維河道水力分析計算系統(tǒng)在橋梁優(yōu)化設(shè)計的應用研究

1、<p>　　三維河道水力分析計算系統(tǒng)在橋梁優(yōu)化設(shè)計的應用研究</p><p>　　HEC-RAS三維河道水力分析計算系統(tǒng)</p><p>　　在橋梁優(yōu)化設(shè)計的應用研究</p><p>　　摘要：基于計算流體動力學的方法，運用三維河道水力學模型HEC-RAS（River Analyse System）分析阿爾及利亞貝賈亞高速公路在建項目2號互通橋梁在百年一遇

2、的最大洪峰流量下，不同橋梁孔跨方案在相同地質(zhì)條件下對橋梁最大沖刷深度的影響，對不同橋梁孔跨方案下三維河道水力學模型計算結(jié)果進行分析研究，確定經(jīng)濟合理的橋梁設(shè)計方案，為今后國內(nèi)外同類橋梁設(shè)計的方案研究提供了新的研究方法。</p><p>　　關(guān)鍵詞：HEC-RAS；沖刷計算；橋梁孔跨方案；研究</p><p>　　HEC-RAS three-dimensional river hydraul

3、ic calculation and analysis system in the research and application of bridge design</p><p>　　Yang Leilei</p><p>　　(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd., Xi’an 710043,China)

4、 Abstract: Methods based on computational fluid dynamics, using 3D hydraulics model HEC-RAS (River Analyse System) analysis of Al and Leigh Bbe Jaya in Highway Project No. 2 interchange bridge in the maximum peak dischar

5、ge of a hundred years, different bridge span of influence on bridge maximum scour depth in the same geological conditions, the different bridge span 3D hydraulics model for calculation results were an</p><p>

6、;　　Keywords: HEC-RAS, Calculation of scour,Bridge span schemes,Research</p><p>　　橋梁孔跨布置是影響墩臺沖刷主要因素，墩傾斜甚至橋梁垮塌。</p><p>　　臺沖刷一直以來被認為是導致橋梁破壞的重要影響橋梁一般沖刷坑形態(tài)及墩臺最大局部原因之一，合理的橋梁孔跨布置是橋梁安全運營沖刷坑深度的主要因素為河道斷面寬

7、度，橋梁孔的重要保障。橋梁一般沖刷坑形態(tài)及墩臺局部沖數(shù)跨徑[1,2]，橋梁墩臺與水流速度的夾角，橋位刷坑深度的正確預測可以為橋梁的設(shè)計、監(jiān)控及處河流的流量及流速，河床地質(zhì)成份的組成粒徑養(yǎng)護提供重要的依據(jù)。雖然從上世紀50年代開等。河道斷面寬度及河流流量、流速為自然條件始，開展了眾多針對橋梁墩臺局部沖刷的研究，下所形成，橋梁孔數(shù)、跨徑及橋梁墩臺與水流速并取得了較大進展，但是由于橋梁沖刷問題的極度的夾角為人為所修建，因此合理的設(shè)計橋梁長其復

8、雜性，因沖刷導致的橋梁垮塌事件依然經(jīng)常度及墩、臺與水流夾角成為影響一般沖刷坑形態(tài)發(fā)生，給社會和財產(chǎn)帶來了巨大的損失。 及墩臺最大局部沖刷坑深度的最主要因素。 1橋梁沖刷危害及其影響因素 2國內(nèi)橋梁沖刷現(xiàn)狀</p><p>　　橋梁一般沖刷坑形態(tài)及墩臺最大局部沖刷2.1 一般沖刷</p><p>　　坑深度的正確預測對橋梁的設(shè)計及維護有重要我國計算橋梁一般沖刷的公式，目前普遍采的影響。如果最

