曾瓊佩，王義剛，黃惠明，周晶晶，陳　橙

(河海大學(xué) 海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098)

感潮河段橋梁壅水計(jì)算方法比較及敏感性分析

曾瓊佩，王義剛，黃惠明，周晶晶，陳橙

(河海大學(xué) 海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098)

摘要：為體現(xiàn)HEC-RAS模型中感潮河段上橋梁壅水變化，建立了一維非恒定流數(shù)學(xué)模型，計(jì)算了2002年3月長(zhǎng)江蘇通大橋的壅水情況。并進(jìn)一步介紹和比較了鐵路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范公式以及HEC-RAS內(nèi)設(shè)的能量法、動(dòng)量法、Yarnell法計(jì)算公式，對(duì)公式計(jì)算結(jié)果與HEC-RAS相關(guān)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)等設(shè)置進(jìn)行了探討。最后將各公式應(yīng)用于3月份的蘇通大橋壅水計(jì)算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：HEC-RAS的能量法和Yarnell法較符合規(guī)范法，適用于計(jì)算感潮河段的非溢流橋梁壅水；而動(dòng)量法則與實(shí)際數(shù)值偏差較大，不適合該地區(qū)應(yīng)用。同時(shí)比較了HEC-RAS的3種方法對(duì)擴(kuò)縮系數(shù)、經(jīng)驗(yàn)系數(shù)以及無(wú)效區(qū)域的敏感性，結(jié)果表明：擴(kuò)縮系數(shù)對(duì)能量法影響最大，Yarnell法依賴于經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，動(dòng)量法與無(wú)效區(qū)域有關(guān)，但其具體設(shè)置需要更詳細(xì)的資料進(jìn)行研究。研究成果可為非恒定流橋梁壅水?dāng)?shù)值模擬方法提供一些參考。

關(guān)鍵詞：HEC-RAS；感潮河段；壅水；Yarnell法；敏感性分析

1研究背景

美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)水文工程中心開發(fā)的一維水力軟件HEC-RAS擁有強(qiáng)大的涉水建筑物模擬計(jì)算能力，其計(jì)算模型成熟，且相對(duì)于二維、三維模型所需資料較少。目前國(guó)內(nèi)介紹的主要是在恒定流條件下HEC-RAS的橋梁壅水研究方法，但較少對(duì)這些方法作出對(duì)比分析[1-3]。同時(shí)國(guó)內(nèi)非恒定流演算不多[4]，涉及建筑物的計(jì)算仍有討論空間[5-6]。在國(guó)外有不少學(xué)者對(duì)HEC-RAS的橋梁壅水情況進(jìn)行討論，一部分學(xué)者對(duì)于HEC-RAS橋梁附近地形設(shè)置等進(jìn)行了研究總結(jié)[7-8]，另一部分則重點(diǎn)比較HEC-RAS各種方法計(jì)算橋梁壅水的結(jié)果[9-13]，如S.Atabay等[11]對(duì)HEC-RAS橋梁計(jì)算的4個(gè)方法與實(shí)驗(yàn)室物理模型結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，認(rèn)為能量法最符合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。J.P.Martin-Vide和J.M. Prio[13]分析了拱形橋在溢流與非溢流條件下Yarnell經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)與HEC-RAS模型中能量法的結(jié)果，指出利用Yarnell公式計(jì)算的結(jié)果偏差較大。

在比較HEC-RAS橋梁壅水方法的模型中，大多數(shù)都轉(zhuǎn)化成恒定流條件下或者是基于地形、水動(dòng)力簡(jiǎn)單的物理模型來(lái)進(jìn)行討論，所以在非恒定流上進(jìn)行建筑物壅水計(jì)算存在改進(jìn)與探討的空間。本文試圖考慮到潮流、變化地形等復(fù)雜因素，利用非恒定流體現(xiàn)感潮河段的水流變化來(lái)建立水工建筑物模型。經(jīng)過(guò)結(jié)果分析，希望能選擇出在低水流(非溢流)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，非恒定流模型比較適用的橋梁模擬方法,從而對(duì)未來(lái)的工程實(shí)踐模擬提供一些經(jīng)驗(yàn)與參考。

