基于HydroInfo的潰壩數(shù)值模擬研究與應(yīng)用

閆琪琪，金 生

(大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024)

我國大壩集中建成于20世紀(jì)50—70年代，受經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等條件限制，所施行的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，其間所建水庫工程質(zhì)量較差。在后期運(yùn)營過程中由于管理不足、缺乏維護(hù)，我國病險(xiǎn)水庫問題突出[1]。水庫工程在提供防洪保護(hù)和經(jīng)濟(jì)效益同時(shí)，壩體安全也關(guān)系著下游的生命財(cái)產(chǎn)安全。洪水計(jì)算分析是水庫應(yīng)急管理預(yù)案制定的重要依據(jù)。為了能夠把損失降至最低，提前獲得潰壩洪水的淹沒時(shí)間、淹沒范圍，以及重要位置的淹沒水深等水情信息則是進(jìn)行與災(zāi)害爭搶時(shí)間的重要一步，同時(shí)也是洪水計(jì)算的核心部分。在汛期對存在失事風(fēng)險(xiǎn)的水庫進(jìn)行潰壩計(jì)算，對于考慮影響范圍和安排避險(xiǎn)措施顯得尤為重要[2]。

潰壩是一種非恒定不連續(xù)波運(yùn)動(dòng)，其流動(dòng)復(fù)雜性引起眾多學(xué)者的竭力研究，得到了大量的成果。試驗(yàn)是研究潰壩問題最直接的工具，其源頭可追溯到19世紀(jì)中葉法國圣維南做的潰壩試驗(yàn)。隨著數(shù)學(xué)模型的發(fā)展和計(jì)算機(jī)計(jì)算性能的提高，通過潰壩洪水問題的數(shù)值模擬進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析成為主流的研究方法。潰壩問題研究的持續(xù)發(fā)展，也相應(yīng)出現(xiàn)了一些軟件和程序，如Hec-Ras，DAMBRK、MIKE、HydroInfo、Flow- 3D、FLUENT等。2009年，鄭力等采用Flow- 3D及FLUENT兩種模擬軟件對潰壩進(jìn)行數(shù)值模擬并提出適用性[3]。2012年，沈洋等利用MIKE軟件模擬了金牛山壩體潰決后下游洪水演進(jìn)過程[4]。2018年，Issakhov等通過MIKE 3與Flow- 3D建立三維模型，并針對下游干濕初始條件進(jìn)行對比分析[5]。HydroInfo軟件能夠較好地模擬模型尺度下的潰壩問題[6]，但探討潰壩整體模型在工程實(shí)例上下游洪水演進(jìn)的運(yùn)用較少。基于此，本文基于某水庫實(shí)際地形、調(diào)洪過程進(jìn)行洪水演進(jìn)模擬分析，根據(jù)庫水位測點(diǎn)加強(qiáng)模型可靠性，建立全潰、半潰工況下的洪水演進(jìn)過程。

某水庫工程建成于1974年。為實(shí)現(xiàn)城區(qū)供水在2001年進(jìn)行了擴(kuò)建，2003竣工。擴(kuò)建后庫容為2.8688億m3，壩頂高程加高至83.1m，壩段總長346m。水庫集水面積為692 km2，下游流域面積為211.67km2。擴(kuò)建工程增加了庫容，也增加了潰壩的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)該流域易突發(fā)暴雨，主要集中于7、8月份，容易形成特大洪水。在壩體運(yùn)行過程中，加強(qiáng)大壩管理和水庫調(diào)度，建立潰壩應(yīng)急預(yù)案也成為避險(xiǎn)的操作依據(jù)。為了準(zhǔn)確為預(yù)案的制定提供淹沒時(shí)間、淹沒范圍、歷時(shí)、淹沒水深等數(shù)據(jù)支持，采用HydroInfo水利信息系統(tǒng)[7]搭建英那河流域水動(dòng)力模型，實(shí)現(xiàn)半潰、全潰工況的模擬計(jì)算。

1 模型控制方程

潰壩的破壞主要體現(xiàn)在潰壩洪水在下游推進(jìn)中的水位和流速值較大，其垂向尺度與水平尺度相差較大，仍屬于平面大范圍的自由表面流動(dòng)[8]，引入靜定假設(shè)，簡化基本守恒方程。由于整體模型潰口處水深較大，潰口地形對流量變化較大，為減小計(jì)算誤差，采用Reynolds平均三維淺水方程[9]。

連續(xù)方程：

(1)

x,y方向上的動(dòng)量方程：

(2)

(3)

水位η演化方程:

(4)

在垂直方向上采用Euler-Lagrangian垂向分層動(dòng)網(wǎng)格及平面非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，模型采用Vertex-Centered方式的非結(jié)構(gòu)化有限體積方法對方程進(jìn)行離散求解[10]。

2 模型建立與應(yīng)用

2.1 模型建立

模型采用壩體上下游整體計(jì)算，模型區(qū)域從水庫入口至下游入海口，地形采用已有實(shí)測地形，計(jì)算區(qū)域如圖1所示。模型采用非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格離散，為保證計(jì)算速率，垂向分2層。計(jì)算域內(nèi)生成72140個(gè)結(jié)點(diǎn)，142935個(gè)單元，如圖2所示。水庫入庫流量采用實(shí)測洪水流量同比放大至2000年一遇洪水量，下游設(shè)置海口水位3m，由平均潮位確定。糙率根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)文獻(xiàn)[11]，水庫內(nèi)糙率取0.025，下游河道糙率采用0.04，河道兩側(cè)糙率采用0.08。

