潰壩洪水分析及影響研究
——以陜北地區(qū)瑤鎮(zhèn)水庫為例

劉 濤

(陜西省延安市行政審批服務(wù)局，陜西 延安 716000)

潰壩分析是非防洪工程措施的一項基礎(chǔ)內(nèi)容，主要評估分析由遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水或突發(fā)潰壩等極端事件造成的洪水淹沒范圍及程度，為下游防洪安全和應(yīng)急管理等工作提供支撐，特別是對于陜北地區(qū)久旱地區(qū)遭遇極端天氣造成潰壩洪水研究意義深遠(yuǎn)[1]。為此，選擇陜北地區(qū)瑤鎮(zhèn)水庫，利用先進(jìn)潰壩分析技術(shù)，假定水庫遭遇50 a一遇洪水和500 a一遇洪水情況下右岸與非溢流壩連接的副壩段潰壩，對潰壩洪水及影響進(jìn)行評估及分析，充分發(fā)揮洪水演進(jìn)分析在防洪減災(zāi)工作中的作用。

1 工程概況

瑤鎮(zhèn)水庫位于榆林市神木縣瑤鎮(zhèn)鄉(xiāng)境內(nèi)禿尾河干流上游瑤鎮(zhèn)村附近，樞紐距榆神二級公路約17 km，距神木縣城約50 km，神木至爾林兔公路從壩肩通過。是一座以城鎮(zhèn)供水為主，兼顧農(nóng)業(yè)灌溉、生態(tài)用水等綜合利用的中型水庫。工程規(guī)模屬于Ⅲ等工程，主要建筑物為二級建筑物設(shè)計，次要建筑物為四級。工程于2003年9月建成，控制流域面積770 km2。工程攔河壩由主壩及副壩構(gòu)成，河床段布置32 m長的溢流壩段，左岸接74 m長非溢流重力壩段，右岸接194.5 m長副壩，副壩為沙壩。沖沙洞和引水洞為內(nèi)徑2.0 m和1.0 m的鋼筋砼圓形斷面，設(shè)計壩高為27.9 m，壩頂高程為1 163.4 m，壩頂寬度4 m，總庫容1 060萬 m3。水庫所在流域圖見圖1。

圖1 水庫所在流域示意圖

2 方法及模型建立

2.1 方法構(gòu)思

通過分析遭遇50 a一遇洪水和500 a一遇洪水，右岸與非溢流壩連接的副壩段潰壩，利用GIS技術(shù)對瑤鎮(zhèn)水庫及下游防護(hù)區(qū)地形矢量和影像文件進(jìn)行處理、校驗與轉(zhuǎn)換，生成DEM模型；基于河流水力模擬系統(tǒng)，構(gòu)建水庫下游防護(hù)區(qū)二維水流數(shù)值模擬模型[2][3]，對潰壩洪水過程進(jìn)行水力模擬計算，獲得不同工況下下游典型斷面或代表點的淹沒水深、洪水流量和流速、洪水抵達(dá)時間等水力要素，基于GIS平臺，將這些要素疊加到瑤鎮(zhèn)水庫及下游防護(hù)區(qū)的電子地圖上，形成潰壩洪水演進(jìn)過程分析結(jié)果。

表1 工況情況表

2.2 模型建立

2.2.1 地形矢量和影像資料處理

將河道網(wǎng)格模型與拼接描點的高程數(shù)據(jù)和衛(wèi)星地形圖高程數(shù)據(jù)結(jié)合[4][5]。創(chuàng)建perioritize scatter aera數(shù)據(jù)網(wǎng)格，優(yōu)先使用地形圖描點數(shù)據(jù)和衛(wèi)星圖高程數(shù)據(jù)進(jìn)行interpolte，生成mike二維高程網(wǎng)格即計算模型。

2.2.2 平面二維數(shù)學(xué)模型建立

模型是基于三向不可壓縮和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程，并服從于Boussinesq假定和靜水壓力的假定[6-7]。

二維非恒定淺水方程組為：

(1)

(2)

(3)

式中：t為時間；x，y為笛卡爾坐標(biāo)系坐標(biāo)；η為水位；d為靜止水深；h=η+d為總水深；u、v分別為x，y方向上的速度分量；f是哥氏力系數(shù)，f=2ωsinφ，ω為地球自轉(zhuǎn)角速度，ω為當(dāng)?shù)鼐暥?；g為重力加速度；ρ為水的密度；sxx、sxy、syy分別為輻射應(yīng)力分量；Txx、Txy、Tyx、Tyy為水平粘滯應(yīng)力項，S為源匯項，us、vs為源匯項水流流速。

(4)

Tij為水平粘滯應(yīng)力項，包括粘性力、紊流應(yīng)力和水平對流，這些量是根據(jù)沿水深平均的速度梯度用渦流粘性方程求得。

(5)