2橋梁壅水計(jì)算方法

2.1規(guī)范公式法

《鐵路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》的壅水計(jì)算公式(道爾松公式)在我國(guó)已經(jīng)運(yùn)用有30多年的歷史。該公式基于能量方程法，具體表達(dá)為

(1)

2.2能量方程法

能量方程法是將橋梁位置看作是天然河道中的斷面，在計(jì)算斷面間沿程和局部損失中，主要與斷面間距、曼寧系數(shù)和收縮(擴(kuò)張)損失系數(shù)有關(guān)系。其能量方程為

(2)

2.3Yarnell公式法

Yarnell公式為

(3)

式中：ΔZ為橋前水位與橋后水位差；K為Yarnell橋墩形狀系數(shù);ω為流速水頭與收縮斷面的水深比;α為阻水比;V為橋梁下游斷面流速。Yarnell公式法是通過(guò)大約2 600組不同形狀、寬度、長(zhǎng)度和角度的橋墩模型實(shí)驗(yàn)而得，僅適用于緩流流態(tài)。由式(3)可知，ΔZ主要與橋墩形狀、橋墩阻水區(qū)域和水流流速有關(guān)。

2.4動(dòng)量守恒法

動(dòng)量守恒方程組為

(4)

(5)

式中:A2,A1分別為鄰近上、下游斷面面積；S0為河道坡度；γ為水的比重；Hp為由于橋墩引起的能量損失；A3為下游靠近橋梁斷面的有效區(qū)域面積；Q2,Q1為相應(yīng)的斷面流量；APBU為上游橋墩阻礙面積；CD為拖曳力引起的能量損失相關(guān)系數(shù)；β1,β2為動(dòng)量方程中的流速加權(quán)系數(shù)。

3模型的建立

本次模型選擇在長(zhǎng)江口南通至太倉(cāng)河段，該河段屬于感潮河段，是河流與海洋優(yōu)勢(shì)過(guò)渡帶。其造床作用受漲、落潮流往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制，徑流與潮流相互消長(zhǎng)，水流變化復(fù)雜。因此以該河段進(jìn)行非恒定流研究很具有代表性。本文以蘇通大橋?yàn)閷?duì)象來(lái)體現(xiàn)建橋前后水位的變化。

3.1模型參數(shù)設(shè)定

模型以2006年的澄通至長(zhǎng)江口實(shí)測(cè)地形圖為基礎(chǔ)，上游斷面取天生港測(cè)站為起點(diǎn)，下游南支處以楊林為終點(diǎn)，北支以新港為終點(diǎn)。其具體分布根據(jù)研究區(qū)域的地形資料結(jié)合HEC-GeoRas建立，實(shí)際建模河段全長(zhǎng)約117.568 km。考慮到實(shí)際河道坡降等地形特點(diǎn)，再結(jié)合長(zhǎng)江水動(dòng)力模型研究結(jié)果和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式，通過(guò)驗(yàn)證確定糙率值范圍在0.011 7～0.013。最后概化的一維非恒定流數(shù)學(xué)模型橫斷面布置如圖1所示。

圖1　長(zhǎng)江口南通至太倉(cāng)河段一維模型概化圖Fig.1　Generalized one-dimensional model ofNantong-Taicang segment of Yangtze River estuary

3.2模型驗(yàn)證

模型根據(jù)2002年3月上旬長(zhǎng)江實(shí)測(cè)的逐時(shí)水位、流量數(shù)據(jù)資料，選擇非恒定流模擬時(shí)間在2002-03-01T0:00至2002-03-10T0:00，上游邊界取實(shí)測(cè)流量過(guò)程，下游取水位-流量過(guò)程曲線來(lái)控制。其中計(jì)算步長(zhǎng)為10 s，時(shí)間輸出間隔為20 min。以徐六涇、白茆站作為模擬結(jié)果的檢驗(yàn)對(duì)象，其結(jié)果如圖2所示(篇幅所限，僅列出徐六涇站結(jié)果)。由圖2可知，潮位及流量計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)過(guò)程相當(dāng)吻合，誤差均在規(guī)范要求之內(nèi)，表明模型模擬精度滿足研究的需要。

