基于DAMBRK的官地水電站潰壩洪水模擬研究

范 鴻 杰

（中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川成都 610072）

0 前 言

近年來，隨著氣候條件的變化，極端氣候時有發(fā)生，江河堰塞湖、大壩潰決偶有發(fā)生，給下游人民生命和財產(chǎn)安全造成了重大損失。2018年7月，老撾南部阿速坡省桑片-桑南內(nèi)（Xe-Pian Xe-Namnoy）水電站發(fā)生潰壩事故，導致50億m3的洪水下泄，造成數(shù)人喪生、數(shù)百人失蹤，洪水泛濫造成6 600多人流離失所，該電站所在的薩南賽縣被困，10個地勢較低的村莊受災，其中5個村被洪水淹沒，給當?shù)厝嗣竦纳拓敭a(chǎn)造成了巨大的損失。

根據(jù)相關(guān)法律法規(guī)、國家防總及四川省防汛抗旱指揮部下發(fā)的有關(guān)文件要求，對水電站水庫潰壩洪水進行分析計算，預估潰壩洪水給下游沿江居民、集鎮(zhèn)、村莊、交通等帶來的影響，研究采取相應(yīng)的防減災措施，最大限度降低大壩潰決導致的損失。

本文結(jié)合雅礱江官地水電站實際情況，采用基于參數(shù)的DAMBRK潰壩模型，該模型主要利用最終潰口寬度、潰口形成歷時等關(guān)鍵參數(shù)，以及潰口發(fā)展通過起潰至潰口最終形成的時變過程來進行模擬。該模型計算相對簡便，物理機制明確，同時對潰壩洪水存在影響的關(guān)鍵要素把控較好，應(yīng)用廣泛。

1 官地水電站概況

官地水電站位于四川涼山州西昌市和鹽源縣交界的打羅村境內(nèi)，系雅礱江下游水電規(guī)劃五級開發(fā)的第三個梯級，壩址距西昌市約30 km。電站上游與錦屏二級水電站尾水銜接，下游距二灘壩址約145 km。官地水電站屬日調(diào)節(jié)水庫，正常蓄水位1 330.00 m，總庫容7.6億m3，回水長58 km。

官地水電站主要任務(wù)是發(fā)電，無供水、灌溉、防洪等綜合利用要求。電站主要由混凝土重力壩、泄洪消能建筑物、引水發(fā)電建筑物等組成，最大壩高168.00 m，電站裝機2 400 MW。工程等別為一等大（1）型工程，大壩設(shè)計防洪標準為500年一遇，校核防洪標準為5 000年一遇。

官地水庫的運行方式為：汛期（6～9月），壩前水位降至汛期排沙運用水位1 328 m運行；非汛期（10月～翌年5月），水庫進行日調(diào)節(jié)，壩前運行水位在1 328 m（汛期排沙運用水位）至正常蓄水位1 330 m之間。

2 模型方法

DAMBRK模型是美國國家氣象局NWS的潰壩洪水預報模型，該模型由弗雷德（Fread）于1988年開發(fā)。DAMBRK潰壩洪水計算數(shù)學模型是非恒定流動力演算模型，利用一維圣維南方程組演算水庫出流及流經(jīng)下游河槽的潰壩洪水，程序可以根據(jù)潰口最終形狀和潰壩歷時計算出因溢洪道以及大壩失事形成的壩址處的潰壩洪水過程線。

DAMBRK潰壩洪水計算模型由三部分組成：潰口幾何形態(tài)及潰口形成歷時；壩址下游受河道地形影響的洪水演進過程；潰口泄流過程、上下游水位、庫容及入庫流量。

2.1 潰決口門模擬

依據(jù)潰口形成歷時，將潰決分為瞬潰和漸潰，其中潰決歷時不大于10 min的潰決稱為瞬潰，大于10 min的潰決稱為漸潰，其中重力壩和拱壩主要考慮為瞬潰，土石壩一般考慮為漸潰。官地水電站的擋水建筑物為一座壩高168 m的混凝土重力壩，其潰決按瞬潰考慮，潰決歷時取為0.1 h。

2.2 潰壩泄流過程計算

潰口處下泄流量包括泄水建筑物泄流和潰口出流兩部分。當庫水位高于壩頂高程時為漫頂潰決，潰口處下泄流量按寬頂堰公式計算；當庫水位低于壩頂高程時，則按擬定潰決形態(tài)進行計算，采用寬頂堰公式或孔口出流公式進行計算。由于上下游水位和潰口尺寸是隨時間進行變化的，因此潰口處的泄流量為非恒定流。

2.3 潰壩洪水向下游演進計算

模型采用圣維南方程組計算潰壩洪水波向下游的演進，即：

式中，Q為流量；q為側(cè)向入流或出流；H為水位；A為主河槽過水面積；A0為灘地非主流區(qū)過水面積；X為順水流方向距離；t為時間；Sf為摩阻比降；Se為局部損失比降；g為重力加速度。

