張 慧，劉冠霆，孫 眾

(揚(yáng)州市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225007)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，交通運(yùn)輸作為支撐經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)性設(shè)施，必須符合經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的發(fā)展需求，因而一大批跨河、跨海、高山河谷的橋梁工程在全國(guó)各地得到規(guī)劃興建，為了保障橋梁和河道的長(zhǎng)久安全運(yùn)行，勢(shì)必需要對(duì)其進(jìn)行防洪影響評(píng)價(jià)[1- 2]。

經(jīng)過(guò)跨河橋梁防洪評(píng)價(jià)的多年發(fā)展，已逐步形成了一套完整的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和防治措施[3]，一般均是通過(guò)對(duì)水文資料收集，選擇合理的防洪標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)其進(jìn)行雍水、沖淤的計(jì)算分析，最終判斷涉水橋梁的防洪影響程度[4]。但是，選擇的計(jì)算分析模型對(duì)于準(zhǔn)確判斷防洪評(píng)價(jià)具有重要影響，不同的計(jì)算模型在計(jì)算難易度、準(zhǔn)確度上均有相當(dāng)大的差異，從最初的一維模型，逐步發(fā)展為現(xiàn)在的二維、三維計(jì)算模型，其精確度在不斷提高，但計(jì)算難度也在呈幾何形增長(zhǎng)，選擇合適的防洪影響評(píng)價(jià)計(jì)算模型，在保證計(jì)算精度的情況下，可以大大提高工作效率，節(jié)省設(shè)計(jì)成本[5- 8]。

本文以揚(yáng)州五峰山涉水橋梁為例，采用HEC-RAS模型、MIKE21模型以及HydroInfo模型，從計(jì)算精度上對(duì)橋墩產(chǎn)生的雍水和沖刷進(jìn)行了對(duì)比分析計(jì)算，并綜合考慮計(jì)算工作量，對(duì)三種模型得到的防洪影響評(píng)價(jià)成果進(jìn)行探討。

1 模型簡(jiǎn)介

1.1 HEC-RAS模型

HEC-RAS模型是針對(duì)一維恒定或者非恒定流的河道水利分析計(jì)算模型。該模型可以用于明渠河道流動(dòng)分析和洪泛區(qū)域的水力分析，分析所得的結(jié)果主要用于洪水區(qū)域的管理及洪水的安全評(píng)估，也可用于洪水淹沒(méi)地區(qū)范圍和危害程度的評(píng)價(jià)。例如在進(jìn)行河道整治及新建橋梁等工程時(shí)，需要對(duì)河道壅水高度、流速的變化、橋涵沖刷狀況等情況對(duì)河流輸水及城市防洪的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.2 MIKE21模型

MIKE21是非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格二維水力計(jì)算模型，專門(mén)用于模擬計(jì)算河道、河口、海岸等區(qū)域的水力變化因素。MIKE21為用戶提供了前后處理模塊、水動(dòng)力學(xué)模塊、水質(zhì)和環(huán)境評(píng)價(jià)模塊以及泥沙傳輸模塊等四大模塊，具有無(wú)障礙性、高效性、便捷性、廣泛性、兼容性、靈活性、公認(rèn)性等特點(diǎn)，目前，在國(guó)內(nèi)各大高校和研究設(shè)計(jì)院普遍使用。

1.3 Hydroinfo模型

HydroInfo是計(jì)算復(fù)雜水流與輸運(yùn)問(wèn)題的數(shù)值模擬軟件。該模型可以準(zhǔn)確地模擬一維、二維、三維環(huán)境下恒定或者非恒定水流、波浪、泥沙及與運(yùn)輸相關(guān)的各項(xiàng)水力因素。主要功能包括：流域河網(wǎng)管網(wǎng)模型、二維水流泥沙模型、三維自由水面模型等。HydroInfo進(jìn)行了大量的解析解數(shù)值驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)室測(cè)量數(shù)據(jù)驗(yàn)證與原型觀測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，同時(shí)也被廣泛的實(shí)際工程應(yīng)用證實(shí)了該模型的可靠性、穩(wěn)定性以及高效性。

2 模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

2.1 工程概況

本文以灰糞港橋?yàn)槔M(jìn)行分析。項(xiàng)目路在樁號(hào)K0+960.000處跨越灰糞港，路中心線與河道中心線夾角為71.0°，跨河處將拆除西側(cè)老橋，新建灰糞港橋，并保留利用東側(cè)老橋。河道全長(zhǎng)15.3km，流域面積50.5km2，為通南高沙土地區(qū)白塔河以西片的骨干引排河道，并承擔(dān)江都新城區(qū)排澇和改善水質(zhì)的任務(wù)。橋址處現(xiàn)狀河底高程1.8m，底寬6.0m，坡比1∶2，地面高程約在5.7m左右。規(guī)劃河道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：河底高程-0.166m，底寬5.0m，坡比1∶2.5，河口寬度32.5m，河道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，設(shè)計(jì)水位4.914m，設(shè)計(jì)流量48m3/s。大橋布置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 雍水曲線計(jì)算結(jié)果分析

