全志淼，孫 輝，周 棟

(1.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南鄭州450046；2.湖北省咸寧市水文水資源勘測局，湖北咸寧437100)

0 引言

近些年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)學(xué)模型越來越多的應(yīng)用于實(shí)際工程的模型分析中，這也給涉河工程的防洪影響評價(jià)分析計(jì)算提供了可行的、有效且便捷的途徑。本文以宜昌市鳴翠谷景區(qū)涉河工程為例，采用HEC-RAS軟件計(jì)算其在設(shè)計(jì)洪水頻率下工程前后的河道水面線，以保證工程建成后景區(qū)防洪要求達(dá)到20 a一遇[1]。

1 模型介紹

HEC-RAS軟件是美國陸軍工程兵團(tuán)水文工程中心開發(fā)的一款河道水面線的計(jì)算軟件，適用于一維、二維河道恒定流或非恒定流水面線的計(jì)算，可進(jìn)行各種涉水建筑物(橋梁、涵洞、堤防、水庫等)的計(jì)算模擬，是目前工程界應(yīng)用最為廣泛的流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件之一[2]。

本次計(jì)算采用天然河道一維恒定流方法進(jìn)行建模，將計(jì)算河道劃分為若干河段，上下相鄰兩斷面間的水位采用下述方程求解[3]：

(1)

2 工程概況

鳴翠谷景區(qū)所涉河段位于宜昌市點(diǎn)軍區(qū)紫陽河的上游，紫陽河是長江南岸的一級支流，屬山區(qū)性河流。紫陽河總體流向由西北流向東南，流域面積11.04 km2，主河道長度8.6 km，河道坡降為34.0‰。流域內(nèi)有三峽鳴翠谷旅游度假區(qū)，為國家AAA級景區(qū)。鳴翠谷景區(qū)在興建規(guī)劃時(shí)，河道上配套設(shè)計(jì)了一個(gè)攔水壩，攔截壩河，圍水成湖，形成了一定的湖泊景觀效果的金龜湖。景觀建成運(yùn)行以來，給人們帶來了一種新的景觀視覺，但也慢慢暴露出一些問題，造成了一定的負(fù)面作用。一是攔水壩阻礙了河水流動(dòng)，把活水基本變?yōu)樗浪?，加上兩岸部分景區(qū)生活污水直排河道，長時(shí)間不開壩換水，水體富氧后，河水就變綠變臭，使水庫成為一個(gè)新的污染源，直接影響市民鍛煉休閑，影響景觀應(yīng)有的效果。二是汛期時(shí)，景區(qū)遭遇暴雨，由于地處山區(qū)，洪水集結(jié)十分迅速，而景區(qū)攔水壩缺乏有效的泄洪措施，庫區(qū)水位容易雍高，引發(fā)安全事故，故此進(jìn)行防洪評價(jià)[4]。

本次計(jì)算采用《鳴翠谷景區(qū)河堤整治工程》整治后設(shè)計(jì)斷面，斷面樁號自K0+000起至橋址下游K0+740止。主要建筑物參數(shù)見表1、表2。樁號的布置見表3，攔水壩處適當(dāng)加密，整個(gè)河段共計(jì)劃分為10個(gè)斷面[5]。

表1 攔水景觀壩參數(shù) 單位：m

表2 橋梁參數(shù)計(jì)算表

表3 計(jì)算斷面樁號表

3 水面線計(jì)算結(jié)果

涉河段設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用20 a一遇，設(shè)計(jì)洪水水面線根據(jù)河道恒定非均勻流水面曲線基本方程式(水流能量方程式)從上游河段出口斷面向下游進(jìn)行推算，為對比分析，水面線推算考慮了兩種狀態(tài)，一是涉河工程現(xiàn)狀水面線的成果，二是提出工程補(bǔ)救措施整改到位后的水面線情況，兩種情況進(jìn)行對比分析[6]。

該段河道較為平直，河道主槽較平整，兩岸均采用擋土墻護(hù)砌，參考《水力計(jì)算手冊》的糙率取值表，由于河道平均寬度不到30 m，且河道均被渠化，本次計(jì)算河道主槽、邊灘的糙率統(tǒng)一取0.03[7]。

計(jì)算上游斷面在5%設(shè)計(jì)頻率下對應(yīng)的下游水位，下游采用樁號K0+740河口為控制斷面。計(jì)算成果見圖1、圖2、表3。

圖1 計(jì)算斷面的布設(shè)

圖2 橋梁建模

從表3中可以看出，本次涉河工程的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，相應(yīng)設(shè)計(jì)流量為79.2 m3/s，除#2橋周邊區(qū)域不滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在20 a一遇的設(shè)計(jì)洪水條件下，水面線高出堤防高程0.53 m，其余河段均滿足20 a一遇洪水的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。#2橋橋面高程較低，斷面深泓高程為91.55 m，橋高1.2 m，橋面高程為92.75 m，20 a一遇洪水條件下水面線為92.83 m，堤防高程為92.30 m。20 a一遇洪水條件下，#2橋會出現(xiàn)漫水的現(xiàn)象，且此時(shí)橋邊的堤防高程低于水面線0.53 m，所以現(xiàn)狀河段不滿足相應(yīng)的防洪要求，故采取以下整改措施：對#2橋周邊進(jìn)行清淤，降低高程以疏通河道；同時(shí)對#2橋周邊河道堤防進(jìn)行加高，河道整治后水面線計(jì)算成果見表4。

表3 鳴翠谷景區(qū)河道整治工程前水面線計(jì)算成果表

表4 鳴翠谷景區(qū)河道整治工程后水面線計(jì)算成果表

從表4可以看出，河道整治后鳴翠谷景區(qū)在遭遇20 a一遇洪水時(shí)，#2橋處水面線92.66 m，而#2橋面高程92.75 m，求得的水面線低于橋面，而且此時(shí)堤防已經(jīng)過加高，堤防高程為94.77 m，高于水面線2.11 m。故此可以得出結(jié)論：紫陽河鳴翠谷景區(qū)河段經(jīng)過整治后，在遭遇20 a一遇洪水時(shí)，滿足相應(yīng)的過流要求。

4 結(jié)論

HEC-RAS軟件在分析計(jì)算涉河工程河段的水面線時(shí)簡便實(shí)用，工程的適用性較好，軟件模擬結(jié)果較為直觀，方法簡單實(shí)用、成果也比較可靠，可作為防洪評價(jià)工作的工具之一。此外，軟件的使用對工程河段的測量資料，尤其是橫斷面的測量資料精度要求較高。在條件允許的情況下，建議應(yīng)盡可能地在涉河工程河段多設(shè)置測量大斷面，并且將橫斷面間的測點(diǎn)距適當(dāng)加密，以提高計(jì)算的精度。