圖2　徐六涇斷面2002年水位和流量驗(yàn)證Fig.2　Validation of water surface level and flow rateat Xuliujing section in 2002

3.3橋梁設(shè)置

蘇通大橋位于長(zhǎng)江徐六涇節(jié)點(diǎn)附近，連接江蘇省東部的南通市和蘇州市，橋位處江面寬約6 km，總體跨徑布置為：[(12×30 m)+3×(11×50 m)+(50 m+9×75 m)+(10×75 m)]南引橋+(2×100 m+300 m+1 088 m+300 m+2×100 m)主橋+(5×75 m)中引橋+(140 m+268 m+140 m)專用航道橋+3×(11×50 m)北引橋( 30，50，75，100，300，1 088，300，268，140 m為跨徑)，具體布置可見《蘇通大橋總體設(shè)計(jì)》[14]。主橋塔墩承臺(tái)為“啞鈴型”混凝土結(jié)構(gòu)，每個(gè)塔柱下承臺(tái)平面尺寸為51.35 m×48.1 m。主塔墩兩邊距離300 m和400 m的輔助墩為近塔墩，墩身形式為雙柱矩形空心墩，墩高約60 m，單幅橋墩平面尺寸為8.5 m×5 m。引橋中均采用矩形薄壁墩身，其中30，50，75 m跨徑連續(xù)梁橋的橋墩橫橋向?qū)挿謩e為7.5，6.5，6.5 m。專業(yè)航道橋中采用矩形空心薄壁墩，主墩墩身平面尺寸為2.5 m×7.5 m，過(guò)渡墩為4 m×7.5 m。蘇通大橋橋墩橫斷剖面如圖3所示，其中主橋跨徑布置如圖標(biāo)注。HEC-RAS在提供Yarnell經(jīng)驗(yàn)法和動(dòng)量法的計(jì)算下，需要根據(jù)橋墩形狀確定相應(yīng)的系數(shù)。根據(jù)蘇通大橋主橋墩形狀，可以簡(jiǎn)化認(rèn)為是矩形橋墩(Square nose piers)，設(shè)置Yarnell橋墩形狀系數(shù)選擇1.25，動(dòng)量法拖曳力系數(shù)選擇2.0。

圖3　蘇通大橋橋墩橫斷剖面Fig.3　Cross-section of the pier of Sutong Bridge

4結(jié)果和分析

4.1感潮河段橋梁壅水結(jié)果比較

比較非恒定流條件下橋梁壅水結(jié)果的時(shí)間選在2002-03-04T0：00至T12：00，此時(shí)結(jié)果穩(wěn)定且潮位較大。壅水最大值出現(xiàn)在最接近橋梁的上、下游斷面上，因此分別比較不同方法計(jì)算的同一斷面在漲落潮階段中逐時(shí)的壅水值。模擬結(jié)果如圖4、圖5所示。

注:Yarnell法與能量法用左縱坐標(biāo)，動(dòng)量法用右縱坐標(biāo)。圖4　上游斷面各方法壅水值逐時(shí)曲線Fig.4　Time-history curves of backwater height atupstream cross-section calculated by different methods

注:Yarnell法與能量法用左縱坐標(biāo)，動(dòng)量法用右縱坐標(biāo)。圖5　下游斷面各方法壅水值逐時(shí)曲線Fig.5　Time-history curves of backwater height atdownstream cross-section calculated by different methods

總體來(lái)看，橋梁建立后，由于受到潮流作用的影響，橋梁上、下游水位基本上能反映交替變化的壅高情況。首先對(duì)HEC-RAS的3種方法分別進(jìn)行討論比較。從圖4、圖5分別觀察，明顯可見動(dòng)量法的壅水值曲線最為平滑，但是數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其余二者；動(dòng)量法雖然有交替變化的壅高情況，但在同一時(shí)刻下橋梁跌水絕對(duì)值能比壅水值大。再比較能量法與Yarnell法的壅水值曲線，二者壅高變化趨勢(shì)相似，但Yarnell所算的數(shù)值較小，特別是在上游斷面的壅水過(guò)程線與下游漲(落)急時(shí)刻時(shí)最為明顯。