3 潰壩洪水分析

3.1 演進(jìn)過程

以50 a一遇洪水為例，分別分析洪水到達(dá)瑤鎮(zhèn)、紅石峁、野林托拉、花坨灣、榆商高速的順序演進(jìn)過程。潰壩發(fā)生2 min后洪水到達(dá)瑤鎮(zhèn)，7 min50 s時瑤鎮(zhèn)水位達(dá)到最大值1 160.57 m，潰壩發(fā)生11 min50 s后洪水到達(dá)紅石峁，20 min40 s時紅石峁水位達(dá)到最大值1 134.28 m，潰壩發(fā)生28 min20 s后洪水到達(dá)野林托拉，51 min40 s時野林托拉水位達(dá)到最大值1 129.2 m；潰壩發(fā)生34 min40 s后洪水到達(dá)花圪臺灣，1 h0 min10 s時花圪臺灣水位達(dá)到最大值1 090.9 m；潰壩發(fā)生58 min40 s后洪水到達(dá)榆商高速，由于榆商高速距離下游壩址采兔溝非常近，水位不斷增加，在計算時段結(jié)束即1 h12 min15 s時，水位達(dá)到1 064.4 m。

由圖2流速變化過程線，可以看出每個監(jiān)測斷面流速存在明顯的洪峰效應(yīng)，流速基本呈先上升后下降趨勢?，庢?zhèn)地區(qū)，在潰壩發(fā)生7 min左右，潰壩流速達(dá)到13 m/s；且在花圪臺灣附近由于河道的束窄作用，使得該處流速在潰壩的階段均處于5 m/s以上；在榆商高速附近流速存在波動，主要原因是洪水受到下游采兔溝水庫的攔截，使得洪水從采兔溝壩址涌向上游榆商高速的過程，造成流速在減小后存在增大現(xiàn)象[8]。

圖2 特征斷面處潰壩洪水流速隨時間變化過程線

3.2 水深及淹沒范圍分析

潰壩發(fā)生后不同時段，不同位置的水深及淹沒，如圖3所示。潰壩發(fā)生后6 min40 s，由于河道的拐彎和最大潰壩洪水的疊加，使得瑤鎮(zhèn)附近將受到最大程度淹沒；潰壩導(dǎo)致采兔溝壩址附近的水深增加最大達(dá)到8 m左右。

圖3 潰壩后1h06min40s洪水深分布圖

3.3 流速矢量分布

3.3.1 流速分布

斷面平均最大流速出現(xiàn)在瑤鎮(zhèn)下游主河床部位，最大流速為14 m/s，各部位流速及流速矢量分布見圖4。

圖4 潰壩后1h13min55s時洪水流速分布圖

3.3.2 矢量分布

通過潰壩后下游流速矢量分布分析，首先在靠近岸邊處流速方向發(fā)生較大的改變，主要引起原因是岸坡對水流的頂沖作用，其次，在岸坡拐彎弧度大且河谷狹窄，易導(dǎo)致增大流速和產(chǎn)生漩渦，流速矢量分布見圖5～圖9。

圖5 6min40s瑤鎮(zhèn)洪水流速矢量分布等值線 圖6 20min40s時紅石峁村洪水流速矢量分布

圖7 51min40s時野林托拉洪水流速矢量分布 圖8 1h40s時花圪臺灣洪水流速矢量分布

圖9 1h13min55s時榆商高速流速矢量分布

4 綜合評估和影響分析

4.1 潰壩洪水影響范圍及綜合評估

工況1，50 a一遇洪水，副壩全潰。由于副壩所在地區(qū)地勢較高，潰壩發(fā)生時，首先對副壩后地勢產(chǎn)生沖擊，隨后潰壩主流涌入主河道內(nèi)與瑤鎮(zhèn)接壤的錦界鄉(xiāng)也將受到洪水淹沒影響；紅石峁地區(qū)由于地形較高基本不會被洪水淹沒。花圪臺灣附近由于河道的拐彎和頂沖大部分處在淹沒區(qū)；榆商高速不僅受到潰壩洪水演進(jìn)過程的影響，同時還將受到洪水逆行波的影響。

本次計算，各監(jiān)測斷面最大淹沒水深統(tǒng)計如下。潰壩發(fā)生6min40s時瑤鎮(zhèn)地區(qū)最大水深將達(dá)到11 m，有房屋處的地區(qū)淹沒水深在1～2 m左右；潰壩發(fā)生20min40s時紅石峁地區(qū)最大淹沒水深約9 m，地勢較高的有房屋地區(qū)的基本不會被淹沒；潰壩發(fā)生第51min40s時野林托拉最大淹沒水深約9 m，房屋部分受到淹沒，淹沒水深在1 m左右；潰壩發(fā)生第1h40s時，花圪臺灣處最大淹沒水深6 m。

從淹沒流速看來，各監(jiān)測斷面處的房屋處在較高地區(qū)，淹沒流速均小于2 m/s，但由于被淹沒地區(qū)的房屋對水流的頂沖作用，流速分布比較復(fù)雜，流速矢量在岸坡附近均存在環(huán)流和繞流。

