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1、HEC-RAS三维河道水力分析计算系统在桥梁优化设计的应用研究摘要：基于计算流体动力学的?y法，运用三推河道水力学模型HEC-RAS (River Analyse System) 分析阿尔及利亚贝贾亚高速公路在建项H 2号互通桥粱在百年一遇的最人洪峰流暈K,不同桥梁孔 跨方案在相M地质条件卜对桥梁最大冲刷深度的影响，对不M桥梁孔跨方案K三维河道水力学模型 计算结果进行分析研究，确定经济合理的桥梁设计方案，为今后国A外同类桥梁设计的方案研究提 供了新的研究方法。关键词:HEC-RAS；冲刷计算;桥梁孔跨方案;研究HEC-RAS three-dimensional river hydraulic
2、calculation andanalysis system in the research and application of bridge designYang Leilei(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.，Xian 7IOO43,China)Abstract: Methods based on computational fluid dynamics，using 3D hydraulics model HEC-RAS (River Analyse System) analysis of A1 and
3、Leigh Bbe Jaya in Highway Project No. 2 interchange bridge in the maximum peak discharge 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 analyzed, determ
4、ine the bridge economic rational design scheme, provides new methods for the research of domestic and foreign similar bridge design in the future.Keywords: HEC-RAS, Calculation of seour，Bridge span schemes,Research桥梁孔跨布a足影响墩台冲刷主要闪素，墩 台冲刷一s以来被认为是导致桥梁破坏的重要 原因之一,合理的桥梁孔跨如置是桥梁安全运营 的重要保障。桥梁一般冲刷坑形态及墩台局部冲 刷
5、坑深度的正确顶测可以为桥梁的设计、监控及 养护提供重要的依据。虽然从上世纪50年代开 始，丌展了众多针对桥梁墩台局部冲刷的研究, 并取得了较人进展，但是由于桥梁冲刷问题的极 其s杂性，因冲刷导致的桥梁垮塌事件依然经常 发生，给社会和财产带來了巨大的损失。1桥梁冲刷危害及其影响因素桥梁一般冲刷坑形态及墩台最人局部冲刷 坑深度的正确预测对桥梁的设计及维护冇重要 的影响。如果最人局部冲刷坑被过岛估计，可能 造成桥梁建设成本的大幅提高；而如果局部冲刷 坑被过小佔计，墩台冲刷将导致基础掏空，桥梁 卜部结构的承载力将会人幅卜降，可能造成桥梁倾斜其至桥梁垮塌。影响桥梁一般冲刷坑形态及墩台最人局部 冲刷坑深度
6、的主要因素为河道断ifii宽度，桥梁孔 数跨径h2,桥梁墩台勾水流速度的夹角，桥位 处河流的流量及流速，河床地质成份的组成粒径 等。河道断面宽度及河流流景、流速为tb然条件 下所形成，桥梁孔数、跨径及桥梁墩台与水流速 度的夹角为人为所修建，因此合理的设计桥梁K 度及墩、台与水流夹角成为影响一般冲刷坑形态 及墩台最大局部冲刷坑深度的最主要因素。2国内桥梁冲刷现状2.1 般冲刷我国计算桥梁一般冲刷的公式，ri前普遍采 川1964年我国“桥渡冲刷计算学术会议”上推 荐的64-1公式, 64-1公式是利用我国各地桥 梁实测资料并根据冲止流速的概念建立起来的。 桥Y般冲刷停止时的乘线平均流速称为冲止流速
7、131。桥下断面内任意垂线在一般冲刷过程中垂 线平均流速降低到该垂线的冲止流速流速吋，冲 刷即停止，此吋达到最人一般冲刷的垂线水深, 河槽一般冲刷的基木形式为：式中，为桥下断而一般冲刷P的敁大水 深；2。为设计流量；L为桥孔净长：t为设计 断而上桥孔部分的最大垂线水深；为设计断而 上桥孔部 f的平均水深；为汛期含沙量有关 的参数；5为河床十壤平均粒径；A为单宽流景 集中系数。2.2局部冲刷我国计算桥梁局部冲刷的公式，目前普遍采 川1964年我国“桥渡冲刷计算学术会议”上推 荐的65-1公式|31，65-1公式是以我国自己进行 的人暈室内试验资料和汛期实桥观测资料为依 据建立的。当vSv。时，式
8、中,I为桥下局部冲刷坑深度;心为墩 型系数；尽为桥墩计算宽度；V为一般冲刷后的 垂线平均流速；V。为河床泥沙起动流速；v为 墩前始冲流速，。,为河床粒径的影响系数；为 汛期含沙贤有关的参数；，为指数。3国外桥梁冲刷计算模型HEC-RAS (River Analyse System)足由美 国陆军工程兵团水文工程中心开发的水血线计 算软件包，适用于河道稳定和非稳定流三维水力 计算，其功能强大，讨进行各种涉水建筑物(如 桥梁、涵洞、防洪堤、堰、水库、块状肌水建筑 物等)的水面线分析计算，同吋可生成横断面形 态图、流景及水位过程曲线、复式河道三维断面 图等各种分析图表，使用起來十分方便简捷，R 前己
