出山店水庫(kù)潰壩洪水?dāng)?shù)值模擬研究

楊峰 倪玉芳 黃衛(wèi) 劉金鑫

摘要：潰壩洪水嚴(yán)重威脅下游地區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)潰壩洪水的影響范圍至關(guān)重要。針對(duì)出山店水庫(kù)的潰壩洪水，應(yīng)用高精度二維淺水動(dòng)力學(xué)模型模擬洪水在下游河道的演進(jìn)過(guò)程，采用洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)量化洪水的災(zāi)害程度，研究不同潰決情景下潰壩洪水的動(dòng)力學(xué)特性、下游地區(qū)淹沒(méi)范圍和受災(zāi)程度的變化情況。結(jié)果表明：潰壩初始階段淹沒(méi)面積增加主要與流量峰值有關(guān)，最終淹沒(méi)面積大小與潰決后水庫(kù)下泄水量密切相關(guān)。

關(guān)鍵詞：潰壩洪水;數(shù)值模擬;洪水演進(jìn);淹沒(méi)范圍;災(zāi)害指標(biāo);出山店水庫(kù)

中圖分類(lèi)號(hào)：P333.2;TV61

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 1379.2020.01. 006

我國(guó)是世界上建壩最多的國(guó)家，已建、在建30 m以上大壩5 733座。這些大壩在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到了重要作用，但是潰壩洪水災(zāi)害是無(wú)情的，一旦大壩失事，將對(duì)下游地區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境造成毀滅性破壞。盡管潰壩發(fā)生概率極低，但是并非完全不可能（據(jù)統(tǒng)計(jì).1954-2005年全國(guó)共有3 486座水庫(kù)垮壩），尤其在極端氣候變化環(huán)境下，潰壩發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)明顯增加[1]，因此，提高堤壩潰決洪水的預(yù)報(bào)水平，建立洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)和制定合理的潰壩洪水應(yīng)急預(yù)案，增強(qiáng)防御潰壩洪水災(zāi)害的能力十分必要。采用水動(dòng)力學(xué)模型對(duì)水庫(kù)極端洪水一潰壩洪水及其影響區(qū)域開(kāi)展深入系統(tǒng)的研究，可以為制定有效的洪水風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急預(yù)案提供科學(xué)依據(jù)[2]。本文對(duì)出山店水庫(kù)潰壩洪水開(kāi)展系統(tǒng)的二維水動(dòng)力數(shù)值模擬研究，揭示壩址下游河槽逐漸展寬且部分堤防缺失環(huán)境下，不同壩前水位、不同潰壩情景潰壩洪水動(dòng)力學(xué)特性及其影響范圍。

1 工程背景

出山店水庫(kù)是淮河干流上游以防洪為主、綜合利用的大型水利樞紐工程，控制流域面積2 900 km2，多年平均天然徑流量11.13億m3。大壩分為土壩段（長(zhǎng)3 261.00 m）和混凝土壩段（長(zhǎng)429.57 m）。壩址以上屬山區(qū)河流，洪水陡漲陡落。壩址以下兩岸地形逐漸開(kāi)闊，河谷呈U形，河床為中、粗砂覆蓋，有少量礫石和卵石，水淺流緩。

2 二維潰壩洪水動(dòng)力學(xué)模型

2.1 控制方程

數(shù)學(xué)模型的基本控制方程包括水流連續(xù)方程和水

本文模型采用基于無(wú)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的有限體積法離散控制方程，采用HLLC近似黎曼算子[3]計(jì)算界面通量。模型中設(shè)置監(jiān)測(cè)水深hTOL，用于分辨單元（或節(jié)點(diǎn)）干濕情況，即當(dāng)單元（或節(jié)點(diǎn)）水深小于hTOL時(shí)，單元（或節(jié)點(diǎn)）為干，否則為濕;本文取hTOL=1.0x10^-6m。

式（4）中的源項(xiàng)由底坡項(xiàng)和阻力項(xiàng)組成，對(duì)于源項(xiàng)的處理得當(dāng)與否直接影響著模型的穩(wěn)定性和精度。對(duì)于底坡項(xiàng)而言，已經(jīng)有相當(dāng)多的研究成果，本文采用

采用一般的顯式方法處理阻力項(xiàng)，在模擬計(jì)算時(shí)，一旦遇到小水深情況時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)數(shù)值不穩(wěn)定現(xiàn)象，特別是在干濕邊界附近，甚至?xí)?dǎo)致模型崩潰。為了避免這種情況的發(fā)生，本文采用全隱式方法處理阻力項(xiàng)，過(guò)程如下。

