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HEC-RAS程序一维恒定流计算原理

1一维恒定流计算能量方程原理

一维恒定流水面线可通过求解能量方程来获得，具体表达式如下：

（1）

式中：Z1，Z2为河道底高程；Y1，Y2为断面水深；V1，V2为断面平均流速；，为动能修正系数；g为重力加速度；he为水头损失。

两个断面间的水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失，水头损失表达式如下：

（2）

式中：L为断面平均距离；为两断面间沿程水头损失坡度；C为收缩或扩散损失系数。

断面平均距离表达式如下：

（3）

式中：Llob，Lch，Lrob分别是两断面间左边滩地、主槽、右边滩地的距离；，，分别是左边滩地、主槽、右边滩地平均流量。

根据不同糙率分界点划分滩地，利用曼宁公式计算每个分区的流量，表达式如下：

（4）

（5）

式中：K为流量模数；n为曼宁糙率系数；A为分区面积；R为水力半径。

动能修正系数可通过滩地和主槽流量来进行计算，表达式如下：

（6）

式中：At为整个过流断面面积；Alob，Ach，Arob分别为左边滩地、主槽、右边滩地过流面积；Kt为整个过流断面的流量模数；Klob，Kch，Krob分别为左边滩地、主槽、右边滩地流量模数。

沿程水头损失坡度可通过下式求解：

（7）

2一维恒定流计算动量方程原理

当水面线越过临界水深，能量方程已经不再适用。自然界中从缓流过渡到急流或者从急流过渡到缓流现象十分普遍，例如在比降变化较大的渠道、桥梁、堰、河流汇合处，都可能发生这种现象。因此，需要采用动量方程对水面线进行求解。动量方程是通过牛顿第二定律推导得来的，表达式如下：

（8）

（9）

式中：P1、P2分别为断面1和断面2上所受的水压力；Wx为水重力沿X轴分量；Ff为摩擦力；Q为流量；为水的密度；为流速变化沿X轴分量。

其中：

（10）

（11）

式中：为水的容重；A1、A2分别为断面1和断面2的过水面积；、分别为断面1和断面2水面至形心的距离。

（12）

式中：L为断面1至断面2距离沿X轴方向的分量；S0为河底比降。

（13）

（14）

式中：为动量修正系数。

将式（10）～式（14）带入式（8）可得：

（15）

3桥梁建筑物模拟方法

3.1断面布设

为了准确计算水流通过桥梁建筑物的能量损失，一般在桥梁附近布设4个断面，断面布设示意图见图1。

图1桥梁附近断面布设示意图

断面1。断面1应布设在桥梁下游水流不受桥梁影响的位置，扩散比（）主要受建筑物结构、河道糙率以及河底比降的影响，表1给出了不同工况的扩散比，以供参考。

表1扩散比参照表

项目

比降

糙率

nob/nc=1

nob/nc=2

nob/nc=4

b/B=0.1

0.00019

1.4-3.6

1.3-3.0

1.2-2.1

0.000948

1.0-2.5

0.8-2.0

0.8-2.0

0.001896

1.0-2.2

0.8-2.0

0.8-2.0

b/B=0.25

0.00019

1.6-3.0

1.4-2.5

1.2-2.0

0.000948

1.5-2.5

1.3-2.0

1.3-2.0

0.001896

1.5-2.0

1.3-2.0

1.3-2.0

b/B=0.5

0.00019

1.4-2.6

1.3-1.9

1.2-1.4

0.000948

1.3-2.1

1.2-1.6

1.0-1.4

0.001896

1.3-2.0

1.2-1.5

1.0-1.4

表中b/B为桥下过水宽度与河道宽度比值；S为河底比降；nob/nc为阻水建筑物断面糙率与主槽糙率比值。

上表中扩散比只能作为模拟计算的初值，需要根据计算所得的弗劳德数进行修正，当河道宽度接近305m，桥下过水宽度在30.5m～152.5m，流量在142m3/s～851m

（16）

式中：Le为桥下游扩散段长度（ft）；Fc2、Fc1分别为为断面2处和断面1处主槽弗劳德数；Lobs为所有阻水建筑物长度的一半（ft）；Q为流量（cfs）。