HEC-RAS在二維潰壩模擬中的應用
——以紅旗水庫為例

2021-05-21 02:37:36黃彬彬葛立明

人民珠江 2021年5期

黃彬彬，葛立明，徐嫻，王悅

(1.南昌工程學院鄱陽湖流域水工程安全與資源高效利用國家地方聯合工程實驗室，江西南昌 330099；2.江西省地質礦產勘查開發局902地質大隊，江西新余 338000)

據2017年全國水利發展統計公報，中國現有水庫98 795座，水庫總庫容約9 035億m3[1]。大壩在國家基礎設施中起著至關重要的作用，然而受年久失修等多種因素的影響，中國潰壩事故時有發生。據統計，1954—2018年，中國發生潰壩事故的水庫有3 541座[2]。水庫一旦失事，將給人民的生命財產造成巨大損失。

HEC-RAS是美國陸軍工程兵團水文工程中心開發的水力計算程序，是用于生成和分析洪水模擬最常用的程序之一[3]。相較于MIKE，HEC-RAS在二維模型上起步較晚，但由于HEC-RAS免費開放，且計算精度較高，因此國外對于HEC-RAS的應用比較廣泛，而國內對于HEC-RAS在二維潰壩模擬等工程領域方面卻應用不多，且國內的相關參考資料較少[4]。本文采用HEC-RAS對紅旗水庫的潰壩進行模擬，研究了土石壩的潰決機理，同時模擬分析結果可為大壩失事的早期預警、人員疏散和抗洪救災提供重要信息，為紅旗水庫制定水庫大壩防洪減災工作規劃及水庫大壩安全管理應急預案提供技術參考。

1 工程概況

紅旗水庫位于安徽省潛山市源潭鎮境內，大沙河支流的魯坦河上，東經116.64°，北緯30.83°，屬長江流域菜籽湖水系。本文研究區域為紅旗水庫及其下游區域，包括潛山市源潭鎮，桐城市青草鎮、新渡鎮、雙港鎮、雙新經濟開發區，以及懷寧縣馬廟鎮、金拱鎮等行政區域。研究區域地理位置見圖1。

圖1 研究區域地理位置

水庫控制流域面積64 km2，總庫容1 385萬m3，興利庫容1 079萬m3，工程等別為Ⅲ級，主要永久性水工建筑物級別為3級。洪水標準按100年一遇洪水設計，2 000年一遇洪水校核。水庫正常蓄水位96.0 m，設計洪水位98.21 m，校核洪水位99.78 m。水庫大壩相關參數見表1。

表1 水庫大壩相關參數單位：m

2 模型構建

2.1 數據來源

紅旗水庫洪水入庫流量過程線由紅旗水庫管理所提供，水庫P=0.05%校核洪水入庫流量過程線見圖2，其洪峰流量為2 590 m3/s。庫容曲線根據庫區地形圖量算得到。地形數據來源于NASA，為分辨率9 m×9 m的DEM。利用ArcGIS對下載的DEM進行鑲嵌和裁剪，從而得到研究區域內的DEM。坐標系采用CGCS2000 3 Degree GK CM 117E。

圖2 P=0.05%校核洪水入庫流量過程線

2.2 初始條件和邊界條件

上游水庫的初始條件為水庫的起潰水位，壩址以下初始時刻為干河床。本文采用整體模型法。上游邊界條件取紅旗水庫2 000年一遇的校核洪水入庫流量過程。下游邊界條件設為自由出流邊界，洪水若傳播到下邊界則自由出流。閉邊界條件一般取無滑移邊界條件，閉邊界不與外界進行水量交換，即法向流速為0。

2.3 確定糙率

糙率是洪水演進模擬計算中的一個重要參數[5]。本文通過RAS Mapper來實現土地覆蓋中的糙率值賦值于二維網格，根據不同的土地覆蓋類型，從HEC-RAS二維建模用戶手冊[6]、澳大利亞降雨和徑流修正項目15：城市和農村洪泛區的二維建模(2012年11月)[7]以及《明渠水力學》[8]中查詢相應的糙率范圍值，并通過現場調查確定相應的糙率值，見表2。本文所采用的土地覆蓋數據分辨率為30 m×30 m，來源于國家基礎地理信息中心，見圖3。

圖3 土地覆蓋數據

表2 不同土地覆蓋類型下的n值

2.4 計算工況

紅旗水庫主壩為混凝土心墻壩(土石壩)，副壩為漿砌石重力壩。土石壩的潰壩形式通常為逐漸潰壩，從安全角度考慮，本文主壩潰壩形式采用瞬間潰壩。漿砌石重力壩屬于剛性壩，剛性壩的潰壩形式一般為瞬間潰壩[9]。5種回歸方程對土石壩潰口尺寸預測結果見表3。

通過以上對紅旗水庫主壩潰口尺寸的預測可以看出，Von Thun&Gillete(1990)方程在土石壩潰口尺寸預測上得出的潰口尺寸最大。為安全考慮，工況1的潰壩方案為紅旗水庫可能面臨的最危險工況。由于在所有壩型中土壩的潰壩概率最高，遠遠高于漿砌石重力壩，因此工況2采用主壩(土石壩)全潰的潰壩方案。根據表3對紅旗水庫土石壩潰口尺寸預測結果，本文選取Von Thun&Gillete(1990)方程計算得到的潰口尺寸作為工況3(表4)。

