基于MIKE11 閘壩式電站潰壩洪水?dāng)?shù)值模擬

劉 娜，杜志水，王 盼

（西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710065）

0 引言

S 水電站工程為河床式電站，大壩為混凝土重力閘壩結(jié)構(gòu)，工程屬二等大（2）型；樞紐布置從左至右依次為安裝間（2 孔表孔）、電站廠房壩段（6 孔溢流表孔）、4 孔泄洪閘、垂直升船機(jī)壩段（泄洪閘）和右副壩（1 孔表孔）等建筑物。主要建筑物按百年一遇洪水設(shè)計(jì)，相應(yīng)洪水流量30000 m3/s，千年一遇洪水校核，相應(yīng)洪水流量38100m3/s。電站壩址處多年平均流量732m3/s，正常蓄水位217.30m，相應(yīng)庫(kù)容1.76 億m3，裝機(jī)容量270 MW。電站可能因遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水、強(qiáng)烈地震、地質(zhì)災(zāi)害等情況，存在潰壩的可能，一旦發(fā)生潰決，將對(duì)下游電站、集鎮(zhèn)等重要設(shè)施及沿江兩岸居民點(diǎn)的安全產(chǎn)生影響。因此，在電站運(yùn)行當(dāng)中，需對(duì)電站潰壩洪水進(jìn)行分析計(jì)算，并就潰壩洪水對(duì)下游重要設(shè)施及居民點(diǎn)的影響進(jìn)行分析評(píng)估。

1 潰決模型

大壩建設(shè)通常情況下是能夠而且是必須確保安全。但是，由于某些偶然因素或特殊原因，例如遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水、強(qiáng)烈地震、地質(zhì)災(zāi)害、戰(zhàn)爭(zhēng)或恐怖事件、設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量及運(yùn)行管理不當(dāng)?shù)龋鹚畮?kù)潰壩。大壩發(fā)生潰決時(shí)，庫(kù)區(qū)水量將傾瀉而出，造成下游水位陡漲陡落，形成非恒定流，包括壩址上下游河道的水流波動(dòng)稱為潰壩波[1]，它是一種斷波，會(huì)帶來(lái)極強(qiáng)破壞性和極大危險(xiǎn)性，將給下游淹沒(méi)地區(qū)居民生命安全和財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生巨大損害，造成的損失難以估計(jì)。因此，自19 世紀(jì)70 年代開(kāi)始研究潰壩洪水理論，該理論屬于洪水水力學(xué)的范疇，但潰壩洪水波往往發(fā)生于大壩和地方的突然潰決時(shí)段，其流量、水位在極端時(shí)間內(nèi)急劇變化，波形在傳播過(guò)程中發(fā)生間斷，流態(tài)急劇變化[2]，其分析計(jì)算需要采取特殊的方法作特殊處理。

在20 世紀(jì)中后期，潰壩模型研究取得了很大的進(jìn)展，產(chǎn)生了如美國(guó)的DAMBRK、荷蘭的MIKE 系列、丹麥的DHI 等一系列能進(jìn)行潰壩洪水計(jì)算的模型，同時(shí)在我國(guó)也于20 世紀(jì)70 年代[3]開(kāi)始了系統(tǒng)研究潰壩數(shù)值模型。

本文采用MIKE11 水動(dòng)力學(xué)潰壩模塊對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行電站潰決過(guò)程數(shù)值模擬計(jì)算，為下游人口密集地區(qū)人員的撤離和制定應(yīng)急處理措施提供科學(xué)依據(jù)。

MIKE11 軟件[4]由一維水動(dòng)力HD、潰壩DB、維對(duì)流擴(kuò)散AD 等模塊組成，其中水動(dòng)力模塊（HD）是核心和必備模塊，該模塊采用Abbott-Ionescu 六點(diǎn)隱式格式求解一維非恒定流Saint-Venant（圣維南）方程組[5～6]，具有穩(wěn)定性好、計(jì)算精度高的特點(diǎn)，在處理大坡降河流水動(dòng)力模擬問(wèn)題時(shí)具有同類軟件中最出色的穩(wěn)定性。水動(dòng)力模塊是基于垂向積分的物質(zhì)和動(dòng)量守恒方程，即一維非恒定流圣維南方程組來(lái)模擬河流或河口的水流狀態(tài)。1871 年，St.venant 首先提出了描述具有自由表面的淺水體漸變非恒定水流運(yùn)行規(guī)律的圣維南方程組：

連續(xù)性方程：

運(yùn)動(dòng)方程：

式中：x 為流程；Q 為流量；Z 為水位；g 為重力加速度；B 為河寬；t 為時(shí)間；q1為側(cè)向單位長(zhǎng)度注入流量；A 為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；R 為斷面水力半徑；β 為動(dòng)能修正系數(shù)；n 為糙率系數(shù)。

對(duì)于潰壩計(jì)算，MIKE11 提供了兩種數(shù)值計(jì)算方法，分別是基于能量方程和美國(guó)氣象局DAMBRK 方程的潰壩數(shù)值分析模型。MIKE11 DB 模型是基于能量的算法，是一種基于物理機(jī)制的模擬方法。其中《DAMBRK》潰壩模型[7]在國(guó)際上比較通用，我國(guó)于20 世紀(jì)80 年代中期也引進(jìn)了該模型，應(yīng)用也比較廣泛，曾用國(guó)內(nèi)板橋水庫(kù)的潰壩實(shí)例[8]進(jìn)行過(guò)驗(yàn)證，表明它的結(jié)構(gòu)性能較好，適應(yīng)性強(qiáng)。

