1、山区河道水面线和管涵漫水桥壅水计算探讨摘要：在防洪规划和咨询类项目中对山区河道水面线和管涵漫水桥壅水的精确计算一直是一个重点难点。随着计算机技术的发展，人们在工程实践中对防洪规划工作的科学化、精细化要求越来越高，突出表现在面对一些比较复杂情况的水面线计算问题时提出了更高的精度要求。山区天然河道设计水面线和对管涵漫水桥壅水计算是江河堤防工程设计的重要依据，直接关系到堤防工程的规模和安全。 关键词：山区；管涵；漫水桥；水面线；壅水 中图分类号： U449 文献标识码： A 一、山区天然河道水面线计算 (一)计算方法 山区天然河道水面线的计算，就是根据河道地形、断面资料、糙率、比降等资料，推求该河段
2、某个断面处在某一流量下的水位，据此可连接出一条对应于该流量的水面曲线。山区天然河道水面线计算一般采用恒定非均匀流能量方程计算，其公式为： 式中：Zu、Zd 分别为上、下游断面水位；Q 为断面流量；s 为断面间距；Ku、Kd 为上、下游断面流量模数， n 为断面糙率，A 为断面面积，R 为水力半径； 为动能修正系数，与断面上流速的不均匀性有关，对流速不大的平原河道影响较小，一般取 =1；对流速较大的山区河流或急流险滩其 值应偏大，山区河流=1.52.0； 为局部水头损失系数。计算的常用方法为试算法和图解法，由于计算机的普及和计算技术的发展，适用于计算机编程的试算法应用普遍。 (二)参数确定 水面
3、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。 (1)糙率确定。河道糙率是反映河流阻力的一个综合性参数，也是衡量河流能量损失大小的一个特征量，是水面线计算中一个关键性参数，取值的变化将对水面线成果影响很大。糙率与河流的水深、比降、河床质组成、断面几何形状、水流平面形态等诸多水力因素有关，同时河道沿程也在变化，同一河段水位不同也会变化。在实际计算中，如计算河段有水文站，我们可以借用水文站多年实测糙率资料分析出各河段糙率与水位、糙率与流量的关系曲线。没有水文站的河段，或根
4、据计算河段实测水面线采用试糙法来确定糙率，或历史洪水调查洪痕用曼宁公式反推糙率，也可查相关资料的山区天然河道糙率表。对于复式断面的主槽糙率与滩地糙率应分别确定。 因为山区天然河道上游至下游其河床砂石粒径有从大到小的变化规律，所以在确定糙率时应注意以下几点：经过试算所拟定的河床糙率应大致符合上游大下游小的规律，如河道沿程整治改造，或修建堤防工程等，糙率也会随之而变。总之糙率选择要慎重，应注意从偏安全方面选取。 (2)局部水头损失系数确定。关于河道的局部水头损失，一般对于逐渐收缩的河段，局部水头损失很小，可忽略不计；对于扩散河段，局部水头损失视扩散的急剧程度不同来选定，一般选用-0.3-1.0。
5、(3)起始水位的确定。水面线计算一般按照自下而上的断面顺序进行计算，起始断面应在设计河段的最下游。若起始断面恰好为水文站断面，可根据该水文站水位流量关系曲线给定起始水位。若水文站断面在上游，可根据水文站水位流量关系曲线结合河道比降初定起始断面水位，或用曼宁公式确定下游断面的起始水位。 二、水面线计算 进行河道水面线计算的方法有试算法、图解法以及简易计算法等，由于目前计算机及计算技术的发展，大部分都用计算机编程计算的逐段试算法。 逐段试算法是推算水面线的基本方法，它精确可靠，适用性广。其思路是根据工程和实际情况的需要，将计算河段分为若干个子河段，一般情况下由下游向上游推算，从而得到整个河段的水面
6、线。如计算河段有水文站，到水文站断面时将计算水位与相应流量的已知水位进行比较，根据水位拟合情况调整参数，再行计算，如此反复，直至在水文站断面计算水位与已知水位基本相符为止。如计算河段没有水文站，则计算结果应与相同流量下的调查洪水位进行比较，确定 计算结果。 三、成果合理性分析 不同设计洪水的水面线计算完成之后，应对其进行合理性分析。合理性分析包括：山区天然与设计的对比、不同防洪标准之间的对比、不同堤距间的对比等。山区天然与设计的对比应符合断面的变化情况，一般来说断面缩窄时水位应有所抬升，断面变宽时水位有所降低的变化规律；不同防洪标准之间的对比应满足防洪标准越高设计水位越高的变化规律；不同堤距间
7、的对比应满足堤距越窄设计水位越高的变化规律。 (1)单断面水位合理性检查。根据计算出各断面的水力要素，结合断面形态分析其合理性，并与各断面的调查洪水位进行分析比较。 (2)对计算河道内特殊断面（如桥梁、卡口等）水位，应考虑壅水等因素，单独进行合理性分析。 (3)结合河道地形图及断面图，对整个计算河段的水面线进行综合检查分析，分析水面线突出点是否合理，计算流量水面比降与调查洪水比降是否一致等。 四、管涵漫水桥壅水计算 管涵漫水桥是北方偏干旱河道常见的一种桥梁型式，桥面贴近河底，大水时桥身深埋在洪流下部，减少冲击力；小水时下方管涵通过水流兼有桥面承重作用，有造价低廉，施工简便的优点。 与常见的大江