圖1 計(jì)算區(qū)域三維視圖

圖2 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格圖

圖3 “803”庫水位對比圖

2.2 水庫模型適用性驗(yàn)證

為避免水庫地形數(shù)據(jù)造成的計(jì)算誤差，同時(shí)驗(yàn)證水庫模型庫容在模擬一般洪水的準(zhǔn)確性，以“803”洪水水庫調(diào)洪過程進(jìn)行水庫適用性驗(yàn)證。2018年8月該流域受臺(tái)風(fēng)“海棠”影響，從8月3日17時(shí)到4日11時(shí)歷時(shí)18h，共降雨348.6mm。其中最大1小時(shí)雨強(qiáng)為44.4mm；最大3小時(shí)雨強(qiáng)為115mm；最大單站1小時(shí)雨強(qiáng)為88.5mm，最大單站降雨量為414.5mm。以上數(shù)值除1小時(shí)雨強(qiáng)外，均是水庫擴(kuò)建以來的極值。本次降雨過程洪峰出現(xiàn)在4日9時(shí)，瞬時(shí)流量達(dá)6018m3/s，本次來水總量為1.95億m3。結(jié)果(圖3)與實(shí)測庫水位擬合良好，可進(jìn)行潰壩計(jì)算。

3 潰壩應(yīng)用

3.1 潰壩工況

潰壩方案采用瞬時(shí)潰壩，下游無水。全潰工況，假設(shè)壩體整體坍塌，潰口高程取地形高程50.29m，潰口338m；半潰工況，假設(shè)壩體在工程接縫處的溢流壩段出現(xiàn)滑移坍塌，潰壩高程取原壩高59m，潰口142m。兩種工況均采用校核洪水位81.2m為突發(fā)潰壩庫水位。水庫入庫流量為“803”入庫洪水過程線同比放大所得。

在圖4中，全潰工況下庫水位迅速下降，在潰壩發(fā)生20h后趨于穩(wěn)定；半潰工況中在前6h變化較快，后逐漸趨于穩(wěn)定。兩工況壩址流量如圖5所示，全潰工況最大壩址流量為82311m3/s，半潰工況最大壩址流量達(dá)24983m3/s。從圖6、圖7可以看出，全潰工況在2.2h達(dá)到淹沒面積最大，最大值為64.82km2，淹沒水量最大值為2.221億m3；半潰工況于5.6h達(dá)到淹沒水量最大，最大值為2.212億m3，在6h達(dá)到淹沒面積最大，最大值為60.096km2。兩工況最大洪水淹沒面積及時(shí)刻如圖8、圖9所示，前者洪水集中在上、中游，后者可以看出洪水主要分布在中、下游。在全潰工況洪水水量和淹沒面積最高峰后，半潰工況淹沒水量及淹沒面積基本都在全潰工況之上。

3.2 特征點(diǎn)位水情

為直觀地表達(dá)潰壩洪水對下游的影響，根據(jù)HydroInfo的計(jì)算結(jié)果后處理功能設(shè)置特征對比點(diǎn)，特征點(diǎn)位的設(shè)置能夠?yàn)楣芾韱挝粚ο掠芜M(jìn)行有組織的部署提供數(shù)據(jù)參考。選取點(diǎn)位為下游重要村莊和建筑物(圖10)，部分計(jì)算結(jié)果見表1—2。

圖4 庫水位過程線

圖5 流量過程線

圖6 淹沒面積過程線

圖7 淹沒水量過程線

圖8 全潰工況t=2.2h洪水淹沒圖

圖9 半潰工況t=6.0h洪水淹沒圖

表1 全潰工況部分特征點(diǎn)結(jié)果

表2 半潰工況部分特征點(diǎn)結(jié)果

圖10 特征點(diǎn)位置圖

潰壩對下游村落和建筑物造成巨大威脅，在全潰工況中，閻磨房距離壩下最近，全潰工況中在0.08h洪水即可到達(dá)，在0.3h時(shí)水深高達(dá)17.97m；即使在半潰工況中也在0.16h到達(dá)，0.66h水深也達(dá)到9.18m。鶴大高速橋下在全潰時(shí)水深達(dá)到9.67m，流速最大為8.64m/s，已威脅到橋體安全。具離壩體較遠(yuǎn)的大沙嶺，該村落地勢平坦，距離海口較近，水深最高在2m左右，在半潰工況中于5h后到達(dá)，對村落威脅較小，但是滯水時(shí)間較長，對該地區(qū)從事海產(chǎn)品養(yǎng)殖的漁戶造成很大的影響。

4 結(jié)論

基于某水庫，利用HydroInfo建立了潰壩洪水模型，并通過“803”洪水水庫調(diào)度過程進(jìn)行模型驗(yàn)證分析。建立整體潰壩模型并對該水庫全潰、半潰工況洪水演進(jìn)過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到潰口流量、水庫水位變化、淹沒范圍、淹沒時(shí)間以及下游特征點(diǎn)的重水情信息，可得到以下結(jié)論：

(1)HydroInfo能夠準(zhǔn)確地拾取地形數(shù)據(jù)并建立壩體上下游的整體模型，通過對兩種工況結(jié)果分析可證明其合理性；軟件的界面操作友好，能夠便捷地建立模型并提取下游水情數(shù)據(jù)，適用于實(shí)際工程領(lǐng)域。

(2)全潰工況雖然發(fā)生幾率較低，滯留時(shí)間短，但是其洪水流速較大，近壩址處村落的房屋和道路將會(huì)遭受巨大沖擊，災(zāi)難性極大。半潰相對而言災(zāi)害性降低，給下游留出更多的反應(yīng)時(shí)間，但是洪水滯留時(shí)間相對變長。對于兩種潰壩工況，都應(yīng)制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。管理部門應(yīng)以人為本，根據(jù)水位以及滯留時(shí)間對群眾進(jìn)行地勢高點(diǎn)轉(zhuǎn)移和救援。