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文檔簡(jiǎn)介
1、<p> 三維河道水力分析計(jì)算系統(tǒng)在橋梁優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用研究</p><p> HEC-RAS三維河道水力分析計(jì)算系統(tǒng)</p><p> 在橋梁優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用研究</p><p> 摘要:基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方法,運(yùn)用三維河道水力學(xué)模型HEC-RAS(River Analyse System)分析阿爾及利亞貝賈亞高速公路在建項(xiàng)目2號(hào)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(duì)橋梁最大沖刷深度的影響,對(duì)不同橋梁孔跨方案下三維河道水力學(xué)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析研究,確定經(jīng)濟(jì)合理的橋梁設(shè)計(jì)方案,為今后國(guó)內(nèi)外同類橋梁設(shè)計(jì)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(jì)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(tái)沖刷主要因素,墩傾斜甚至橋梁垮塌。</p><p> 臺(tái)沖刷一直以來(lái)被認(rèn)為是導(dǎo)致橋梁破壞的重要影響橋梁一般沖刷坑形態(tài)及墩臺(tái)最大局部原因之一,合理的橋梁孔跨布置是橋梁安全運(yùn)營(yíng)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(tái)局部沖數(shù)跨徑[1,2],橋梁墩臺(tái)與水流速度的夾角,橋位刷坑深度的正確預(yù)測(cè)可以為橋梁的設(shè)計(jì)、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(hù)提供重要的依據(jù)。雖然從上世紀(jì)50年代開(kāi)等。河道斷面寬度及河流流量、流速為自然條件始,開(kāi)展了眾多針對(duì)橋梁墩臺(tái)局部沖刷的研究,下所形成,橋梁孔數(shù)、跨徑及橋梁墩臺(tái)與水流速并取得了較大進(jìn)展,但是由于橋梁沖刷問(wèn)題的極度的夾角為人為所修建,因此合理的設(shè)計(jì)橋梁長(zhǎng)其復(fù)
8、雜性,因沖刷導(dǎo)致的橋梁垮塌事件依然經(jīng)常度及墩、臺(tái)與水流夾角成為影響一般沖刷坑形態(tài)發(fā)生,給社會(huì)和財(cái)產(chǎn)帶來(lái)了巨大的損失。 及墩臺(tái)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(guó)內(nèi)橋梁沖刷現(xiàn)狀</p><p> 橋梁一般沖刷坑形態(tài)及墩臺(tái)最大局部沖刷2.1 一般沖刷</p><p> 坑深度的正確預(yù)測(cè)對(duì)橋梁的設(shè)計(jì)及維護(hù)有重要我國(guó)計(jì)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(guò)高估計(jì),可能用1964年我國(guó)“橋渡沖刷計(jì)算學(xué)術(shù)會(huì)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(guó)各地橋坑被過(guò)小估計(jì),墩臺(tái)沖刷將導(dǎo)致基礎(chǔ)掏空,橋梁梁實(shí)測(cè)資料并根據(jù)沖止流速的概念建立起來(lái)的。下部結(jié)構(gòu)的承載力將會(huì)大幅下降,可能造成橋梁橋下一般沖刷停止時(shí)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(guò)程中垂線平均流速降低到該垂線的沖止流速流速時(shí),沖刷即停止,此時(shí)達(dá)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(jì)流量;L為橋孔凈長(zhǎng);hm為設(shè)計(jì)h為設(shè)計(jì)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(guó)計(jì)算橋梁局部沖刷的公式,
12、目前普遍采用1964年我國(guó)“橋渡沖刷計(jì)算學(xué)術(shù)會(huì)議”上推薦的65-1公式[3],65-1公式是以我國(guó)自己進(jìn)行的大量室內(nèi)試驗(yàn)資料和汛期實(shí)橋觀測(cè)資料為依據(jù)建立的。</p><p> 當(dāng)v?v0.6?v?v'</p><p> 0時(shí),hB?K?K?1B10?</p><p><b> ;</b></p><p&
13、gt; 當(dāng)v?v0時(shí),h0.6</p><p><b> B?K?K?1B</b></p><p><b> 1</b></p><p><b> ?</b></p><p><b> v?v'</b></p>&l
14、t;p><b> ?</b></p><p> ??v?v'?0?</p><p> ?v?v'???</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(jì)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(dòng)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(guó)外橋梁沖刷計(jì)算模型</p><p> HEC-RAS(River Analyse System)是由美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)水文工程中心開(kāi)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