為具體體現(xiàn)HEC-RAS方法的結(jié)果差與比較各計(jì)算方法的可行性，選擇漲潮和落潮期間最大壅高時(shí)刻的數(shù)值及橋梁內(nèi)部斷面流速，結(jié)合規(guī)范公式法計(jì)算的壅高值進(jìn)行比較討論。

首先從表1看，無(wú)論是漲潮還是落潮，除了動(dòng)量法數(shù)值較大之外，規(guī)范法、能量法與Yarnell法的壅水值相近，其中能量法>規(guī)范法>Yarnell法。建橋前漲潮流速為2.47 m/s，落潮流速為1.87 m/s，建橋后因3種方法流速無(wú)太大差別，故規(guī)范法的建橋后流速參考能量法的流速結(jié)果。其中規(guī)范法算得的結(jié)果與模型中的能量法最為接近，可以認(rèn)為能量法為模型可取的方法。而落潮壅水過(guò)程中，由于流速相對(duì)漲潮時(shí)較小，所以除了動(dòng)量法外，各方法結(jié)果相對(duì)漲潮時(shí)低，認(rèn)為在模擬時(shí)間段中橋梁最大壅高時(shí)刻在漲潮期間。其次從計(jì)算角度上看，規(guī)范法是在能量方程的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化所得，所以與能量法的結(jié)果略有偏差。能量法是將橋梁位置看作是天然河道中的斷面，主要計(jì)算局部和沿程水頭損失。而Yarnell法在計(jì)算過(guò)程中雖然考慮到橋墩形狀的影響，但在非溢流并且橋墩阻水面積較小的情況下，模型中水頭損失主要由摩擦支配，Yarnell法可能因?yàn)闆]有計(jì)算橋梁內(nèi)部相鄰斷面[13]的局部損失導(dǎo)致數(shù)值相對(duì)較小。動(dòng)量法數(shù)值與其它方法差異較大，原因是除了計(jì)算摩阻力之外，還計(jì)算拖曳力以及重力，該方法對(duì)于橋梁自身及鄰近斷面要求嚴(yán)格。

表1　壅水值計(jì)算結(jié)果

4.2參數(shù)變化對(duì)壅水的影響

橋梁壅水高度與幾何斷面尺寸、糙率設(shè)置、橋墩形狀及布置形式、擴(kuò)張與收縮程度等因素相關(guān)。首先就HEC-RAS的3種方法不同參數(shù)的敏感性進(jìn)行分析討論。其壅水值為3月4日最高壅水時(shí)刻對(duì)應(yīng)的數(shù)值。

4.2.1擴(kuò)縮系數(shù)

HEC-RAS各方法在計(jì)算能量局部損失時(shí)，都需要考慮擴(kuò)縮系數(shù)，故討論橋梁鄰近斷面不同收縮(擴(kuò)張)系數(shù)對(duì)壅水的影響，如圖6所示。

圖6　不同擴(kuò)縮系數(shù)的壅水值計(jì)算結(jié)果Fig.6　Calculated backwater heights in the presenceof different contraction and expansion coefficients

保持相關(guān)參數(shù)不變，單獨(dú)改變擴(kuò)張或收縮系數(shù)在0.05至1的數(shù)值，可得如圖6中漲潮時(shí)最高的壅水結(jié)果。如圖6所示，Yarnell法計(jì)算的壅水值為一直線，不隨擴(kuò)縮系數(shù)變化而改變，原因是Yarnell法只計(jì)算橋梁上、下游斷面損失，橋梁本身能量損失不參考擴(kuò)縮系數(shù)。能量法的數(shù)值隨擴(kuò)縮系數(shù)遞增，當(dāng)擴(kuò)張或收縮系數(shù)為1時(shí)，能量法壅水值為2.41 cm，相對(duì)于系數(shù)初始值的增長(zhǎng)率有52%。由此說(shuō)明能量法計(jì)算過(guò)程中鄰近斷面局部損失系數(shù)影響的重要，在驗(yàn)證壅水值過(guò)程中應(yīng)首要保證局部損失系數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)置。最后動(dòng)量法壅水值隨系數(shù)改變而上下略微波動(dòng)，但仍然保持在10～11 cm之間，可見擴(kuò)縮系數(shù)的改變對(duì)動(dòng)量法有影響，但沒有明顯的遞增或遞減趨勢(shì)。綜上，擴(kuò)縮系數(shù)并非影響Yarnell法和動(dòng)量法的主要因素。