動(dòng)量方程式（2）和式（3）涉及阻力坡度，本文采用Manning糙率系數(shù)n來(lái)計(jì)算床面的綜合阻力?？紤]到潰壩洪水會(huì)淹沒(méi)河漫灘，而河漫灘上植被較為豐富，與主河槽存在較大的阻力差異，故將河道糙率劃分為主河槽和河漫灘兩部分，其中主河槽內(nèi)取0.025，河漫灘取0.050。為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算效率，采用多核并行技術(shù)OpenMP對(duì)程序進(jìn)行并行處理。定解條件包括初始條件和邊界條件。初始條件為下游Sa-遇和20 a一遇洪水。上游邊界為壩址處流量過(guò)程，下游邊界為王家壩閘斷面水位一流量關(guān)系。

3 計(jì)算條件

根據(jù)出山店水庫(kù)大壩特征及入庫(kù)洪水特性，最有可能出現(xiàn)的壩體潰決情形是極端入庫(kù)洪水導(dǎo)致土壩部分壩段潰決，從而誘發(fā)極端洪水。

本文考慮100 a一遇洪水水位（90.25 m）和正常蓄水位（88 m）條件下土石壩段發(fā)生潰壩情況。鑒于水庫(kù)下游的堤防標(biāo)準(zhǔn)尚未達(dá)到50 a一遇標(biāo)準(zhǔn)，并且該水庫(kù)防洪目的為“按照流域規(guī)劃，近期出山店水庫(kù)的興建可使淮河干流的防洪標(biāo)準(zhǔn)由現(xiàn)狀不到10 a一遇提高到近20 a一遇”，因此選用壩址下游5a-遇和20 a一遇兩種洪水情況作為初始條件即能滿(mǎn)足本次研究的需求，即在潰壩洪水情形下，分別考慮下游同時(shí)發(fā)生3 850 m3/s和7 620 m3/s兩種流量洪水與其疊加的情況（工況匯總情況見(jiàn)表1）。

根據(jù)相關(guān)研究成果，估計(jì)大壩潰口寬度為533 m。土石壩潰決主要為漸進(jìn)潰決破壞，本研究假設(shè)土石壩潰決為漸進(jìn)潰決，潰口形狀為梯形，邊坡系數(shù)為1.0，潰口底部高程均采用74 m，潰口寬度533 m.潰口發(fā)展歷時(shí)為2h，忽略潰決水位以上大壩結(jié)構(gòu)對(duì)潰口發(fā)展過(guò)程的影響。潰決發(fā)展過(guò)程中，同時(shí)考慮通過(guò)水工建筑物下泄的流量。采用潰口處寬頂堰流公式[5]、來(lái)流和下泄水量平衡方程、水位庫(kù)容曲線(xiàn)聯(lián)合求解，得到壩址處流量過(guò)程線(xiàn)（見(jiàn)圖1）。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 典型斷面洪水過(guò)程

為了詳細(xì)描述潰壩洪水演進(jìn)過(guò)程與特征，且工況2洪水淹沒(méi)范圍最大，因此選取工況2下9個(gè)典型斷面的洪水過(guò)程進(jìn)行分析（見(jiàn)圖2）。

從圖2可以看出，洪水經(jīng)過(guò)0.45 h到達(dá)楊山寺，在2.16 h達(dá)到峰值，峰值流量為35 595 m3/s.到17.48 h流量回落到7 620 m3/s（下游20 a-遇洪水峰值）以下，之后斷面流量過(guò)程主要受入庫(kù)流量影響。洪水經(jīng)過(guò)1.57 h到達(dá)長(zhǎng)臺(tái)關(guān)，在4.1 h達(dá)到峰值，峰值流量為33 593 m3/s.到19.68 h流量回落到7 620 m3/s以下。洪水經(jīng)過(guò)2.36 h到達(dá)薛莊，在5.23 h達(dá)到峰值，峰值流量為25 255 m3/s.到21.4 h流量回落到7 620 m3/s以下。洪水經(jīng)過(guò)4.12 h到達(dá)陡溝，在9.23 h達(dá)到峰值，峰值流量為17 332 m3/s，到25.83 h流量回落到7 620 m3/s以下。洪水經(jīng)過(guò)5.45 h到達(dá)潘店，在12.53h達(dá)到峰值，峰值流量為13 801 1113/S.到32.83 h流量回落到7 620 m3/s以下。洪水經(jīng)過(guò)10.15 h到達(dá)息縣，在25.63 h達(dá)到峰值，峰值流量約為10 170 m3/s.到48.00 h流量回落到7 620 m3/s。洪水經(jīng)過(guò)20.20 h到達(dá)長(zhǎng)陵鄉(xiāng)，在36.78 h達(dá)到洪水峰值為7 756 m3/s。長(zhǎng)陵鄉(xiāng)在40.08 h達(dá)到峰值7 019 II13/S.這表明潰壩洪水在長(zhǎng)陵鄉(xiāng)沒(méi)有形成20 a一遇洪峰，流量峰值主要受入庫(kù)洪水的影響。踅孜集及以下洪水峰值沒(méi)有超過(guò)7 620 m3/s，這表明潰壩洪水在踅孜集及其下游河段沒(méi)有形成20 a一遇洪峰，流量峰值主要受入庫(kù)洪水的影響。從表2和圖3可以看出，峰值水位和峰值流量沿程逐漸衰減，且衰減速率越來(lái)越小。對(duì)比不同斷面洪水到達(dá)時(shí)間和出現(xiàn)峰值時(shí)間差可以看出，越往下游，洪水到達(dá)時(shí)間與出現(xiàn)峰值時(shí)間差值越大（見(jiàn)表2和圖3），符合一般洪水傳播規(guī)律。