3 實例分析

3.1 研究區(qū)域

官地水電站壩址以下雅礱江穿行于崇山峻嶺之間，兩岸人煙稀少，沿岸集鎮(zhèn)和村莊分屬于一市和四縣，在官地電站壩址到二灘壩址之間的雅礱江沿岸。

由于官地水電站下游約145 km為已建成的二灘水電站，且二灘水電站的潰壩洪水計算專題報告已審查通過，故官地水電站的潰壩洪水計算范圍確定為：官地水電站壩址至二灘水電站壩址約145 km的二灘庫區(qū)。

3.2 模型構(gòu)建及方案設(shè)定

潰壩洪水計算范圍涉及官地水電站及下游長約145 km的雅礱江河段，官地壩址至二灘壩址雅礱江干流共布設(shè)有計算橫斷面54條，斷面平均間距約2.69 km，支流鳡魚河匯口以上35.1 km布設(shè)有計算橫斷面17條，斷面平均間距約2.06 km（見圖1）。河道糙率往往是多種因素共同作用的一個綜合值，一般通過實測資料率定。在潰壩洪水演進河道內(nèi)間斷有幾組實測資料，其中包括廠房尾水、水文站實測水位流量關(guān)系曲線和二灘庫尾部分水邊線測量成果，根據(jù)這些資料率定河道綜合糙率。潰壩洪水計算時，參照水力學中糙率取值，計算出河段內(nèi)各級流量的糙率取值在0.05～0.075之間。

通過計算得到沿程各斷面最高水位、洪峰流量及峰現(xiàn)時間等成果。瀘寧站及小得石站的計算流量過程與實測流量過程的比較見表1，兩站的計算和實測的流量過程線見圖2。

圖1 概化河流網(wǎng)格示意

表1 瀘寧站及小得石站的計算值與實測值比較

圖2 瀘寧、小得石兩站計算值與實測值流量過程線

從表1和圖2可以看出，在長達370 km的河道上進行驗算，計算值和實測值的峰現(xiàn)時間和洪峰流量的相對誤差均小于10%，表明該模型模擬效果較好。

根據(jù)分析，官地水電站可能出現(xiàn)重大險情的主要因素有：超標準洪水、特大暴雨、發(fā)生超設(shè)計標準地震、工程隱患、地質(zhì)災害、上游大體積漂移物堵塞泄洪建筑物、戰(zhàn)爭或恐怖襲擊、管理因素、上游錦屏一級水電站潰決導致官地大壩潰決。通過分析官地庫區(qū)地質(zhì)條件、工程管理以及庫區(qū)環(huán)境，綜合考慮官地大壩可能潰決的原因為：發(fā)生超過抗震設(shè)防標準的地震、戰(zhàn)爭或恐怖襲擊。

根據(jù)官地大壩潰壩原因、潰口尺寸、入庫流量以及初始水位等因素，擬定了4個潰壩方案，其中因超標準地震導致潰壩的方案有3個，因戰(zhàn)爭或恐怖襲擊導致潰決的方案有1個。各方案計算參數(shù)見表2。

表2 官地水電站潰壩洪水計算方案及參數(shù)

3.3 結(jié)果與分析

根據(jù)擬定的方案，經(jīng)模型計算，各潰決方案壩址處下泄最大流量見表3，官地壩址以下沿程的洪峰流量及最高水位出現(xiàn)時間分別見圖3～6。

表3 官地水電站各方案壩址處潰壩洪水最大流量

圖3 不同潰決方案壩址處流量過程線

圖4 方案F1、F2、F3、F4潰決方案下游沿程最大水深

圖5 不同潰決方案下游沿程最高水位出現(xiàn)時間

圖6 方案F1、F2、F3、F4下游代表斷面流量過程線

（1）成果合理性檢驗。方案F3為全潰方案，潰決時庫水位為1 330 m，入庫流量2 670 m3／s，相應(yīng)庫容約7.29億m3，大壩全部潰決12 h后水位降低至1 252.97 m，相應(yīng)庫容為0.87億m3，12 h內(nèi)上游來水量為1.15億m3。根據(jù)官地庫容差值和上游來水量計算得12 h內(nèi)潰壩泄水總量為7.58億m3，潰壩程序計算的潰壩泄水總量為7.52億m3，12 h內(nèi)二灘壩址水位由1 200.00 m降至1 199.41 m，二灘庫容減小0.46億m3，且12 h內(nèi)二灘水庫下泄水量為7.92億m3，除庫容減小部分，二灘壩址處泄水量為7.46億m3，上游來水量、電站潰壩庫容變化、潰壩洪水程序計算泄水總量和大壩下游洪水演進洪量之間基本保持平衡。