4.2.2經(jīng)驗(yàn)系數(shù)

由式(3)、式(5)可知，Yarnell法和動(dòng)量法與經(jīng)驗(yàn)系數(shù)相關(guān)。由于能量法不考慮經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，所以本文設(shè)置不同橋墩形狀對(duì)應(yīng)的Yarnell經(jīng)驗(yàn)系數(shù)K和拖曳力系數(shù)CD，從經(jīng)驗(yàn)系數(shù)上體現(xiàn)二者壅水值的差異。各工況壅水值計(jì)算結(jié)果見表2。

表2　各工況壅水值計(jì)算結(jié)果

工況1至工況4為Yarnell法在擴(kuò)縮系數(shù)相同的情況下，從橋梁形狀總結(jié)得到的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)K對(duì)壅水值的影響。由表2可知：當(dāng)K值增大，Yarnell計(jì)算的壅水值也隨之抬高，與K的增加成正相關(guān)；當(dāng)K取值在2.50時(shí)，相對(duì)工況2壅水值有250%的提高，說(shuō)明若K取值不恰當(dāng)時(shí)，Yarnell法能對(duì)計(jì)算結(jié)果造成極大誤差。HEC-RAS利用Yarnell法計(jì)算時(shí)必須認(rèn)真考慮到橋墩形狀，根據(jù)提供的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的微調(diào)。

工況5至工況8為動(dòng)量法在不同拖曳力系數(shù)下的壅水結(jié)果，由表2可知?jiǎng)恿糠ǖ臄?shù)值隨經(jīng)驗(yàn)系數(shù)變化而略微波動(dòng)，說(shuō)明壅水值的主要影響并不在于拖曳力系數(shù)的選取。因此認(rèn)為在潮流過(guò)程中非溢流情況下動(dòng)量法的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)影響不大，在模型調(diào)試過(guò)程中難以確定與實(shí)際匹配的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)值。由此不推薦在計(jì)算感潮河段橋梁壅水時(shí)使用動(dòng)量法。

4.2.3無(wú)效區(qū)域

所謂的無(wú)效區(qū)域，即是在斷面中所定義的關(guān)于不傳輸水流至下游斷面的流域范圍，由于橋梁斷面布置的無(wú)效區(qū)域需要考慮影響水流收縮和擴(kuò)散的路徑及范圍，其設(shè)定不僅僅依賴于橋墩斷面形式，也需要橋墩與鄰近上下游斷面的距離。

由于擴(kuò)縮系數(shù)和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的設(shè)置對(duì)動(dòng)量法影響不大，為分析HEC-RAS動(dòng)量法在潮流條件下計(jì)算誤差產(chǎn)生的主要原因，根據(jù)公式(5)發(fā)現(xiàn)上下游有效區(qū)域與橋梁阻礙面積對(duì)動(dòng)量法計(jì)算的壅水值亦有影響。因此，在模擬過(guò)程中調(diào)整橋梁斷面的無(wú)效區(qū)域來(lái)討論感潮河段壅水值的變化范圍，探討無(wú)效區(qū)域?qū)Ω鞣N方法的影響，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3　不同無(wú)效區(qū)域的壅水值計(jì)算結(jié)果