9、大局部沖刷坑被過高估計，可能用1964年我國“橋渡沖刷計算學術(shù)會議”上推造成橋梁建設(shè)成本的大幅提高；而如果局部沖刷薦的64-1公式[3]。，64-1公式是利用我國各地橋坑被過小估計，墩臺沖刷將導致基礎(chǔ)掏空，橋梁梁實測資料并根據(jù)沖止流速的概念建立起來的。下部結(jié)構(gòu)的承載力將會大幅下降，可能造成橋梁橋下一般沖刷停止時的垂線平均流速稱為沖止</p><p><b>　　流速[3]。</b></

10、p><p>　　橋下斷面內(nèi)任意垂線在一般沖刷過程中垂線平均流速降低到該垂線的沖止流速流速時，沖刷即停止，此時達到最大一般沖刷的垂線水深，河槽一般沖刷的基本形式為：</p><p>　　??AQP???hm???hL?h??pm</p><p>　　??? ??Ed???</p><p><b>　　??</b></p&

11、gt;<p>　　式中，hpm為橋下斷面一般沖刷后的最大水深；Qp</p><p>　　為設(shè)計流量；L為橋孔凈長；hm為設(shè)計h為設(shè)計斷面上橋孔部分的平均水深；E為汛期含沙量有關(guān)的參數(shù)；d為河床土壤平均粒徑；A為單寬流量集中系數(shù)。</p><p><b>　　2.2 局部沖刷</b></p><p>　　我國計算橋梁局部沖刷的公式，

12、目前普遍采用1964年我國“橋渡沖刷計算學術(shù)會議”上推薦的65-1公式[3]，65-1公式是以我國自己進行的大量室內(nèi)試驗資料和汛期實橋觀測資料為依據(jù)建立的。</p><p>　　當v?v0.6?v?v&#39;</p><p>　　0時，hB?K?K?1B10?</p><p><b>　　；</b></p><p&

13、gt;　　當v?v0時，h0.6</p><p><b>　　B?K?K?1B</b></p><p><b>　　1</b></p><p><b>　　?</b></p><p><b>　　v?v&#39;</b></p>&l

14、t;p><b>　　?</b></p><p>　　??v?v&#39;?0?</p><p>　　?v?v&#39;???</p><p>　　00式中，hB為橋下局部沖刷坑深度；K?為墩</p><p>　　型系數(shù)；B1為橋墩計算寬度；v為一般沖刷后的垂線平均流速；v0為河床泥沙起動流速；v&a

15、mp;#39;0為</p><p>　　墩前始沖流速；kn1為河床粒徑的影響系數(shù)；E為</p><p>　　汛期含沙量有關(guān)的參數(shù)；n1為指數(shù)。</p><p>　　3國外橋梁沖刷計算模型</p><p>　　HEC-RAS（River Analyse System）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

16、流三維水力計算，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、塊狀阻水建筑物等)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，目前已成為使用最廣泛的三維水力計算軟件之一。 3.1 三維河道水力學計算簡介</p><p>　　河道水力分析模型——HEC-RAS是一個針對三維恒定/非恒定流的水力模型[2]，主要用于明渠河道流動

17、分析和洪泛平原區(qū)域的確定。模型所得結(jié)果可以用于洪水區(qū)域管理以及洪水安全研究分析，用以評價洪水淹沒區(qū)域的范圍及危害程度。如在進行河道整治以及新建橋梁等工程的時候，就要分析考慮河道壅水高度、流速變化、橋涵沖刷[4,5,8]等這些因素對河流輸水，城市防洪的影響。</p><p>　　HEC-RAS主要有以下4部分組成：恒定流水面線計算、非恒定流模擬、可運動邊界泥沙輸移計算、水質(zhì)分析[7,12]。本文主要利用HEC-RA

18、S對非恒定流模擬、河道沖刷計算功能進行影響橋梁墩、臺沖刷深度因素分析，經(jīng)分析比較找出橋梁孔跨布置的最優(yōu)方案。</p><p>　　HEC-RAS的非恒定流模擬式基于連續(xù)方程和動量方程，其中連續(xù)方程[2]為：</p><p><b>　　?????u</b></p><p>　　i??t??x?0i</p><p>　　式