（2）影響分析。官地水電站大壩至下游二灘水電站壩址的145 km河段，屬高山峽谷地貌，峰谷相對高差大，河谷深窄，是典型的山區(qū)河流。官地壩址至省道S307金河大橋15 km的河道兩岸有官地電站大鹽池營地、打羅村、打羅水文站、金廠壩居民點；金河大橋至德昌縣與西昌市交界處的爛壩村河段約26 km，環(huán)河兩岸無通車公路，基本無人煙；爛壩村至米易縣白坡鄉(xiāng)共77 km，河段左岸為德昌縣道X095鄉(xiāng)村土路，沿雅礱江兩岸有零星居民點分布；白坡鄉(xiāng)至二灘壩址共35 km河段左岸有縣道德鹽路，沿雅礱江兩岸有零星居民點分布。

從圖3可以看出，官地水電站大壩潰口處流量不同方案下均呈現(xiàn)潰壩時刻流量陡增陡減的規(guī)律。四個方案的潰決洪峰流量介于142 000～188 000 m3／s，其中潰口處洪峰流量方案4最小和方案1最大。此外各潰壩方案下壩址到下游60～80 km的河段內(nèi)潰壩洪峰流量衰減較快，如方案1壩址處洪峰為188 000 m3／s，洪峰傳播至下游棉花村時洪峰衰減為 75 000 m3／s，平均每公里減小約 1 676.6 m3／s；而從河流下段棉花村到二灘壩址之間流量衰減相對減緩，如方案1棉花村處最大流量為75 000 m3／s，洪峰傳播至二灘壩址時流量衰減為28 200 m3／s，平均每公里減小約605.4 m3／s。4個方案中，方案3由于潰口洪峰相對較小，下游二灘水庫運行水位較高，受河道阻礙作用更強，導致沿程洪峰流量衰減最快。由圖4可知，各方案在官地壩址附近河段沿程水位均存在水深驟降現(xiàn)象，對庫岸穩(wěn)定會造成不同程度的影響，60 km以后至二灘壩址河段沿程水位則主要受到二灘壩前運行水位控制；各方案沿程最高水位出現(xiàn)時間逐漸增大，增率接近，其中方案1～方案3沿程最高水位出現(xiàn)時間在3.8～4.7 h之間，方案4最高水位出現(xiàn)時間在9.3 h內(nèi)。

為分析潰壩對下游居民點、水利工程及橋梁的影響，本文分析比較了各方案下，下游金河大橋、棉花村、白坡鄉(xiāng)和二灘壩址的流量過程線。從圖6中可以看出當官地大壩發(fā)生潰決后，各方案金河大橋處洪峰介于90 200～129 000 m3／s之間，其中以方案4最小，方案1最大；峰現(xiàn)時間比官地壩址處晚26～33 min，其中方案3峰現(xiàn)時間最晚，方案2峰現(xiàn)時間最早。洪峰流量從上游至二灘壩址沿程逐漸減小，如各方案潰壩洪峰在白坡鄉(xiāng)洪峰降低到26 500～62 700 m3／s，而到二灘壩址洪峰降低到2 500～28 200 m3／s。

綜上，從官地壩址至二灘壩址沿程各斷面洪峰逐漸衰減，峰現(xiàn)時間逐漸增大，因此距離官地壩址越近的下游沿岸居民受到潰壩洪峰的影響最大。其中，方案1由于潰口處洪峰最大，導致下游沿程洪峰以及最高水位也較大，對下游造成的危害最大；而方案4由于潰口處洪峰最小，沿程洪峰以及最高水位均較小，峰現(xiàn)時間相對較長，對下游造成的危害最小。從工程安全性的角度考慮，建議在編制潰壩應(yīng)急預案時，以方案1作為參考方案，重點分析對下游近壩區(qū)域居民點、白坡鄉(xiāng)的危害，以減小官地水電站大壩潰決帶來的嚴重后果。

4 結(jié) 論

本文以官地水電站大壩及下游河道為例，考慮不同潰決因素、邊界條件、潰口尺寸的組合，采用DAMBRK潰壩模型論證了不同潰壩工況下對下游沿岸居民點及涉河建筑物的影響。結(jié)果表明，因超標準地震、戰(zhàn)爭或恐怖襲擊導致的大壩潰決對下游危害相對最大，在編制水庫大壩潰壩搶險應(yīng)急預案時，建議參考超標地震導致的潰壩方案1進行預案影響分析及應(yīng)急轉(zhuǎn)移路線設(shè)計。

潰壩模擬計算結(jié)果表明，潰決初始水位、入庫流量等邊界條件對潰口洪峰大小有不同程度影響，由于官地水庫庫容較大，潰決初始水位的高低對潰口洪峰大小起到了決定性作用，官地入庫流量對潰口洪峰大小影響微弱。