8、大河桥墩过流流态不同，管涵漫水桥过流被桥面分为上半部分堰流和下半部分全断面有压满管流两部分，需对两部分过流单独计算能量损失再迭代配平两者的桥前断面能量水头，其计算复杂程度明显高于普通桥墩过流情况。目前国内关于此类桥涵壅水计算的研究还比较少见，更无经严格验证并被长期广泛认可并采纳的规范公式可应用于工程实践。在北京地区以往的类似工况的计算中，主要采用以下两种方法进行推演，一是认为草叶泥沙等物淤堵管涵而忽略下方管涵的过流，直接以堰流公式求解管涵漫水桥壅水。显然，此方法推算出壅水结果偏高，尤其发生低重现期洪水，淹没桥面深度不太高的情况下，忽略管涵过水的概化情况与实际情况明显不符。二是不区分管流和堰流，
9、只笼统考虑横断面上桥体阻水面积占全过水断面面积的比例一个因素，此法在发生高重现期洪水，桥体被深没于洪流中时也是可行的，但在发生中低重现期洪水时也存在明显的局限性。 HEC-RAS（River Analyse System）是美国陆军工程兵团水文工程中心开发的一款一维河道水面线计算软件包。其适用于一维河道恒定流或非恒定流水面线计算，可进行各种涉水建筑物（桥梁、涵洞、堤防、水库等）的计算模拟，方法多样，功能强大，也是目前国际工程界应用最广泛的一维流体动力学计算软件。 以某高速公路改建工程应急临时便道洪水影响评价为例，应急临时便道按照混合式过水路面即管涵漫水桥结构型式设计，路面结构下铺设钢筋砼管涵，
10、钢筋砼管涵内径为 720mm，管四周用砼包满。为防止水流冲刷，涵洞洞口两侧采用浆砌片石铺砌，桥面最低处仅比河底高约1.1m。对于本工程中管涵出口段型式，其出口能量损失系数一般取 1.0，则壅水计算结果主要由堰上流量系数 C、涵洞入口能量损失系数 ken 和管内壁糙率 n 三个参数来约束。HEC-RAS 水力计算手册详细列举了描述涵洞入口能量损失系数 ken 和管内壁糙率 n 的取值表，而对堰上流量系数C 的取值则只给出了建议性的取值参考（宽顶堰 1.381.71metric） 。 在实际计算中，C、ken 和 n 三个参数选取的合理性直接关系着计算结果的合理性，因此需对三个参数分别进行敏感性分
11、析。参照 HEC-RAS 水力计算手册中罗列的取值参考，本算例选取C=1.44、ken=0.5、n=0.013 作为基本组，再按表 1 分别选取另外 6 组对照组进行对比分析。 表 1 C、ken、n 三参数敏感性分析取值表 对 3 年、5 年、10 年和 20 年每个重现期中七个计算组的算例统一采用相同的边界条件和概化地形。为避免下边界条件的选取所造成的影响，将下边界条件设置于下游足够远处，并验证确认其不会对研究区计算成果造成影响。 分别对所处河段 3 年、5 年、10 年和 20 年一遇设计洪水情况下临时便道壅水计算的基本组和对照组成果进行对比，其对比图见下图（ad） 。不同洪水重现期三参
12、数敏感性对比表 由图可见，abcd 四种重现期工况中，堰流系数 C 的取值变化对壅水高计算值的影响都明显比入口损失系数 ken 和管壁糙率 n 的变化对壅水高的影响更敏感。并且随着流量由低重现期 3 年一遇的 380m3/s 逐渐增至高重现期 20 年一遇的 2500m3/s，堰流系数 C 对壅水高计算值的影响愈发敏感，而入口损失系数 ken 和管壁糙率 n 的敏感性则愈发减弱。例如a 图中，堰流系数 C 的变化使得壅水高由 0.32m 涨至 0.36m，升高0.04m；而同样流量情况下入口损失系数 ken 和管壁糙率 n 的变化使得壅水高各自仅升高 0.02m。但在 d 图中，堰流系数 C
13、的变化使得壅水高升高幅度达 0.22m，而入口损失系数 ken 和管壁糙率 n 的变化只分别影响壅水高度 0.01m 和 0m，敏感性已很微弱。 结语 针对水利规划咨询项目中存在的山区河道水面线和管涵漫水桥壅水计算的问题，简要阐释了以往解决此类问题方法的局限性和 HEC-RAS 应用于解决这两方面问题的适用性。 参考文献 1杨扬，郝敏，史源，韩凤霞.HEC-RAS 分析多种结构类型桥梁壅水相互影响的应用J.山西水利，2010，08:37-38. 2林劲松，巨江，张宽地，吕宏兴.复杂地形条件下天然河道水面线计算研究J. 西北农林科技大学学报(自然科学版)，2010，09:187-191. 3周斌，王义帮.天然河道水面线计算的一种改进方法J.广东水利水电，2006，03:59-60.