工況1至工況5分別為對(duì)主橋墩設(shè)置不同程度的無(wú)效區(qū)域?？傮w可見無(wú)效區(qū)域的設(shè)置對(duì)于HEC-RAS的3種方法都有較大影響，無(wú)效區(qū)域?qū)挾扰c壅水值成反比。能量法相對(duì)變化較小，總體數(shù)值符合在正常范圍中，在工況3中最接近規(guī)范法壅水結(jié)果。Yarnell法5種工況均有較大變化，其中工況5相對(duì)工況1壅水值抬高了將近150%。而動(dòng)量法的壅水值在無(wú)效區(qū)域?qū)挾容^大時(shí)有較大變化，此時(shí)主橋墩設(shè)置的無(wú)效區(qū)域范圍較多，說(shuō)明動(dòng)量法需要考慮無(wú)效區(qū)域的分布。

5結(jié)論

本研究介紹并比較了能量法、Yarnell法及動(dòng)量法潮流中壅水的具體過(guò)程，并將模擬結(jié)果與規(guī)范法這一經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)結(jié)果與敏感性分析得到4種方法著重點(diǎn)各有不同：規(guī)范法注重建橋前后流速變化；能量法看重局部和沿程損失，對(duì)橋梁斷面依賴較大； Yarnell法屬于經(jīng)驗(yàn)公式，與動(dòng)量法一樣與橋墩形狀有關(guān)，對(duì)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)依賴較大；動(dòng)量法除對(duì)無(wú)效區(qū)域有相關(guān)外，在經(jīng)驗(yàn)系數(shù)與擴(kuò)縮系數(shù)的改變上有略微波動(dòng)。最后，HEC-RAS能量法在不同流態(tài)下都能有較穩(wěn)定的模擬，能夠符合規(guī)范法的計(jì)算結(jié)果；Yarnell法在計(jì)算這種不溢流的大跨距橋梁，建議不設(shè)置無(wú)效區(qū)域，從而較接近規(guī)范法。因此，認(rèn)為在使用得當(dāng)?shù)那闆r下，能量法和Yarnell法都適合計(jì)算感潮河段的橋梁壅水。而動(dòng)量法計(jì)算偏大，不符合實(shí)際，在資料欠缺下不適用于計(jì)算低水流的橋墩壅水，其模擬設(shè)置還有待于討論和研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]李崇勇. HEC-RAS模型在橋梁阻水壅高計(jì)算中的應(yīng)用[J].大眾科技, 2013, 15(6): 72-74. (LI Chong-yong. The HEC-RAS Model Application in Bridge indicates High Resistance Water Calculation[J]. Popular Science and Technology, 2013, 15(6):72-74.(in Chinese))

[2]李磊, 李月玉, 孫艷,等. HEC-RAS軟件在橋梁防洪評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J]. 水力發(fā)電, 2008,34(3):103-105. (LI Lei, LI Yue-yu, SUN Yan,etal. Application of HEC-RAS Software in Bridge Evaluation of Flood Control[J]. Water Power, 2008,34(3):103-105.(in Chinese))

[3]楊雪蓮, 蔣海軍. 橋墩對(duì)海泊河(孟莊路東橋-武林西橋段)的影響分析[J]. 城市道橋與防洪,2009, (11): 54-58. (YANG Xue-lian, JIANG Hai-jun. Analysis of Pier Influence on Sea, Lake and River (Menzhuang Road East Bridge-Wulin West Bridge)[J]. Urban Roads Bridges and Flood Control, 2009, (11):54-58. (in Chinese))

[4]方園皓, 張行南, 夏達(dá)忠. HEC-RAS系列模型在洪水演進(jìn)模擬中的應(yīng)用研究[J]. 三峽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,33(2):12-15. (FANG Yuan-hao, ZHANG Xing-nan, XIA Da-zhong. Research on Application of Series of HEC-RAS Model to Flood Routing Simulation[J]. Journal of China Three Gorges University (Natural Sciences), 2011,33(2):12-15. (in Chinese))

