HEC-RAS软件在山西省广志水库水力计算中的应用

郭 晴

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

0 引言

溢洪道水面线计算，通常情况下采用《溢洪道设计规范》（SL253-2000）中的泄槽水面线计算公式，此公式的原理是基于能量方程，用逐段试算法推求。首先确定各断面的桩号，其次分析流态并计算出控制断面的控制水深，然后以控制水深作为已知水深逐段试算出下一个断面的水深直至结束。这种方法要求每个断面的水深都需要进行反复试算才能求出，计算工作量繁琐且枯燥。而通常在溢洪道的设计中一般会采用不同的底坡进行方案比选，这样就带来了大量的重复工作，导致设计人员要耗费大量的时间和精力。而本文着重介绍的HEC-RAS软件可以很好地解决这一问题，利用HEC-RAS软件计算水面线，只需建立好水力模型，输入断面数据，设置好各个断面相关参数以及流量边界条件，就可以迅速计算出准确的水面线，省略了繁琐的试算工作，大大提高了溢洪道设计的效率。本文运用HEC-RAS软件对广志水库溢洪道水面线进行计算，并采用通常的逐段试算法对其结果进行复核，复核结果说明HEC-RAS软件计算准确。

1 HEC-RAS软件简介

HEC-RAS是由美国陆军工程兵团水文工程中心开发的水面线计算软件包，适用于河道稳定和非稳定流一维水力计算，其功能强大，可进行各种涉水建筑物（如桥梁、涵洞、防洪堤、堰、水库、溢洪道、抽水站、障碍物）的水面线分析计算，同时可生成横断面形态图、流量及水位过程曲线、复式河道三维断面图等各种分析图表，使用起来十分方便简捷。河道水力分析模型——HEC-RAS软件是一个针对一维恒定/非恒定流的水力模型，主要用于明渠河道流动分析和洪泛平原区域的确定。

HEC-RAS是一个综合性的水力分析软件包，软件使用的是图形界面（GUI），能够模拟计算缓流、急流及混合流的水面线，本次介绍使用的版本是3.1.3，在以后的版本中，还将包括泥沙运动和水力设计功能。

HEC-RAS软件的用户界面如图1所示，使用者可以在这个界面上建立水力模型、各种数据输入及存储、水力分析、成果输出等。

图1 HEC-RAS软件的用户界面

2 广志水库工程概况

广志水库总库容为222万m3，属小（1）型工程，工程等别为Ⅳ等。工程分为水库枢纽和供水管线两大部分，其中水库枢纽工程建筑物包括大坝、泄水建筑物以及供水管线的进水塔和坝下埋钢管段，泄水建筑物包括导流泄洪洞、岸边溢洪道。

溢洪道由引渠段、控制段、泄槽段、挑流段组成，总长165m。

桩号0-073.5～0-005为引渠段，溢洪道引渠长78.5m，平底，底高程1176.7m，向上游呈喇叭形扩散布置。桩号0-005～0+005为控制段，长10m，溢洪道控制段进口为无底坎宽顶堰，堰顶高程为1177m，净宽15m。桩号0+005～0+079为泄槽段，长74m，断面为矩形，底宽15m，桩号0+055之前设计底坡为1∶20，桩号0+055之后设计底坡为1∶3。底板及边墙采用钢筋混凝土衬砌，厚0.5m，槽深由进口的3.5m渐变至2.5m。桩号0+079～0+091.5为挑流反弧段，反弧半径为15m，挑射角29.93°。本次计算取桩号段0+005-0+079进行水面线计算。

经调洪计算，溢洪道在设计洪水位（P=3.3%）情况下泄量为22m3/s，校核洪水位（P＝0.33%）情况下泄量为138m3/s。在进行溢洪道消能设计时，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》和《溢洪道设计规范》（SL253-2000）应该按常遇洪水进行布防。由于设计泄量较小，采用设计泄量进行溢洪道消能设计意义不大，所以本次计算时选取校核泄量进行计算。控制断面采用从缓流过渡到急流的分界面，即控制段与泄槽段的连接面，以临界水深作为控制水深。溢洪道纵剖面形状见图2。

下面利用HEC-RAS软件对广志水库溢洪道水面线进行计算，再用传统的水面线计算方法对其结果进行验证。

图2 溢流道纵剖百图

3 HEC-RAS软件计算

HEC-RAS软件计算恒定流基于一维能量方程。其计算公式如下:

式中Z2、Z1为下断面、上断面的主河道高程，H2、H1为下断面、上断面的断面水深；v2、v1为下断面、上断面的平均流速；α2、α1为流速系数；g为重力加速度；hC为两端面间的水头损失。

3.1 HEC-RAS软件建模

利用计算机软件解决工程计算问题，最关键的核心在于数学模型的建立，而实际耗费在“计算”的时间相对小得多，所以计算成果的精确程度取决于模型建立的好坏。这就要求设计工作者收集全面的断面数据资料，谨慎选择合适的相关参数，及时调整模型建立过程中发现的不合适之处。

利用HEC-RAS软件建立水力模型主要有下列5个步骤：

1）开始一个项目。在软件首页新建工程—“广志水库溢洪道水力计算”。

2）绘制河系图。河系图是由一条一条的水力计算段为基础组成的。根据广志水库溢洪道泄槽的平面图在几何模型中绘制河系图，方向必须是从上游到下游。绘制好水力计算段后输入“河流标记”和“水力段标记”。

3）输入几何数据。在横断面窗口输入广志水库溢洪道泄槽段的断面桩号、断面间距、断面各个测点坐标和高程数据以及糙率数据。本工程糙率取0.014，收缩损失系数取0.1，扩散损失系数取0.3。

4）输入水流数据和边界条件。本次计算采用校核流量138m3/s。边界条件需要输入临界水深，通过计算得2.052m。

5）选择流态，执行水力计算。选择HEC-RAS水面线计算程序进行恒定流分析，程序提供了缓流、急流、混合流3种流态。根据工程特性，本次计算选择自上游到下游的急流模式。

3.2 HEC-RAS软件计算成果输出

HEC-RAS软件计算的结果可以以图、表形式输出，计算水深数据经整理如表1，图形结果经整理如下图3。

表1 HEC-RAS溢洪道水面线计算成果表

图3 水面线计算成果简图

4 逐段试算法计算复核

此方法推求水面线首先应找出起始断面的水深，根据溢洪道的布置情况，水流由缓流到急流必然经过临界水深，故而将起始断面选取在桩号0+005处，即溢洪道有平坡到陡坡的变坡处。临界水深经过计算得2.052m，即校核泄量下的控制水深为2.052m。。

水面线的推求应按照《溢洪道设计规范》（SL253-2000）P47页“泄槽水力计算”公式计算。泄槽水面线应根据能量方程，用逐段试算法计算，计算公式如下：

式中：%Δl1－2——分段长度，m；

h1、h2——分段始、末断面水深，m；

V1、V2——分段始、末断面平均流速，m/s；

α1、α2——流速分布不均匀系数，取1.05；

θ——泄槽底坡角度；

i——泄槽底坡，i=tgθ；

J平均%——分段内平均摩阻坡降

n——泄槽槽身糙率系数；

V平均——分段平均流速，

R平均——分段平均水力半径

泄槽段总长为74m，为矩形断面底宽15m，设计底坡1/20，1/3。计算水深数据如表2。

表2 溢洪道泄槽段水面线成果表

5 复核结果

比较表1、表2的水深数据，可以看出二者的结果非常接近，最大误差仅为1.7%，说明HEC-RAS软件成果计算是较为准确的，用于溢洪道水面线计算可以满足设计精度要求。

6 结语

本文主要介绍了HEC-RAS软件计算水面线的原理及操作步骤，并运用HEC-RAS软件对广志水库溢洪道进行了水面线计算，得到了很好的结果。使用中应注意：

1）HEC-RAS软件默认的计算精度为0.01英尺（0.003m），一般情况下可以满足工程计算的精度要求。

2）在输入几何数据和水流数据之前，先要设定好单位系统，即公制，因为软件默认的是英制。

3）HEC-RAS软件最大的特色之一是拥有强大的断面资料修改界面，使设计人员可以短时间内修改、编辑河道几何型态，包括设计出新的河道断面。这个优点可以帮助设计人员快速设计出多个比选方案，从而选择出最符合工程需要的断面。

总之，HEC-RAS软件作为一款功能强大、界面友好、计算准确、方便实用的计算工具，将把设计人员从繁重、枯燥的计算工作中解脱出来，同时也相应地提高了设计人员的工作效率。在设计人员中推广运用HECRAS软件，必将加快了工程设计的进度，从一定程度上促进了工程的建设步伐，具有很强的现实意义。