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，洪水傳播到長(zhǎng)陵鄉(xiāng)時(shí)，潰壩洪水的洪峰已經(jīng)基本坦化，下游的峰值主要受入庫(kù)洪水的影響。綜上所述，在100 a一遇水位下潰壩洪水與下游20 a一遇洪水疊加工況下，潰壩洪水明顯影響區(qū)域在長(zhǎng)陵鄉(xiāng)及其上游。究其原因，主要是大壩下游為平原地區(qū)，河槽迅速展寬，加上部分區(qū)域堤防缺失，因而潰壩洪水波急劇坦化，從而在其下游長(zhǎng)陵鄉(xiāng)以下河段峰值水位增幅很有限。

選取長(zhǎng)臺(tái)關(guān)、息縣、淮濱的水位過(guò)程進(jìn)行分析。從表2可以看出，長(zhǎng)臺(tái)關(guān)峰值水位為78.14 m，息縣峰值水位為43.92 m（保證水位41 m），淮濱峰值水位為36.67 m（保證水位32.8 m）。息縣和淮濱峰值水位都超過(guò)了保證水位，主要是下游20 a一遇洪水造成水位超過(guò)保證水位。

4.2 洪水淹沒(méi)過(guò)程

將二維水動(dòng)力模擬結(jié)果疊加在衛(wèi)星圖片上進(jìn)行洪水淹沒(méi)過(guò)程分析。圖4為不同時(shí)刻淹沒(méi)水深分布情況。從圖4（a）中可以看出陡溝以上河段淹沒(méi)范圍集中在河道兩側(cè);陡溝到斷面E段淹沒(méi)范圍沿程逐漸擴(kuò)大;潘店到息縣段淹沒(méi)范圍寬度8 - 20 km;息縣以下淹沒(méi)范圍先突然減小，然后沿程逐漸增加到長(zhǎng)陵鄉(xiāng)附近達(dá)到最大，淹沒(méi)范圍寬度約為20 km;長(zhǎng)陵鄉(xiāng)到踅孜集河段河道兩岸淹沒(méi)范圍較小，踅孜集到淮濱的左岸淹沒(méi)范圍較大，淮濱以下兩岸淹沒(méi)范圍皆較大。對(duì)比圖4（a）和圖4（b）可以看出，淹沒(méi)范圍增加段集中在陡溝到潘店段，陡溝以上河段淹沒(méi)面積有所減少，淹沒(méi)水深逐漸減小。對(duì)比圖4（c）和圖4（b）可以看出，息縣以上區(qū)域淹沒(méi)面積顯著減少，踅孜集以下河段淹沒(méi)面積變化不大。

為了更加直接地對(duì)洪水災(zāi)害進(jìn)行評(píng)估，采用英國(guó)環(huán)境署制定的洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)[6]量化洪水災(zāi)害程度。其中：災(zāi)害指標(biāo)HR =h（1.5+√u2+v2），水深單位為m，流速單位為m/s。根據(jù)英國(guó)環(huán)境署的相應(yīng)成果，HR<0.75為警告級(jí)別，0.75≤HR≤1.25為對(duì)老人、小孩和殘疾人有危險(xiǎn)級(jí)別.1.25 2.0為對(duì)所有人群都有危險(xiǎn)級(jí)別。為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，本研究將HR<0.5視為安全，將HR>1.0視為危險(xiǎn)。