9、成为使用最广泛的三维水力计算软件之一。 3.1三维河道水力学计算简介河道水力分析模型HEC-RAS是一个针 对三维恒定/非恒定流的水力模型2,主耍用于明 渠河道流动分析和洪泛平原区域的确定。模型所 得结果可以川于洪水区域管现以及洪水安全研 究分析，用以评价洪水淹没区域的范M及危杏程 度。如在进行河道整治以及新建桥梁等工程的时 候，就耍分析考虑河道雍水高度、流速变化、桥 涵冲刷11等这些因素对河流输水，城市防洪的 影响。HEC-RAS主要有以下4部分组成：恒定流 水线计算、非恒定流模拟、可运动边界泥沙输 移计算、水质分析712。本文主耍利用HEC-RAS 对非恒定流模拟、河道冲刷计兑功能进行影响
10、桥 梁墩、台冲刷深度因素分析，经分析比较找出桥 梁孔跨布置的最优方案。HEC-RAS的非恒定流模拟式ffi于连续方程 和动量方程，其中连续方程2为：3p + 3(p,.)_0dt dXj式中，P为流体密度；为流速；下标遵守 爱因斯坦求和约定。动量方程4为：dxjp dxj dXjdXj式中，/为质量力；P为压力；v为压力流 体运动粘滞系数。HEC-RAS的一般冲刷计算足基于“淸水劳 尔森”方程141进行计算的，方程为：)u忒中，)为一般冲刷深度；込为河流流 为河床底部沉淀物的T均直径；河床底部 的宽度；为对成流景22时的河床平均吃水深 度。HEC-RAS中桥梁墩局部冲刷计算是基于 “科罗拉多州
11、立人学”研究方稈3进行计算的， 其方程为： = 2.0-KcK2aFr0.43人=41式中，为桥墩的局部冲刷深度；为桥 墩上游的吃水深度；为桥墩宽度；k,为桥墩 仙端形状参数，作为循环障碍吋为100,作为线 性障碍吋为0.75,作为矩形障碍吋为1.03；么为 和桥墩中心线相比与水侵蚀角度有关的参数；么 为一个可以根裾河床或可见沙丘來增加冲刷深 度的系数；t为河床铺设坷能的系数；F，为桥 墩上游的弗劳德数量。HEC-RAS中桥梁台局部冲刷计算：第一种 情况(L/yi25)是基于“USAGE”方程131进行 计算的，其方程为：第二种情况(L7y,25)是基于“弗勒利希” 方程131进行计算的，其方
12、程为：= 2.27L043 ），广57 F? 061 +），,式巾，.为桥台的局部冲刷深度；y,为桥 台基础上游的吃水深度；为桥台形状的校对 因素；2为水流侵蚀角度的校对因素， =(%003；柃为弗劳徳数量；受蚀长度：桥台阻碍了水流的流动长度。3.2三维河道水力学模型实例分析3.2.1项目背景阿尔及利亚贝贾亚港口至尔西高速公路连 接线北起港口城市贝贾亚，南与东西高速公路相 连接，道路全长100公里，途经5座城市，设计 为双六车道，共分3个标段，S1标段长度为 21km, S2标段长度为26km，S3标段长度为53 km。S1标段穿越贝贾亚省的贝贾亚、Tala Hamza、吉河、Amizour主
13、要城锁，S1标段 位于苏马姆河的入海U处，多次穿越苏马姆河河 流，并通过立交桥与国道RN09和RN75迕接。苏马姆河谷位于阿尔及利亚的东北中央，卡 比利亚，阿尔及尔和君士坦丁的中部。其尔北一 西南方向狭长，介于祖赫祖拉山西部和其延伸到 阿格巴尔一古拉亚支脉东北，比班南部和延伸到 巴博尔尔部中间。自布塞勒哈姆河和萨赫勒河的 汇流处的上游部分是苏马姆的开端位于阿 克布两南2公里处，苏马姆U是下游的终点 位于贝贾亚的东郊。3.2.2基本情况阿尔及利亚贝贾亚高速公路2号互通位于 苏马姆河弯曲河道上，其桥梁设计采川百年一 遇 洪水频率我国桥梁冲刷计算基于60年代 的试验公式，该试验公式仅适川于直线河道上
14、水 力计算，无法解决弯曲河道上水流方向多变性的 需耍。HEC-RAS三维河道水力分析计算系统精 确的适用于各种空间变化河流段，本文通过对拟 建桥梁河道上，在相同地质条件K,不同孔跨布 置对桥位处-般冲刷、局部冲刷的影响分析，从 而找出经济合理的桥梁孔跨布置方案|9d11。2号互通位于S1标段PK6+900处，M:桥梁 段横跨苏马姆河主河槽区，根裾收集到苏马姆河 谷水文站对河流的统计资料可知，苏马姆河冉年 遇最人洪水流景为2532m3/s,河床经常年冲刷 与沉积，表层为含沙类粉质粘土，表层以F为沙 砾石，河床沉积物的直径取值范围为 0.1100mm,人工对桥墩换填材料防护粒径为300mm。3.2
15、.3模拟分析利用河道水力分析模型(HEC-RAS)建立 水力模型，其中应注意按河道实际怙况对有桥状 态无效水流区域的模拟。第一种情况，苏马姆河无桥1然状态：MorM图2河道横断而图=ochRr-SMPWiteU1X01X图3河道窄M立体图图7桥梁空间布贺图农I无桥状态汁算结來表2布设3-36m桥状态计算结果(1)TxV/dhlFMZNVW 102ia CX2323叉 53X9C82532031.K)1Q211Q78 CX2X1133750.3325QC02532031.W1Q23ia的 0.0013)529Z 853 2S21 M32W20J1.W1Q1010.b- 0.0U4433.V m1SK4Z253 之 03 2532031.97Sa 881a8i10.52 0X)02398 ia oae?i?3.8? 6M
