面線計算程序進行恒定流分析，程序提供了緩流、急流、混合流3種流態(tài)。根據(jù)工程特性，本次計算選擇自上游到下游的急流模式。

3.2 HEC-RAS軟件計算成果輸出

HEC-RAS軟件計算的結果可以以圖、表形式輸出，計算水深數(shù)據(jù)經(jīng)整理如表1，圖形結果經(jīng)整理如下圖3。

表1 HEC-RAS溢洪道水面線計算成果表

圖3 水面線計算成果簡圖

4 逐段試算法計算復核

此方法推求水面線首先應找出起始斷面的水深，根據(jù)溢洪道的布置情況，水流由緩流到急流必然經(jīng)過臨界水深，故而將起始斷面選取在樁號0+005處，即溢洪道有平坡到陡坡的變坡處。臨界水深經(jīng)過計算得2.052m，即校核泄量下的控制水深為2.052m。。

水面線的推求應按照《溢洪道設計規(guī)范》（SL253-2000）P47頁“泄槽水力計算”公式計算。泄槽水面線應根據(jù)能量方程，用逐段試算法計算，計算公式如下：

式中：%Δl1－2——分段長度，m；

h1、h2——分段始、末斷面水深，m；

V1、V2——分段始、末斷面平均流速，m/s；

α1、α2——流速分布不均勻系數(shù)，取1.05；

θ——泄槽底坡角度；

i——泄槽底坡，i=tgθ；

J平均%——分段內(nèi)平均摩阻坡降

n——泄槽槽身糙率系數(shù)；

V平均——分段平均流速，

R平均——分段平均水力半徑

泄槽段總長為74m，為矩形斷面底寬15m，設計底坡1/20，1/3。計算水深數(shù)據(jù)如表2。

表2 溢洪道泄槽段水面線成果表

5 復核結果

比較表1、表2的水深數(shù)據(jù)，可以看出二者的結果非常接近，最大誤差僅為1.7%，說明HEC-RAS軟件成果計算是較為準確的，用于溢洪道水面線計算可以滿足設計精度要求。

6 結語

本文主要介紹了HEC-RAS軟件計算水面線的原理及操作步驟，并運用HEC-RAS軟件對廣志水庫溢洪道進行了水面線計算，得到了很好的結果。使用中應注意：

1）HEC-RAS軟件默認的計算精度為0.01英尺（0.003m），一般情況下可以滿足工程計算的精度要求。

2）在輸入幾何數(shù)據(jù)和水流數(shù)據(jù)之前，先要設定好單位系統(tǒng)，即公制，因為軟件默認的是英制。

3）HEC-RAS軟件最大的特色之一是擁有強大的斷面資料修改界面，使設計人員可以短時間內(nèi)修改、編輯河道幾何型態(tài)，包括設計出新的河道斷面。這個優(yōu)點可以幫助設計人員快速設計出多個比選方案，從而選擇出最符合工程需要的斷面。

總之，HEC-RAS軟件作為一款功能強大、界面友好、計算準確、方便實用的計算工具，將把設計人員從繁重、枯燥的計算工作中解脫出來，同時也相應地提高了設計人員的工作效率。在設計人員中推廣運用HECRAS軟件，必將加快了工程設計的進度，從一定程度上促進了工程的建設步伐，具有很強的現(xiàn)實意義。