16、流三維水力計(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(kù)、塊狀阻水建筑物等)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(guò)程曲線、復(fù)式河道三維斷面圖等各種分析圖表,使用起來(lái)十分方便簡(jiǎn)捷,目前已成為使用最廣泛的三維水力計(jì)算軟件之一。 3.1 三維河道水力學(xué)計(jì)算簡(jiǎn)介</p><p> 河道水力分析模型——HEC-RAS是一個(gè)針對(duì)三維恒定/非恒定流的水力模型[2],主要用于明渠河道流動(dòng)
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(píng)價(jià)洪水淹沒(méi)區(qū)域的范圍及危害程度。如在進(jìn)行河道整治以及新建橋梁等工程的時(shí)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(duì)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(jì)算、非恒定流模擬、可運(yùn)動(dòng)邊界泥沙輸移計(jì)算、水質(zhì)分析[7,12]。本文主要利用HEC-RA
18、S對(duì)非恒定流模擬、河道沖刷計(jì)算功能進(jìn)行影響橋梁墩、臺(tái)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(dòng)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(biāo)遵守</p><p><b> 愛(ài)因斯坦求和約定。</b></p><p><b> 動(dòng)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(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)。</p><p> HEC-RAS的一般沖刷計(jì)算是基于“清水勞</p><p><b> 爾森”方程[4]</b></p&g
21、t;<p> 進(jìn)行計(jì)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(duì)應(yīng)流量Q2時(shí)的河床平均吃水深度。</p><p> HEC-RAS中橋梁墩局部沖刷計(jì)算是基于</p><p> “科羅拉多州立大學(xué)”研究方程[3]</p><p> 進(jìn)行計(jì)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(shí)為
25、100,作為線性障礙時(shí)為0.75,作為矩形障礙時(shí)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(gè)可以根據(jù)河床或可見(jiàn)沙丘來(lái)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(tái)局部沖刷計(jì)算:第一種</p><p>
26、 情況(L/y1>25)是基于“USAGE”方程[3]</p><p> 進(jìn)行計(jì)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<25)是基于“弗勒利?!狈匠蘙3]</p><p> 進(jìn)行計(jì)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(tái)的局部沖刷深度;y1為橋臺(tái)基礎(chǔ)上游的吃水深度; k1為橋臺(tái)形狀的校對(duì)因素;k2為水流侵蝕角度的校對(duì)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(zhǎng)度:</p>
29、<p> 橋臺(tái)阻礙了水流的流動(dòng)長(zhǎng)度。 3.2 三維河道水力學(xué)模型實(shí)例分析 3.2.1 項(xiàng)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(zhǎng)100公里,途經(jīng)5座城市,設(shè)計(jì)為雙向六車道,共分3個(gè)標(biāo)段,S1標(biāo)段長(zhǎng)度為21km,S2標(biāo)段長(zhǎng)度為26km,S3標(biāo)段長(zhǎng)度為53 km。S1標(biāo)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(biāo)段位于蘇馬姆河的入??谔帲啻未┰教K馬姆河河流,并通過(guò)立交橋與國(guó)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(zhǎng),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(kāi)端——位于阿克布西南2公里處,蘇馬姆口是
31、下游的終點(diǎn)——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(hào)互通位于 蘇馬姆河彎曲河道上,其橋梁設(shè)計(jì)采用百年一遇洪水頻率[6,10],我國(guó)橋梁沖刷計(jì)算基于60年代的試驗(yàn)公式,該試驗(yàn)公式僅適用于直線河道上水力計(jì)算,無(wú)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(jì)算系統(tǒng)精確的適用于各種空間變化河流段,本文通