19、中，?為流體密度；u為流速；下標遵守</p><p><b>　　愛因斯坦求和約定。</b></p><p><b>　　動量方程[4]</b></p><p><b>　　為：</b></p><p><b>　　?u2</b></p>&

20、lt;p>　　i?u?t?ui1?p</p><p>　　?uif?x?fi????x?vjj?xj?xi</p><p>　　式中，f為質(zhì)量力；p為壓力；v為壓力流體運動粘滯系數(shù)。</p><p>　　HEC-RAS的一般沖刷計算是基于“清水勞</p><p><b>　　爾森”方程[4]</b></p&g

21、t;<p>　　進行計算的，其方程為：</p><p><b>　　ys??</b></p><p><b>　　2G?</b></p><p><b>　　?Q2</b></p><p>　　??40??1.25D??</p><p>&

22、lt;b>　　50w2</b></p><p><b>　　2??y0</b></p><p><b>　　?</b></p><p><b>　　式中，</b></p><p>　　ysG為一般沖刷深度；Q2為河流流量；D50為河床底部沉淀物的平均直徑；W2

23、河床底部的寬度；y0為對應流量Q2時的河床平均吃水深度。</p><p>　　HEC-RAS中橋梁墩局部沖刷計算是基于</p><p>　　“科羅拉多州立大學”研究方程[3]</p><p>　　進行計算的，其方程為：</p><p><b>　　ys0.35</b></p><p>　　L?2.

24、0?K?Y1?</p><p>　　a1?K2?K3?K4???A??</p><p><b>　　?Fr0.43</b></p><p><b>　　1</b></p><p>　　式中，ysL為橋墩的局部沖刷深度；y1為橋墩上游的吃水深度；a為橋墩寬度； k1為橋墩前端形狀參數(shù)，作為循環(huán)障礙時為

25、100，作為線性障礙時為0.75，作為矩形障礙時為1.03；k2為</p><p>　　和橋墩中心線相比與水侵蝕角度有關(guān)的參數(shù)；</p><p>　　k3為一個可以根據(jù)河床或可見沙丘來增加沖刷深度的系數(shù)；k3為河床鋪設(shè)可能的系數(shù)；Fr1為橋墩上游的弗勞德數(shù)量。</p><p>　　HEC-RAS中橋梁臺局部沖刷計算：第一種</p><p>　

26、　情況（L/y1&gt;25）是基于“USAGE”方程[3]</p><p>　　進行計算的，其方程為：</p><p><b>　　y?K1?0.33</b></p><p>　　s?4y1??0.55??</p><p><b>　　K2Fr1</b></p><p&

27、gt;　　第二種情況（L/y1&lt;25）是基于“弗勒利?！狈匠蘙3]</p><p>　　進行計算的，其方程為：</p><p>　　ys?2.27K0.43.57</p><p><b>　　1K2Ly01</b></p><p><b>　　Fr0.61?y1</b></p&g

28、t;<p>　　式中，ys為橋臺的局部沖刷深度；y1為橋臺基礎(chǔ)上游的吃水深度； k1為橋臺形狀的校對因素；k2為水流侵蝕角度的校對因素，k0.13</p><p><b>　　2???</b></p><p><b>　　?</b></p><p>　?。籉r為弗勞德數(shù)量；L侵蝕長度：</p>

29、<p>　　橋臺阻礙了水流的流動長度。 3.2 三維河道水力學模型實例分析 3.2.1 項目背景</p><p>　　阿爾及利亞貝賈亞港口至東西高速公路連接線北起港口城市貝賈亞，南與東西高速公路相連接，道路全長100公里，途經(jīng)5座城市，設(shè)計為雙向六車道，共分3個標段，S1標段長度為21km，S2標段長度為26km，S3標段長度為53 km。S1標段穿越貝賈亞省的貝賈亞、Tala Hamza、吉爾河、Am