工況2，五百年一遇洪水，副壩全潰。本次計算工況，各監(jiān)測斷面最大淹沒水深統(tǒng)計如下。潰壩發(fā)生3min55s時瑤鎮(zhèn)地區(qū)最大水深約為10.5 m，較工況1增大并不明顯，流速增大約2.5 m/s，淹沒范圍有房屋處的地區(qū)淹沒水深在1～2 m左右較工況1增大不顯著；潰壩發(fā)生17min50s時紅石峁地區(qū)最大淹沒水深約8.5 m，工況1、2在瑤鎮(zhèn)地區(qū)有房屋地區(qū)的地勢，淹沒范圍較大；潰壩發(fā)生第41min30s時野林托拉最大淹沒水深約10.4 m，有房屋部分受到淹沒，淹沒水深在1 m左右，比工況1淹沒水深大；潰壩發(fā)生第1h40s時，花圪臺灣處最大淹沒水深10.4 m。工況2較工況1在平順河道地區(qū)淹沒水深小，但淹沒流速大，彎曲河段淹沒水深大，淹沒流速也較大。工況2較工況1淹沒范圍增加，尤其是潰壩后1h10min45s時采兔溝壩址上游兩支流(袁家溝、黑龍溝)處倒灌淹沒范圍比工況1大。

從淹沒流速分布來看，基本規(guī)律與工況1相似，但工況2在采兔溝壩址及上游庫區(qū)一定范圍內(nèi)潰壩洪水涌向上游。

4.2 對下游水庫影響分析

本次模擬，以采兔溝水庫設(shè)計洪水水位1 082.11 m作為模型水位控制邊界條件，在水位低于設(shè)計洪水時，水庫不會下泄洪水，當(dāng)洪水高于設(shè)計水位時全斷面下泄洪水。計算結(jié)果如表2。

表2 各工況下采兔溝水庫壩址處水位

由計算結(jié)果可以看出，采兔溝水庫在初始水位為1 056 m時，本次模擬的不同工況對應(yīng)水位區(qū)間范圍為1 064～1 066.2 m，瑤鎮(zhèn)水庫潰壩發(fā)生對采兔溝水庫安全產(chǎn)生影響較小。由采兔溝庫區(qū)監(jiān)測斷面水深變化看，潰壩波傳播至采兔溝水庫后，由于采兔溝水庫庫容較大，庫區(qū)形成的水面消波作用明顯，上游潰壩造成的潰壩波在采兔溝水庫內(nèi)影響的水位波動范圍均在1 m范圍之內(nèi)，對壩體結(jié)構(gòu)無實質(zhì)性威脅。但由于潰壩后采兔溝水庫入庫流量增加，庫區(qū)水位上漲較為明顯，且瑤鎮(zhèn)至采兔溝區(qū)間，河床坡度較大，使得潰壩發(fā)生時瑤鎮(zhèn)水庫庫容在較短時間內(nèi)均下泄到采兔溝庫區(qū)內(nèi)。因此，其他不同時刻初始庫容潰壩工況，可依據(jù)采兔溝水庫水位～庫容關(guān)系，將瑤鎮(zhèn)水庫庫容與采兔溝庫容進(jìn)行疊加，而初步得到瑤鎮(zhèn)水庫潰壩時采兔溝庫水位的預(yù)測值。

5 結(jié)語

(1)從淹沒范圍上看，受潰壩洪水影響最大的地區(qū)是瑤鎮(zhèn)地區(qū)。導(dǎo)致禿尾河水流在大洪水條件下下泄受到地形限制，野林托拉、花圪臺灣地區(qū)水位受到控制段彎道限制，此部分地區(qū)水深和流速均較大。

(2)從流速分布上看，水流最大流速均在主河道區(qū)域，被淹沒的居民區(qū)范圍內(nèi)流速一般小于2 m/s，野林托拉所在監(jiān)測斷面流速最大達(dá)到10.4 m/s，最大流速在花圪臺灣監(jiān)測斷面達(dá)到11 m/s，像花圪臺灣和紅石峁地區(qū)，由于地形限制，河道曲率半徑較小，河谷相對狹窄，此部分地區(qū)磚混結(jié)構(gòu)物難以承受洪水沖蝕，且岸坡受到強(qiáng)烈沖刷作用，需提前預(yù)警并轉(zhuǎn)移該地區(qū)人員。

(3)從淹沒面積上看，五百年一遇洪水淹沒范圍與五十年一遇洪水淹沒面積相比增加明顯。河道中存在的灘地及相關(guān)節(jié)點，礙洪作用明顯，野林托拉下游河道施工侵占河道現(xiàn)象嚴(yán)重，且此處河道狹窄，紅石峁至野林托拉段形成滯洪區(qū)。

(4)本次模擬采兔溝水庫初始水位為1 056 m，以采兔溝水庫設(shè)計洪水水位1 082.11 m作為模型水位控制邊界條件，在水位低于設(shè)計洪水時，水庫不會下泄洪水，當(dāng)洪水高于設(shè)計水位時全斷面下泄洪水。兩種工況下其對應(yīng)水位區(qū)間范圍為1 064～1 066.2 m，低于設(shè)計洪水位，因而瑤鎮(zhèn)水庫潰壩不會對采兔溝水庫安全產(chǎn)生很大影響。