32、過(guò)對(duì)擬建橋梁河道上,在相同地質(zhì)條件下,不同孔跨布置對(duì)橋位處一般沖刷、局部沖刷的影響分析,從而找出經(jīng)濟(jì)合理的橋梁孔跨布置方案[9,11]。</p><p> 2號(hào)互通位于S1標(biāo)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(duì)河流的統(tǒng)計(jì)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(duì)橋墩換填材料防護(hù)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(yīng)注意按河道實(shí)際情況對(duì)有橋狀態(tài)無(wú)效水流區(qū)域的模擬。</p><p> 第一種情況,蘇馬姆河無(wú)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(wú)橋狀態(tài)計(jì)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(tái)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(jì)算結(jié)果</p><p> (1) 表2 布設(shè)3-36m橋狀態(tài)計(jì)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(tái)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(jì)算結(jié)果</p><p><b> (1)</b></p><p> 表3 布設(shè)4-36m橋狀態(tài)計(jì)算結(jié)果</p><p><b> (2)</b></p><p> 對(duì)比分析以上三種情況計(jì)算結(jié)果,第一種情況為河道無(wú)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(duì)
38、應(yīng)最大水位高程為10.23m,水流流速為2.97m/s,河床底部無(wú)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(duì)應(yīng)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(tái)最大局部沖刷深度為3.73m,橋墩對(duì)應(yīng)總沖刷深度為4.79m,橋臺(tái)對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)最大水位高程為10.49m,水流流速為3.80m/s,河床底部無(wú)明顯一般沖刷現(xiàn)象,橋墩最大局部沖刷深度為1.7m,橋臺(tái)最大局部沖刷深度為</p><p> 3.32m。運(yùn)用河道水力分析模型(HEC-RAS)得出河流水力特征各項(xiàng)數(shù)據(jù)后,采用國(guó)內(nèi)橋梁沖刷64-1、65-1公式對(duì)第三種情況河道布設(shè)4-36m橋狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算,河床底部無(wú)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(tái)最大局部沖刷深度為3.25m??梢钥闯霾捎脟?guó)內(nèi)沖刷公式計(jì)算結(jié)果與運(yùn)用HEC-RAS分析模型計(jì)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(duì)比分析可知,2號(hào)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(dāng)發(fā)生百年一遇洪峰流量時(shí),水位高程為10.90m,水流對(duì)橋梁墩、臺(tái)引起的沖刷深度過(guò)大,由橋梁墩、臺(tái)沖刷深度過(guò)大而
41、引起增加的橋梁防護(hù)費(fèi)用偏高,從經(jīng)濟(jì)角度不合理,從安全角度影響了橋梁自身的安全,同時(shí)引起了高速公路的運(yùn)營(yíng)安全,因此2號(hào)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(xué)、經(jīng)濟(jì)、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(zhǎng)度是引起水流對(duì)橋梁一般沖刷、墩臺(tái)局部沖刷最主要的因素,因此合理布置橋梁孔跨對(duì)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(duì)橋梁墩臺(tái)的沖刷深度,沖刷深度的降低大大減少了橋梁防護(hù)費(fèi)用,從而降低了橋梁建設(shè)的整體費(fèi)用。 4 結(jié)論</p><p> 本文基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方法,利用美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)水文工程中心開(kāi)發(fā)的水面線計(jì)算軟件包HEC-RAS(River Analyse System)程序,通過(guò)對(duì)阿爾及利亞貝賈亞高速公路2號(hào)互通橋梁設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化,主要結(jié)論
43、如下:</p><p> ?。?)國(guó)內(nèi)水力沖刷計(jì)算方法仍基于60年代中期的試驗(yàn)公式,已無(wú)法解決因河流流向及橋梁墩臺(tái)復(fù)雜多變性的需要;</p><p> ?。?)三維河道水力學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)模型的應(yīng)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(duì)復(fù)雜橋梁的水文水力計(jì)算優(yōu)先采用三維數(shù)模進(jìn)行處理;</p><p> ?。?)采用三維河道水力學(xué)模型對(duì)橋梁進(jìn)行輔助設(shè)計(jì),有效解決
44、了河道水文水力計(jì)算的復(fù)雜</p><p> 性,建議國(guó)內(nèi)院校研究開(kāi)發(fā)適合我國(guó)河流特征的水力計(jì)算軟件程序,以更好的說(shuō)明國(guó)內(nèi)河流的水力計(jì)算參數(shù)。</p><p><b> 參考文獻(xiàn):</b></p><p> [1] 中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院.公路勘測(cè)規(guī)范[S].人民交通出版社,2007.</p><p> [2]
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