30、izour主要城鎮(zhèn)， S1標段位于蘇馬姆河的入?？谔?，多次穿越蘇馬姆河河流，并通過立交橋與國道RN09和RN75 連接。</p><p>　　蘇馬姆河谷位于阿爾及利亞的東北中央，卡比利亞，阿爾及爾和君士坦丁的中部。其東北—西南方向狹長，介于祖赫祖拉山西部和其延伸到阿格巴爾—古拉亞支脈東北，比班南部和延伸到巴博爾東部中間。自布塞勒哈姆河和薩赫勒河的匯流處的上游部分是蘇馬姆的開端——位于阿克布西南2公里處，蘇馬姆口是

31、下游的終點——位于貝賈亞的東郊。</p><p>　　3.2.2 基本情況</p><p>　　阿爾及利亞貝賈亞高速公路2號互通位于 蘇馬姆河彎曲河道上，其橋梁設(shè)計采用百年一遇洪水頻率[6,10]，我國橋梁沖刷計算基于60年代的試驗公式，該試驗公式僅適用于直線河道上水力計算，無法解決彎曲河道上水流方向多變性的需要。HEC-RAS三維河道水力分析計算系統(tǒng)精確的適用于各種空間變化河流段，本文通

32、過對擬建橋梁河道上，在相同地質(zhì)條件下，不同孔跨布置對橋位處一般沖刷、局部沖刷的影響分析，從而找出經(jīng)濟合理的橋梁孔跨布置方案[9,11]。</p><p>　　2號互通位于S1標段PK6+900處，其橋梁段橫跨蘇馬姆河主河槽區(qū)，根據(jù)收集到蘇馬姆河谷水文站對河流的統(tǒng)計資料可知，蘇馬姆河百年一遇最大洪水流量為2532m3/s，河床經(jīng)常年沖刷與沉積，表層為含沙類粉質(zhì)粘土，表層以下為沙礫石，河床沉積物的直徑取值范圍為0.1

33、~100mm，人工對橋墩換填材料防護粒徑為300mm。</p><p>　　3.2.3 模擬分析</p><p>　　利用河道水力分析模型（HEC-RAS）建立水力模型，其中應注意按河道實際情況對有橋狀態(tài)無效水流區(qū)域的模擬。</p><p>　　第一種情況，蘇馬姆河無橋自然狀態(tài)：</p><p><b>　　圖1 河道平面圖<

34、/b></p><p><b>　　圖2 河道橫斷面圖</b></p><p>　　圖3 河道空間立體圖</p><p>　　表1 無橋狀態(tài)計算結(jié)果</p><p>　　第二種情況，蘇馬姆河布設(shè)3-36m橋狀態(tài)：</p><p>　　圖4 橋位平面布置圖</p><p&

35、gt;　　圖5 橋梁墩、臺沖刷線圖</p><p><b>　　圖6 橋梁縱斷面圖</b></p><p>　　圖7 橋梁空間布置圖 表2 布設(shè)3-36m橋狀態(tài)計算結(jié)果</p><p>　　(1) 表2 布設(shè)3-36m橋狀態(tài)計算結(jié)果</p><p>　　(2) 第三種情況，蘇馬姆河布設(shè)4-36m橋狀態(tài)：</

36、p><p><b>　　圖8</b></p><p><b>　　橋位平面布置圖</b></p><p>　　圖9 橋梁墩、臺沖刷線圖</p><p>　　圖10 橋梁縱斷面圖</p><p>　　圖11 橋梁空間布置圖</p><p>　　表3 布設(shè)4

37、-36m橋狀態(tài)計算結(jié)果</p><p><b>　　(1)</b></p><p>　　表3 布設(shè)4-36m橋狀態(tài)計算結(jié)果</p><p><b>　　(2)</b></p><p>　　對比分析以上三種情況計算結(jié)果，第一種情況為河道無橋自然狀態(tài)，河床底部沖刷粒徑取值為10mm，百年一遇洪峰流量對