[5]李哲, 郭勁松, 方芳,等. 三峽水庫(kù)澎溪河(小江)回水區(qū)一維水動(dòng)力特征分析[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2012,35(5):143-150. (LI Zhe, GUO Jin-song, FANG Fang,etal. 1D Hydrodynamic Model on Pengxi (Xiaojiang) River Backwater Area in the Three Gorges Reservoir[J]. Journal of Chongqing University, 2012,35(5):143-150.(in Chinese))

[6]盧道杰, 施上栗, 黃國(guó)文,等. 宜蘭無(wú)尾港濕地全潮調(diào)查及陸化原因探討[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012,58(4):41-50. (LU Dao-jie, SHI Shang-shu, HUANG Guo-wen,etal. Tidal Current Investigation and Relevant Reclamation Identification of the Wuweikang Wetland[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2012, 58(4):41-50. (in Chinese))

[7]BRUNNER G W, HUNT J H. A Comparison of the One-Dimensional Bridge Hydraulic Routines from HEC-RAS, HEC-2 and WSPRO. Davis CA: Hydrologic Engineering Center, 1995.

[8]HUNT J H, BRUNNER G W, LAROCK B E. Flow Transitions in Bridge Backwater Analysis[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 1999,125(9): 981-983.

[9]KAATZ K J, JAMES W P. Analysis of Alternatives for Computing Backwater at Bridges[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 1997,123(9): 784-792.

[10]SECKIN G, HAKTANIR T, KNIGHT D W. A Simple Method for Estimating Flood Flow around Bridges[J]. Proceedings of the ICE-Water Management, 2007, 160(4):195-202.

[11]ATABAY S, SECKIN G. Prediction of Afflux on Undistorted Scale Bridge Model[J]. Canadian Journal of Civil Engineering, 2009,36(6):1051-1058.

[12]MARTIN-VIDE J P, PRIO J M. Backwater of Arch Bridges under Free and Submerged Conditions[J]. Journal of Hydraulic Research, 2005, 43(5): 515-521.

[13]BRUNNER G W. HEC-RAS River Analysis System Hydraulic Reference Manual. Version 4.1. Davis CA: Hydrologic Engineering Center, 2010.

[14]張喜剛. 蘇通大橋總體設(shè)計(jì)[J]. 公路, 2004, (7): 1-11. (ZHANG Xi-gang. The Overall Design of Sutong Bridge[J]. Highway, 2004, (7): 1-11. (in Chinese))

(編輯：劉運(yùn)飛)

A Comparison of Bridge Modeling Approaches inOne-dimensional HEC-RAS Model of Tidal Reach

ZENG Qiong-pei, WANG Yi-gang, HUANG Hui-ming, ZHOU Jing-jing, CHEN Cheng

(Key Laboratory of Coastal Disaster and Defense of Ministry of Education, Hohai University,

Nanjing210098, China)

Abstract:An unsteady flow simulation of tidal reach based on HEC-RAS is established to calculate the backwater of Jiangsu-Nantong Bridge. Furthermore, the standard equation from Survey and Design on Hydrology of Railway Engineering, the energy equation, momentum balance method and Yarnell equation of HEC-RAS software are compared and respectively applied to the calculation. The calculated results of energy equation and Yarnell equation agree well with the standard equation, while the momentum balance method has a big deviation. Moreover, the sensitivities of HEC-RAS methods are analysed. The energy method is affected significantly by the bridge cross-section and expansion (contraction) coefficient, while Yarnell equation is dependent on the experience factor, and momentum method is related with the ineffective area which need more details for research. The results could be taken as reference for the unsteady flow simulation of bridge backwater.

Key words:HEC-RAS; tidal reach; backwater; Yarnell equation;sensitivity analysis

本刊投稿網(wǎng)址： http://ckyyb.crsri.cn

2015,32(07):64-69

DOI:10.3969/j.issn.1001-5485.2015.07.012

作者簡(jiǎn)介：趙海豐(1983-)，男，湖北潛江人，工程師，博士研究生，主要從事巖土勘察、設(shè)計(jì)和科研工作，(電話)13163239121(電子信箱)zhaohaifeng83@163.com。

收稿日期：2013-12-30；修回日期：2014-01-21

中圖分類號(hào)：TV135

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-5485(2015)07-0058-06