不同計(jì)算模型得到的雍水情況統(tǒng)計(jì)與實(shí)測(cè)值的對(duì)比見(jiàn)表1。在20年一遇洪水條件下，規(guī)劃修建大橋后，河道的橋下平均流速、斷面平均流速分別為0.58m/s和0.53m/s，河道的最大雍水高度為3.33m，最大雍水曲線長(zhǎng)度為125.41m；通過(guò)對(duì)比三種模型與實(shí)測(cè)值的大小可以看出，三種模型均能較好地模擬大橋興建后的水面曲線特征。但是，仔細(xì)對(duì)比后可以發(fā)現(xiàn)MIKE21模型較其它兩種模型的計(jì)算精度更高，其與實(shí)測(cè)值的誤差范圍更小。

表1 雍水曲線計(jì)算結(jié)果對(duì)比

2.3 橋址處最大沖刷計(jì)算

不同模型計(jì)算得到的橋址處沖刷結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，MIKE21模型計(jì)算得到的最大沖刷深度、平均水深及最大水深均更接近于實(shí)測(cè)值，再次表明MIKE21模型在本次模擬情形下的計(jì)算準(zhǔn)確度更高；HEC-RAS和Hydroinfo模型計(jì)算精度稍差，但與實(shí)測(cè)值相比，誤差均不到3%，表明了其余兩種計(jì)算方法相對(duì)來(lái)講也是較為準(zhǔn)確和可靠的。

圖2 最大沖刷計(jì)算結(jié)果對(duì)比

2.4 堤防抗滑穩(wěn)定性分析

根據(jù)GB50286- 2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，2級(jí)堤防的抗滑穩(wěn)定性系數(shù)不能低于1.25，非常情況下不可低于1.15；4級(jí)堤防抗滑穩(wěn)定性系數(shù)不得低于1.15，非常運(yùn)用時(shí)，不可低于1.05。不同模型計(jì)算得到的20年一遇情況下抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)如圖3所示。從圖3可以看出，三種模型分析計(jì)算得到的堤防抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)均大于1.4，且三者之間相差不大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常堤防工程設(shè)計(jì)的規(guī)范值，表明了本堤防工程設(shè)計(jì)的安全可靠性。

圖3 抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)對(duì)比

2.5 設(shè)計(jì)最大過(guò)流量分析

三種模型計(jì)算得到的最大過(guò)流能力如圖4所示。從圖4可以看出，MIKE21模型計(jì)算得到的最大過(guò)流量與設(shè)計(jì)過(guò)流量相等，而HEC-RAS和Hydroinfo模型計(jì)算得到的最大過(guò)流能力分別較設(shè)計(jì)流量大0.2m3/s和0.5m3/s?？梢?jiàn)，MIKE21模型在計(jì)算精度上仍然要高于其它兩種模型。

圖4 過(guò)流能力計(jì)算分析

3 防洪影響綜合評(píng)價(jià)及討論

灰糞港橋址處過(guò)水?dāng)嗝娣e為89.9m2，橋墩阻斷系數(shù)為10.90%，橋前壅水高度為3.33m，壅水曲線長(zhǎng)度為125.45m；在設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)和尺寸下，三種模型計(jì)算得到的水力因素?zé)o論流速、雍水高度、雍水長(zhǎng)度、最大沖深、抗滑穩(wěn)定性及最大過(guò)流能力上均能滿足相應(yīng)的防洪標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)該河段的行洪能力基本沒(méi)有影響。

無(wú)論是一維模型、二維、三維計(jì)算模型，其總體思路均遵從以下幾個(gè)步驟：①收集相關(guān)資料進(jìn)行分析；②邊界條件分析確定；③選擇合適模型；④模型率定和驗(yàn)證；⑤模擬分析計(jì)算；⑥對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行提取和分析；⑦進(jìn)行防洪綜合評(píng)價(jià)；⑧提出措施和建議。從上文分析得知，在計(jì)算精度上MIKE21模型較其它兩種模型更高，因而才被各大高校和研究院選擇使用，但是在水系復(fù)雜多變、計(jì)算方案多樣的情況下，由于HEC-RAS為一維的分析思路，分析計(jì)算難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其它兩種模型，在保證精度的情況下，選擇HEC-RAS模型能夠節(jié)省大量的人力物力，可在類似工程中推廣使用。

4 結(jié)論

本文以HEC-RAS、MIKE21以及Hydro Info模型對(duì)五峰山涉水橋梁的防洪影響進(jìn)行對(duì)比計(jì)算分析，得出MIKE21模型在計(jì)算精度上高于其它兩種模型；但是，在保證精度的情況下，HEC-RAS分析計(jì)算更為簡(jiǎn)單，能節(jié)省大量的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)時(shí)間和費(fèi)用，在類似工程中可推廣使用。

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