38、應最大水位高程為10.23m，水流流速為2.97m/s，河床底部無一般沖刷現(xiàn)象；第二種情況為河道布設(shè)3-36m橋狀態(tài)，河床底部沖刷粒徑取值為10mm，百年一遇洪峰流量對應最大水位高程為10.90m，水流流速為4.61m/s，河床底部一般沖刷深度為0.81m，橋墩最大局部沖刷深度為3.98m，橋臺最大局部沖刷深度為3.73m，橋墩對應總沖刷深度為4.79m，橋臺對應總沖刷深度為4.54m；第三種情況為河道布設(shè)4-36m橋狀態(tài)，河床底部沖刷

39、粒徑取值為10mm，百年一遇洪峰流量對應最大水位高程為10.49m，水流流速為3.80m/s，河床底部無明顯一般沖刷現(xiàn)象，橋墩最大局部沖刷深度為1.7m，橋臺最大局部沖刷深度為</p><p>　　3.32m。運用河道水力分析模型（HEC-RAS）得出河流水力特征各項數(shù)據(jù)后，采用國內(nèi)橋梁沖刷64-1、65-1公式對第三種情況河道布設(shè)4-36m橋狀態(tài)進行計算，河床底部無明顯一般沖刷現(xiàn)象，橋墩最大局部沖刷深度為1.6

40、5m，橋臺最大局部沖刷深度為3.25m?？梢钥闯霾捎脟鴥?nèi)沖刷公式計算結(jié)果與運用HEC-RAS分析模型計算結(jié)果相近，而三維河道水力分析模型（HEC-RAS）分析橋梁沖刷更具有空間性，直觀性和精確性[2]。</p><p>　　由以上三種情況對比分析可知，2號互通在蘇馬姆河道上布設(shè)三孔橋由于大幅壓縮了河道，當發(fā)生百年一遇洪峰流量時，水位高程為10.90m，水流對橋梁墩、臺引起的沖刷深度過大，由橋梁墩、臺沖刷深度過大而

41、引起增加的橋梁防護費用偏高，從經(jīng)濟角度不合理，從安全角度影響了橋梁自身的安全，同時引起了高速公路的運營安全，因此2號互通在蘇馬姆河道上布設(shè)3-36m橋不是最優(yōu)方案，需增加孔跨布設(shè)4-36m橋最為科學、經(jīng)濟、安全、可靠。在河道上修建橋梁，壓縮了河道的自然寬度，阻礙了河道的洪峰流量，改變了河道水流方向[5]，橋梁孔數(shù)的多少及橋梁孔跨的布置長度是引起水流對橋梁一般沖刷、墩臺局部沖刷最主要的因素，因此合理布置橋梁孔跨對橋梁總體沖刷深度至關(guān)重要。

42、</p><p>　　合理的布置橋梁孔跨有效的降低了水流對橋梁墩臺的沖刷深度，沖刷深度的降低大大減少了橋梁防護費用，從而降低了橋梁建設(shè)的整體費用。 4 結(jié)論</p><p>　　本文基于計算流體動力學的方法，利用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HEC-RAS（River Analyse System）程序，通過對阿爾及利亞貝賈亞高速公路2號互通橋梁設(shè)計方案的優(yōu)化，主要結(jié)論

43、如下：</p><p>　?。?）國內(nèi)水力沖刷計算方法仍基于60年代中期的試驗公式，已無法解決因河流流向及橋梁墩臺復雜多變性的需要；</p><p>　?。?）三維河道水力學計算數(shù)據(jù)模型的應用精確解決了河流及橋梁空間立體交叉多變的情況，建議對復雜橋梁的水文水力計算優(yōu)先采用三維數(shù)模進行處理；</p><p>　?。?）采用三維河道水力學模型對橋梁進行輔助設(shè)計，有效解決

44、了河道水文水力計算的復雜</p><p>　　性，建議國內(nèi)院校研究開發(fā)適合我國河流特征的水力計算軟件程序，以更好的說明國內(nèi)河流的水力計算參數(shù)。</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　[1] 中交第一公路勘察設(shè)計研究院.公路勘測規(guī)范[S].人民交通出版社,2007.</p><p>　　[2]

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