表3 土石壩潰口尺寸預測結果

表4 計算工況描述

3 計算結果及分析

3.1 潰口流量過程

圖4為3種不同工況下的潰口流量過程線。由圖可知，瞬時潰口尺寸越大，初始下泄流量越大，初始下泄流量過程線變化越快，而潰口尺寸越小潰口流量過程線變化越緩慢。3種工況在1 min內潰口下泄流量都急劇上升并達到了潰口下泄流量最大值。相較于前2種工況，到達流量峰值之后工況3的潰口下泄流量變化卻呈現緩慢下降趨勢。20 min時，3種工況的潰口下泄流量分別為140.19、146.57、128.64 m3/s，由此可見水庫的水量基本在20 min內排完。通過對比發現，雖然3種工況的下泄流量不同，但是水庫水量排泄完所用時間基本相同。

圖4 潰口流量過程線

3.2 潰口下游局部流態

圖5a—5c分別為工況1、2、3條件下潰壩1 min后潰口下游局部流態，黑色箭頭表示水流流向，顏色的變化表示流速大小的變化。從流態圖中可以看出各工況條件下流速值變化均勻，流向合理不紊亂，液態整體規律性強，無發散跡象，局部流速約為2～15 m/s，在合理范圍內。此外，對比圖5a—5c，發現水庫初始潰口越大，潰壩1 min后潰口附近淹沒面積越大。對比圖5a與5b，發現水庫初始潰口越大，潰壩1 min后潰口附近流速越小。

a)工況1

3.3 潰壩洪水淹沒水深分布

為了更直觀詳細的展示淹沒水深分布狀況，本文將淹沒水深分為11個水深等級，即小于0.5、0.5～1.0、1.0～2.0、2.0～3.0、3.0～4.0、4.0～5.0、5.0～10.0、10.0～15.0、15.0～20.0、20.0～25.0、大于25.0 m。由表5可以看出不同工況條件下的潰壩洪水最大淹沒面積及相同水深等級下對應的淹沒面積基本相同。本文以工況1為例，繪制潰壩洪水歷時1、5、12、26 h的淹沒水深分布圖，見圖6。通過表6可以看出，雖然3種工況的潰口大小不同，但潰壩洪水到達各鎮區的時間基本相同。通過表7可以看出，各工況下潰壩洪水在各鎮區的最大淹沒面積基本相同。

表5 各工況下潰壩洪水最大淹沒水深的淹沒面積統計

a)歷時1 h

表6 各工況下潰壩洪水到達各鎮區歷時統計單位：min

表7 各工況下潰壩洪水在各鎮區的最大淹沒面積統計單位：萬m2

潰壩洪水淹沒區域包括了源潭鎮鎮區、青草鎮鎮區、新渡鎮鎮區、雙港鎮鎮區以及佛子庵、江鳳形、江花屋、樟樹、源潭村、梓樹、橫河埂、賈瓦屋、下胡老屋、柳林街、東畈、高壁腳、土樓、吳店、羅家老屋、方家小老屋、李圩、底園、高城屋、金莊、小屋、張家新屋、祠堂畈、永濟村、邱寨、八畝坂、汪屋、劉灣、程老、王寨、彭家塝、朱家井、徐家河、沙圩、幸福、紅星、上馬、朱圩、邵家灣、老濠、五合村、畢畈村、上灣、李家圩、彭家灣、小河邊、三保圩、雙亭、鄭圩村、雷濠、占圩、江家老屋、塘閘、黃灣、李老屋等村社的部分面積和209省道、206國道、G4212滬渝高速的部分道路段。

3.4 淹沒水深風險圖

據SL 483—2017《洪水風險圖編制導則》[10]中規定，當淹沒水深大于0.5 m時就是危險區域，因此本文淹沒水深風險圖劃分從0.5 m開始，分別取4個水深等級，即0.5～1.0、1.0～2.0、2.0～3.0、大于3.0 m[11]。本文3種工況的模擬結果在潰壩洪水最大淹沒水深分布上相差不大。因此本文以工況1為例繪制淹沒水深風險圖，見圖7。從圖中可以看出，越靠近水庫，水深等級越大，風險越大。根據計算得到水深大于0.5 m的淹沒面積為5 435.82萬m2，占總淹沒面積的81.66%。

圖7 工況1的淹沒水深風險圖

3.5 潰壩生命損失評估

本文采用較為常用的Dekay&Mc Clelland法對紅旗水庫潰壩生命損失作初步估算[12]。美國墾務局Dekay和Mc Clelland對大量潰壩歷史記錄數據進行經驗統計與回歸分析后，在1993年提出了包含潰壩洪水嚴重程度、風險人口、警報時間與生命損失的模型。

L(p)=a+blnPAR+cWT+dF+eWT×F

(1)

對于生命損失嚴重程度系數的計算一般采用如下函數：

y=a(lgx)b

(2)

生命損失嚴重程度系數反映了潰壩造成的生命損失嚴重程度，系數越大，則生命損失越嚴重。根據模型模擬結果及分析，本文潰壩洪水嚴重程度F取0.5，參數b取0.1。參照國外的經驗[13-14]，本文洪水臨界水深取0.3 m，通過計算得到工況1、2、3條件下的風險人口分別為48 356、48 432、48 327人。由于3種工況下風險人口差別不大，計算得到的結果相同，因此本文以工況1為例進行潰壩生命損失評估。

由表8可知，提前預警時間為0時，即無預警時，人員傷亡人數達210人，當預警時間為1 h，人員傷亡人數明顯降低，此計算結果對美國墾務局[15]提出的警報時間為60 min時可以充分減少死亡人數的理論相互印證，當預警時間為3.5 h，無人員傷亡。因此警報時間越長，生命損失和生命損失嚴重程度系數越低[16]。