基于MIKE11模擬的玉水水庫工程潰壩洪水計算及影響分析

羅 琳，郭術(shù)芳，黃吉奎

（1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430010；2.瀘州市納溪區(qū)水務(wù)局,四川 瀘州 646300）

1 研究背景

潰壩洪水是指堤壩或者其他擋水建筑物潰決,發(fā)生水體突泄所形成的洪水[1],具有歷時短、峰高量大、突發(fā)性強(qiáng)、難以預(yù)測等特點[2]。一旦發(fā)生潰壩事故,尤其是水庫潰決,洪水波常以立浪或涌波形式向下游急速推進(jìn),沖毀或淹沒沿岸城鎮(zhèn)、村莊、耕園地等,下游臨近地區(qū)難以從容防護(hù),給人民的生命安全和財產(chǎn)安全帶來巨大的危害。

我國水庫大壩設(shè)計采用高的洪水標(biāo)準(zhǔn)、地震標(biāo)準(zhǔn)和安全標(biāo)準(zhǔn),并逐步建立了嚴(yán)格的建設(shè)、運行管理制度,潰壩風(fēng)險概率處于極低水平,但潰壩帶來的后果是災(zāi)難性的。設(shè)計水庫大壩時,應(yīng)進(jìn)行潰壩洪水計算,合理分析潰壩洪水大小、傳播時間、淹沒范圍等,預(yù)估潰壩洪水對下游人民的生命財產(chǎn)安全、建筑物、交通設(shè)施等的影響范圍和程度,作為工程安全管理應(yīng)急預(yù)案制定的依據(jù),最大程度保障人民的生命安全和財產(chǎn)安全[3]。

2 模擬方法

DAMBRK是美國國家氣象局（NWS）研發(fā)的潰壩洪水預(yù)測模型,基于概化潰口形態(tài)的關(guān)鍵參數(shù),如潰口歷時、潰口最終底寬、潰口底部高程、潰口邊坡比等,通過時變過程,如潰口尺寸的線性發(fā)展理論,來模擬潰口的發(fā)展,進(jìn)而計算潰口流量。模型物理機(jī)制明確,考慮了關(guān)鍵要素對洪水的影響,得到了廣泛的應(yīng)用[4-6]。

MIKE11是丹麥水利研究所開發(fā)的一維河流模擬軟件,模擬對象包括河流動力學(xué)、洪水預(yù)報等,應(yīng)用領(lǐng)域有實時洪水預(yù)報、潰壩分析等。其中,潰壩模塊（DB）具有強(qiáng)大的潰壩過程復(fù)演和計算的功能,計算方法之一采用了DAMBRK潰壩模型,潰口流量計算公式如下：

式中：Q為潰口流量；b為潰口底部寬度；h為上游水位（庫水位）；hb為潰口的底高程；S為潰口邊坡比；cweir為水平部分的堰流系數(shù)（取0.546430）；cslope為邊坡部分的堰流系數(shù)（取0.431856）；Cv為入流收縮算損失的修正系數(shù)；ks為淹沒修正系數(shù)。

式中：cB為無量綱系數(shù),其值等于0.740256；WR為水庫寬度由為破壞的壩頂長度來定義；hb,term為潰口最終底高程；Qp為上一迭代中潰口的過流量；hds為下游水位。

3 實例分析

3.1 研究區(qū)域

永寧河為長江右岸一級支流,河流總長164 km,流域面積為3228 km2,河口流量94.6 m3/s,于納溪區(qū)永寧街道匯入長江。

白節(jié)河為永寧河右岸支流,河流總長34 km,流域面積為266.5 km2,河道平均比降5.9‰,于納溪區(qū)新樂鎮(zhèn)匯入永寧河。

擬建的玉水水庫位于永寧河支流白節(jié)河上游,是一座具有農(nóng)業(yè)灌溉、鄉(xiāng)村供水等綜合利用的中型水庫工程。壩址控制集雨面積25.87 km2,多年平均入庫流量0.586 m3/s,水庫總庫容1278 萬m3,校核洪水位324.9 m,正常蓄水位324.0 m,興利庫容955 萬m3。大壩采用風(fēng)化泥巖心墻石渣壩,壩頂長216 m,壩頂寬度8.0 m,壩頂高程325.0 m,最大壩高56.0 m；泄洪建筑物型式采用右岸壩肩布置有閘控制開敞式溢洪道[7]。