2 潰壩洪水案例計(jì)算及分析

2.1 計(jì)算方案

根據(jù)電站入庫(kù)流量過(guò)程、樞紐布置、結(jié)合上、下游電站運(yùn)行方式以及潰壩成因等因素，參考相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)：土石壩一般是漸潰，歷時(shí)稍長(zhǎng)，一般為0.5 h～2.0 h；拱壩和重力壩一般為瞬間潰決，潰壩時(shí)間很短，本次計(jì)算假定潰決時(shí)間為30 s。擬定潰壩計(jì)算方案，見(jiàn)表1。

表1 潰壩水電站擬定不同潰壩計(jì)算方案表

2.2 計(jì)算條件

采用已有相關(guān)技術(shù)成果和水文站實(shí)測(cè)資料，結(jié)合模型計(jì)算范圍內(nèi)地形、地貌和地物調(diào)查結(jié)果，初選糙率參數(shù)，再利用選用的率定年份洪水過(guò)程模擬，率定河道糙率為0.040～0.050，少數(shù)河段糙率達(dá)到0.060。

上邊界條件為入庫(kù)流量過(guò)程，下邊界條件為給定最下游橫斷面水位流量關(guān)系曲線。

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)擬定的方案，采用MIKE11 DB 模塊潰壩計(jì)算，不同潰壩方案在潰壩壩下、A 鎮(zhèn)代表斷面、B 鎮(zhèn)代表斷面、下游電站壩下和A 水文站斷面處的最大洪峰流量及最高水位見(jiàn)表2、圖1，潰壩方案3 各代表斷面潰壩水位、洪水過(guò)程線見(jiàn)圖2。

計(jì)算結(jié)果表明：方案1、方案2 相應(yīng)壩址處潰壩最大洪峰流量分別為13649 m3/s、29960 m3/s，洪水演進(jìn)到A 鎮(zhèn)、B 鎮(zhèn)、下游電站壩下和A水文站斷面洪峰流量732 m3/s～17709 m3/s，最高洪水位分別為203.81 m、2202.74 m、176.10 m、171.42 m；考慮潰壩發(fā)生突然，下游電站未采取預(yù)泄措施，一直按732 m3/s 下泄流量，而潰壩洪水相對(duì)較大，故下游庫(kù)區(qū)水位不斷抬高，下游電站壩前水位持續(xù)抬高，但未超過(guò)下游電站壩頂高程，下游電站下泄流量始終維持在732 m3/s，下游壩址下游水位各斷面水位無(wú)變化。方案3、方案4 相應(yīng)壩址處潰壩最大洪峰流量分別為40485 m3/s、42462 m3/s，兩個(gè)方案潰壩洪最大峰流量相差較小，分別較千年一遇洪水洪峰流量38100 m3/s 增大2385 m3/s 和4362 m3/s，洪水演進(jìn)到A鎮(zhèn)、B鎮(zhèn)、下游電站壩下和A水文站斷面洪峰流量39916 m3/s～42064 m3/s，最高洪水位分別為221.99 m、210.48 m、203.43 m、199.14 m。

表2 潰壩后特征斷面最大洪峰流量和最高洪水位成果表

圖1 潰壩最高水位、洪峰流量沿程變化圖

圖2 潰壩方案6 各代表斷面潰壩水位、洪水過(guò)程線

3 結(jié)語(yǔ)

（1）潰壩水電站為低水頭河床式電站，壩型為混凝土重力閘壩，100 年一遇洪水設(shè)計(jì)（相應(yīng)洪峰流量30000 m3/s），1000 年一遇洪水校核（相應(yīng)洪峰流量為38100 m3/s）。參考有關(guān)資料，擬定計(jì)算潰堰歷時(shí)30 s，根據(jù)電站高度、材料、施工質(zhì)量等因素將潰壩形式分為全潰和局潰。

（2）電站正常蓄水位運(yùn)行發(fā)生潰決時(shí)，由于下游電站壩頂高程較正常蓄水位高約13.5 m，即使未采取預(yù)泄措施，壩前水位也不會(huì)超過(guò)下游電站壩頂高程，不會(huì)造成下游電站發(fā)生漫頂潰決險(xiǎn)情，但下游電站庫(kù)區(qū)水位抬高會(huì)對(duì)沿程居民點(diǎn)、城鎮(zhèn)可能會(huì)造成一定影響，尤其是距離潰壩壩址較近A 鎮(zhèn)及沿河居民點(diǎn)，不會(huì)對(duì)下游電站壩下游造成影響。

（3）潰壩電站和下游電站敞泄運(yùn)行時(shí)，因潰壩電站入庫(kù)流量為超標(biāo)準(zhǔn)洪水，壩前水位超過(guò)校核水位壩體失穩(wěn)引起大壩瞬時(shí)潰決。由于潰壩電站特殊的樞紐布置，整個(gè)河床均布有泄洪建筑物以及潰口與泄洪建筑物位置重合，方案5和方案6 所計(jì)算的潰壩洪水實(shí)際是電站原敞泄流量和潰決后增加流量之和。潰壩電站為低水頭河床式電站，超標(biāo)準(zhǔn)洪水敞泄運(yùn)行時(shí)，壩址上、下游水位差較小，潰口大小對(duì)潰壩最大洪峰流量影響不大，潰壩最大洪峰流量較壩址洪峰流量增加不多。

基于MIKE11 DB 模塊模擬S 電站潰壩洪水，分析電站正常運(yùn)行與超標(biāo)準(zhǔn)洪水運(yùn)行下，考慮上、下游電站運(yùn)行方式，模擬的潰口流量過(guò)程及下游洪水演進(jìn)過(guò)程，分析代表斷面洪峰流量及洪水位，為下游人口密集地區(qū)人員的撤離和制定應(yīng)急處理措施提供科學(xué)依據(jù)。