圖5為不同時(shí)刻災(zāi)害指標(biāo)分布情況。從圖5（a）可以看出在t=1 h時(shí)，雖然初始洪水會(huì)導(dǎo)致較大范圍被淹沒(méi)，但是HR>1.0的區(qū)域明顯小于被淹沒(méi)區(qū)域，這意味著雖然淹沒(méi)范圍很大，但高風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域要小得多。HR>1.O的區(qū)域主要集中在河道內(nèi)，楊山寺一陡溝的河道兩岸，潘店一息縣河道兩岸，長(zhǎng)陵鄉(xiāng)上游、踅孜集一淮濱左岸，淮濱以下河道兩岸風(fēng)險(xiǎn)都較低。對(duì)比圖5（b）與圖5（a），災(zāi)害指標(biāo)的增加區(qū)域集中在潘店附近，陡溝以上災(zāi)害指標(biāo)減小，但多數(shù)區(qū)域仍處在高風(fēng)險(xiǎn)范圍內(nèi)。對(duì)比圖5（c）與圖5（b），息縣以上災(zāi)害指標(biāo)顯著減小，潘店以上河段高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域顯著減小，災(zāi)害指標(biāo)仍然較大的區(qū)域主要集中在息縣上游附近、長(zhǎng)陵鄉(xiāng)上游附近、踅孜集一淮濱左側(cè)。

4.3 不同工況下典型斷面洪水過(guò)程比較

長(zhǎng)臺(tái)關(guān)是出山店水庫(kù)下游控制站，因此選用其不同工況條件下的洪水過(guò)程進(jìn)行比較。從圖6可以看出，在100 a 一遇洪水位條件下發(fā)生潰決時(shí)洪水峰值流量較大，分別為工況1峰值流量34 223 m3/s和工況2峰值流量33 593 m3/s。在正常蓄水位條件下潰決洪水峰值流量較小，分別為工況3峰值流量21 133 m3/S和工況4峰值流量18 260 m3/s。4種潰決情景下，工況1峰值流量最大。楊山寺不同工況下流量對(duì)比情況與長(zhǎng)臺(tái)關(guān)類(lèi)似（圖7）。需要指出的是，工況3和工況4較為特殊，存在兩個(gè)峰值，分別為潰壩洪水波峰值和水庫(kù)上游100 a一遇來(lái)流洪水波峰值，其中工況3在楊山寺存在兩個(gè)波峰，在長(zhǎng)臺(tái)關(guān)及以下河段，兩個(gè)洪水波遭遇后發(fā)生合并，只存在一個(gè)波峰。

圖8為不同工況下淹沒(méi)面積隨時(shí)間變化情況。從圖8中可以看出下游遭遇5a-遇洪水情況下（工況1和工況3）淹沒(méi)范圍隨時(shí)間都先快速增加然后緩慢增加，到達(dá)峰值后逐漸減小。工況1淹沒(méi)面積比工況3要大，除初始階段外，兩種工況淹沒(méi)面積變化幅度基本一致。其原因是初始階段淹沒(méi)面積增加主要與流量峰值有關(guān)，最終淹沒(méi)面積大小與潰決后水庫(kù)下泄水量密切相關(guān)。工況2由于只有一個(gè)洪峰，因此淹沒(méi)面積也只有一個(gè)峰值。與之對(duì)應(yīng)的是，工況4有兩個(gè)洪峰，淹沒(méi)面積也有兩個(gè)峰值。淹沒(méi)面積大小也與峰值流量正相關(guān)。工況2和工況4下泄洪量基本一致，淹沒(méi)范圍的差異主要由洪水峰值流量造成。下游遭遇20 a一遇洪水情況下（工況2和工況4），由于初始流量較大，因此淹沒(méi)面積大于下游淹沒(méi)5a一遇洪水情況（工況1和工況3）的淹沒(méi)面積。但是由于下游遭遇20 a一遇洪水情況下初始面積已經(jīng)很大，因此淹沒(méi)范圍增加幅度相對(duì)下游5a-遇洪水情況（工況1和工況3）小一些。

5 結(jié)論

（1）出山店水庫(kù)壩址下游以平原為主，且堤防體系建設(shè)不完善，即使?jié)魏樗逯递^小，淹沒(méi)范圍也較大。

（2）通過(guò)對(duì)不同情景潰壩洪水淹沒(méi)范圍變化過(guò)程比較發(fā)現(xiàn)，潰壩初始階段淹沒(méi)面積增加主要與流量峰值有關(guān)，最終淹沒(méi)面積大小與潰決后水庫(kù)下泄水量密切相關(guān)。

（3）潰決洪水主要影響息縣以上河段，而對(duì)長(zhǎng)陵鄉(xiāng)及其下游河段的影響較小。

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（責(zé)任編輯 許立新）

收稿日期：2019- 07 - 25

基金項(xiàng)目：河南省水利科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（GG201803）

作者簡(jiǎn)介：楊峰（1975-），男，甘肅靖遠(yuǎn)人，高級(jí)工程師，主要從事水庫(kù)建設(shè)管理工作