3.2 模型構(gòu)建及方案設(shè)定

潰壩洪水計算范圍擬定玉水水庫庫區(qū)及壩址至永寧河河口河段。其中,水庫庫尾至大壩壩址約3.8 km,大壩壩址至白節(jié)河河口約25.7 km,白節(jié)河河口至永寧河河口約5.1 km。計算時,上邊界條件為玉水水庫洪水入庫流量過程；區(qū)間入流考慮碾子溝、龍灘溝、尚厚溝三條支流以及永寧河的多年平均流量；下邊界條件給定長江斷面的水位～流量關(guān)系曲線以及多年平均流量；水庫大壩作為水工建筑物加入模型中。斷面數(shù)據(jù)由實測地形圖提取得到,河道糙率綜合確定為0.04。潰壩計算邊界條件及概化模型見圖1。

圖1 潰壩計算邊界條件及概化模型圖

結(jié)合土石壩潰壩實例統(tǒng)計分析結(jié)果,玉水水庫潰壩風(fēng)險因子可能有：①洪水漫頂；②滲透破壞；③管理不當(dāng)；④地震、戰(zhàn)爭等特殊因素。當(dāng)前,大壩的建設(shè)質(zhì)量有可靠保障,工程投入運行后建立的安全監(jiān)測系統(tǒng)及調(diào)度規(guī)程、日常管護(hù)和巡視可杜絕由管理不當(dāng)造成的潰壩事故。水庫所在區(qū)域地質(zhì)與構(gòu)造穩(wěn)定性好、遭受戰(zhàn)爭破壞的可能性也極小。故玉水水庫潰壩風(fēng)險主要考慮校核洪水位時遭遇特大洪水（按2000年一遇考慮,洪峰流量432 m3/s）而發(fā)生洪水漫頂?shù)墓r。

大壩的潰決形式,從規(guī)模上可劃分為全潰和局部潰決,從時間上可劃分為瞬時潰和逐漸潰[8]。土石壩潰決形式一般是逐步發(fā)展的潰決。結(jié)合玉水水庫工程實際,擬定逐漸半潰或逐漸全潰兩種潰決方式,綜合考慮潰口尺寸、潰決歷時、初始水位等因素,擬定3個具體的潰壩洪水計算方案,見表1。

表1 潰壩洪水計算方案及參數(shù)表

3.3 結(jié)果與分析

根據(jù)擬定的方案,采用MIKE11軟件中的DAMBRK潰壩模型進(jìn)行計算,各個潰決方案壩址下游河段沿程洪峰流量、最高水位、最大洪峰出現(xiàn)時間見表2。

表2 壩址下游河段沿程洪峰流量、最高水位、峰現(xiàn)時間統(tǒng)計表

圖2 延長水庫使用壽命的過程

根據(jù)潰壩洪水計算成果可知,不同方案潰口處洪水流量總體呈現(xiàn)出潰壩時刻流量突增,隨后又很快衰減的陡長陡落的規(guī)律,洪峰流量量級大、但衰減速度也較快；潰壩洪水在下游河道演進(jìn)過程中洪峰也是逐漸衰減,距離壩址越遠(yuǎn)洪峰流量越小；潰壩發(fā)生后,洪峰傳播速度較快。三個方案中,洪峰傳播至白節(jié)河河口僅需65 min~90 min,傳播至永寧河河口僅需152 min~215 min。當(dāng)潰壩洪水推進(jìn)到長江時,長江流量增加643 m3/s ~871 m3/s,占長江多年平均流量的7.6%~10.3%,引起的水位增幅1.63 m~1.69 m,增幅較小。其中,在最不利的方案二中,潰壩洪水入長江并疊加多年平均流量后為9321 m3/s,對應(yīng)水位為232.59 m,遠(yuǎn)小于長江20 年一遇洪峰流量及洪水位（該段河道已建防洪標(biāo)準(zhǔn)為20 年一遇的堤防）,對長江影響不大。玉水水庫潰壩洪水對下游影響范圍為水庫壩址至永寧河河口。

根據(jù)方案一與方案二對比分析結(jié)果,驗證了潰決形式是決定潰口洪峰流量、潰壩洪水過程線的關(guān)鍵因素之一。全潰方案的潰口洪峰流量顯著大于半潰方案；當(dāng)潰壩洪水向下游推進(jìn)時,全潰方案的沿程洪峰流量及最大水深均大于半潰方案,但這種影響隨著距壩里程的增加而逐漸減小。在距壩里程8km以內(nèi),全潰方案洪峰流量沿程衰減速度也顯著大于半潰方案,其主要原因是全潰方案潰壩洪水流量相對較大,受河道阻礙作用更強(qiáng)。

