郭 晴

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030024）

0 引言

溢洪道水面線計(jì)算，通常情況下采用《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL253-2000）中的泄槽水面線計(jì)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(jì)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(gè)斷面的水深直至結(jié)束。這種方法要求每個(gè)斷面的水深都需要進(jìn)行反復(fù)試算才能求出，計(jì)算工作量繁瑣且枯燥。而通常在溢洪道的設(shè)計(jì)中一般會采用不同的底坡進(jìn)行方案比選，這樣就帶來了大量的重復(fù)工作，導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員要耗費(fèi)大量的時(shí)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(jì)算水面線，只需建立好水力模型，輸入斷面數(shù)據(jù)，設(shè)置好各個(gè)斷面相關(guān)參數(shù)以及流量邊界條件，就可以迅速計(jì)算出準(zhǔn)確的水面線，省略了繁瑣的試算工作，大大提高了溢洪道設(shè)計(jì)的效率。本文運(yùn)用HEC-RAS軟件對廣志水庫溢洪道水面線進(jìn)行計(jì)算，并采用通常的逐段試算法對其結(jié)果進(jìn)行復(fù)核，復(fù)核結(jié)果說明HEC-RAS軟件計(jì)算準(zhǔn)確。

1 HEC-RAS軟件簡介

HEC-RAS是由美國陸軍工程兵團(tuán)水文工程中心開發(fā)的水面線計(jì)算軟件包，適用于河道穩(wěn)定和非穩(wěn)定流一維水力計(jì)算，其功能強(qiáng)大，可進(jìn)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(jì)算，同時(shí)可生成橫斷面形態(tài)圖、流量及水位過程曲線、復(fù)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(gè)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(dòng)分析和洪泛平原區(qū)域的確定。

HEC-RAS是一個(gè)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(jì)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(yùn)動(dòng)和水力設(shè)計(jì)功能。

HEC-RAS軟件的用戶界面如圖1所示，使用者可以在這個(gè)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?。?）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(jìn)水塔和壩下埋鋼管段，泄水建筑物包括導(dǎo)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(kuò)散布置。樁號0-005～0+005為控制段，長10m，溢洪道控制段進(jìn)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(shè)計(jì)底坡為1∶20，樁號0+055之后設(shè)計(jì)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(jìn)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(jì)算取樁號段0+005-0+079進(jìn)行水面線計(jì)算。

經(jīng)調(diào)洪計(jì)算，溢洪道在設(shè)計(jì)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(jìn)行溢洪道消能設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》和《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL253-2000）應(yīng)該按常遇洪水進(jìn)行布防。由于設(shè)計(jì)泄量較小，采用設(shè)計(jì)泄量進(jìn)行溢洪道消能設(shè)計(jì)意義不大，所以本次計(jì)算時(shí)選取校核泄量進(jìn)行計(jì)算。控制斷面采用從緩流過渡到急流的分界面，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(jìn)行計(jì)算，再用傳統(tǒng)的水面線計(jì)算方法對其結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

圖2 溢流道縱剖百圖

3 HEC-RAS軟件計(jì)算

HEC-RAS軟件計(jì)算恒定流基于一維能量方程。其計(jì)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(jì)算機(jī)軟件解決工程計(jì)算問題，最關(guān)鍵的核心在于數(shù)學(xué)模型的建立，而實(shí)際耗費(fèi)在“計(jì)算”的時(shí)間相對小得多，所以計(jì)算成果的精確程度取決于模型建立的好壞。這就要求設(shè)計(jì)工作者收集全面的斷面數(shù)據(jù)資料，謹(jǐn)慎選擇合適的相關(guān)參數(shù)，及時(shí)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(gè)步驟：

1）開始一個(gè)項(xiàng)目。在軟件首頁新建工程—“廣志水庫溢洪道水力計(jì)算”。

2）繪制河系圖。河系圖是由一條一條的水力計(jì)算段為基礎(chǔ)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(jì)算段后輸入“河流標(biāo)記”和“水力段標(biāo)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(gè)測點(diǎn)坐標(biāo)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(kuò)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(jì)算采用校核流量138m3/s。邊界條件需要輸入臨界水深，通過計(jì)算得2.052m。

5）選擇流態(tài)，執(zhí)行水力計(jì)算。選擇HEC-RAS水面線計(jì)算程序進(jìn)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(jì)算選擇自上游到下游的急流模式。

3.2 HEC-RAS軟件計(jì)算成果輸出

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

表1 HEC-RAS溢洪道水面線計(jì)算成果表

圖3 水面線計(jì)算成果簡圖

4 逐段試算法計(jì)算復(fù)核

此方法推求水面線首先應(yīng)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(jì)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(yīng)按照《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL253-2000）P47頁“泄槽水力計(jì)算”公式計(jì)算。泄槽水面線應(yīng)根據(jù)能量方程，用逐段試算法計(jì)算，計(jì)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(shè)計(jì)底坡1/20，1/3。計(jì)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(fù)核結(jié)果

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

6 結(jié)語

本文主要介紹了HEC-RAS軟件計(jì)算水面線的原理及操作步驟，并運(yùn)用HEC-RAS軟件對廣志水庫溢洪道進(jìn)行了水面線計(jì)算，得到了很好的結(jié)果。使用中應(yīng)注意：

1）HEC-RAS軟件默認(rèn)的計(jì)算精度為0.01英尺（0.003m），一般情況下可以滿足工程計(jì)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(shè)定好單位系統(tǒng)，即公制，因?yàn)檐浖J(rèn)的是英制。

3）HEC-RAS軟件最大的特色之一是擁有強(qiáng)大的斷面資料修改界面，使設(shè)計(jì)人員可以短時(shí)間內(nèi)修改、編輯河道幾何型態(tài)，包括設(shè)計(jì)出新的河道斷面。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)可以幫助設(shè)計(jì)人員快速設(shè)計(jì)出多個(gè)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(qiáng)大、界面友好、計(jì)算準(zhǔn)確、方便實(shí)用的計(jì)算工具，將把設(shè)計(jì)人員從繁重、枯燥的計(jì)算工作中解脫出來，同時(shí)也相應(yīng)地提高了設(shè)計(jì)人員的工作效率。在設(shè)計(jì)人員中推廣運(yùn)用HECRAS軟件，必將加快了工程設(shè)計(jì)的進(jìn)度，從一定程度上促進(jìn)了工程的建設(shè)步伐，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。