根據(jù)方案二與方案三對比分析結(jié)果,驗證了潰口歷時也是決定潰口洪峰流量、潰壩洪水過程線的關(guān)鍵因素之一。潰口歷時20 min方案的潰口洪峰流量顯著大于潰口歷時1 h方案；當(dāng)潰壩洪水向下游推進(jìn)時,潰口歷時20 min方案的沿程洪峰流量及最大水深均大于潰口歷時1 h方案,但這種影響也隨著距壩里程的增加而逐漸減小。

對比3 個方案的潰壩洪水計算成果,大壩為全潰且潰決歷時20 min時（方案二）,潰口流量最大,沿程洪峰流量及最大水深也最大,對下游危害最大,為最不利方案。

圖3 方案一與方案二下游河段沿程洪峰流量對比圖

圖4 方案二與方案三下游河段沿程洪峰流量對比圖

圖5 方案一與方案二下游河段沿程最高水位對比圖

圖6 方案二與方案三下游河段沿程最高水位對比圖

4 潰壩洪水影響分析

4.1 壩址下游社會經(jīng)濟(jì)及設(shè)施概況

社會經(jīng)濟(jì)概況：水庫壩址以下河段主要流經(jīng)白節(jié)鎮(zhèn)、新樂鎮(zhèn)、永寧街道,沿岸分布有3 個企業(yè)和1 個村委會以及自然居民點和耕園地。

重要設(shè)施概況：水庫壩址至納溪區(qū)城區(qū)的主要交通道路為XE05 縣道,長約25 km,沿途高程在230 m~290 m之間,道路走向主要沿白節(jié)河干流。

4.2 潰壩洪水影響分析

根據(jù)潰壩洪水計算成果,評估下游區(qū)域淹沒情況及影響范圍。本文僅列出最不利方案二的淹沒區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會統(tǒng)計指標(biāo),見表3。

表3 潰壩洪水淹沒區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會指標(biāo)統(tǒng)計表（方案二）

潰壩洪水淹沒影響范圍涉及白節(jié)鎮(zhèn)、新樂鎮(zhèn)及永寧街道,淹沒總面積8.87 km2,淹沒耕園地0.67 萬畝,受影響行政村10 個,淹沒居民點64 個,受災(zāi)人口4626 人,影響房屋面積36.6 萬m2,淹沒XE05 縣道7.13 km（含橋梁4 座,總長632 m）。其中,影響企業(yè)3 個、村委會1 處。

4.3 避險轉(zhuǎn)移措施

為快速躲避潰壩洪水災(zāi)害,結(jié)合淹沒區(qū)域地形、交通、居民聚集場地等條件,擬定在受影響區(qū)兩側(cè)高地就近布置13 個安全區(qū)（見圖7）,以滿足最短時間內(nèi)轉(zhuǎn)移人口需求。

圖7 潰壩洪水淹沒范圍及轉(zhuǎn)移路線示意圖

5 結(jié)語

（1）隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,水庫下游的人口、財產(chǎn)更加集中。盡管水庫出現(xiàn)潰壩事故的概率極小,但潰壩事故一旦出現(xiàn),將帶來災(zāi)難性的后果。為此開展水庫潰壩洪水計算和影響分析是十分有必要的。

（2）本文分析了玉水水庫在校核洪水位時遭遇特大洪水而發(fā)生洪水漫頂?shù)墓r下,基于不同的潰決形式和潰決歷時的3種潰壩方案,利用MIKE11中DAMBRK潰壩模型計算潰口流量并模擬了水庫下游潰壩洪水的演進(jìn)過程。通過對比分析不同方案壩址處的潰壩洪水過程、下游沿程的最大洪峰流量及最高水位,論證了全潰且潰決歷時20 min的潰壩方案為最不利方案,對下游的影響范圍為水庫壩址至永寧河河口。

（3）根據(jù)潰壩洪水的模擬成果及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會情況,分析了最不利方案的洪水淹沒范圍圖及轉(zhuǎn)移路線,為玉水水庫大壩安全管理應(yīng)急預(yù)案提供了技術(shù)支撐,可供主管部門在發(fā)生潰壩事故時設(shè)定科學(xué)的疏散和逃生路線,以最大程度地減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。