HEC-RAS在二維潰壩模擬中的應(yīng)用
——以紅旗水庫(kù)為例

黃彬彬，葛立明，徐 嫻，王 悅

(1.南昌工程學(xué)院鄱陽(yáng)湖流域水工程安全與資源高效利用國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330099；2.江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局902地質(zhì)大隊(duì)，江西 新余 338000)

據(jù)2017年全國(guó)水利發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)，中國(guó)現(xiàn)有水庫(kù)98 795座，水庫(kù)總庫(kù)容約9 035億m3[1]。大壩在國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施中起著至關(guān)重要的作用，然而受年久失修等多種因素的影響，中國(guó)潰壩事故時(shí)有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1954—2018年，中國(guó)發(fā)生潰壩事故的水庫(kù)有3 541座[2]。水庫(kù)一旦失事，將給人民的生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。

HEC-RAS是美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)水文工程中心開發(fā)的水力計(jì)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(fèi)開放，且計(jì)算精度較高，因此國(guó)外對(duì)于HEC-RAS的應(yīng)用比較廣泛，而國(guó)內(nèi)對(duì)于HEC-RAS在二維潰壩模擬等工程領(lǐng)域方面卻應(yīng)用不多，且國(guó)內(nèi)的相關(guān)參考資料較少[4]。本文采用HEC-RAS對(duì)紅旗水庫(kù)的潰壩進(jìn)行模擬，研究了土石壩的潰決機(jī)理，同時(shí)模擬分析結(jié)果可為大壩失事的早期預(yù)警、人員疏散和抗洪救災(zāi)提供重要信息，為紅旗水庫(kù)制定水庫(kù)大壩防洪減災(zāi)工作規(guī)劃及水庫(kù)大壩安全管理應(yīng)急預(yù)案提供技術(shù)參考。

1 工程概況

紅旗水庫(kù)位于安徽省潛山市源潭鎮(zhèn)境內(nèi)，大沙河支流的魯坦河上，東經(jīng)116.64°，北緯30.83°，屬長(zhǎng)江流域菜籽湖水系。本文研究區(qū)域?yàn)榧t旗水庫(kù)及其下游區(qū)域，包括潛山市源潭鎮(zhèn)，桐城市青草鎮(zhèn)、新渡鎮(zhèn)、雙港鎮(zhèn)、雙新經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，以及懷寧縣馬廟鎮(zhèn)、金拱鎮(zhèn)等行政區(qū)域。研究區(qū)域地理位置見圖1。

圖1 研究區(qū)域地理位置

水庫(kù)控制流域面積64 km2，總庫(kù)容1 385萬m3，興利庫(kù)容1 079萬m3，工程等別為Ⅲ級(jí)，主要永久性水工建筑物級(jí)別為3級(jí)。洪水標(biāo)準(zhǔn)按100年一遇洪水設(shè)計(jì)，2 000年一遇洪水校核。水庫(kù)正常蓄水位96.0 m，設(shè)計(jì)洪水位98.21 m，校核洪水位99.78 m。水庫(kù)大壩相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 水庫(kù)大壩相關(guān)參數(shù) 單位：m

2 模型構(gòu)建

2.1 數(shù)據(jù)來源

紅旗水庫(kù)洪水入庫(kù)流量過程線由紅旗水庫(kù)管理所提供，水庫(kù)P=0.05%校核洪水入庫(kù)流量過程線見圖2，其洪峰流量為2 590 m3/s。庫(kù)容曲線根據(jù)庫(kù)區(qū)地形圖量算得到。地形數(shù)據(jù)來源于NASA，為分辨率9 m×9 m的DEM。利用ArcGIS對(duì)下載的DEM進(jìn)行鑲嵌和裁剪，從而得到研究區(qū)域內(nèi)的DEM。坐標(biāo)系采用CGCS2000 3 Degree GK CM 117E。

圖2 P=0.05%校核洪水入庫(kù)流量過程線

2.2 初始條件和邊界條件

上游水庫(kù)的初始條件為水庫(kù)的起潰水位，壩址以下初始時(shí)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(kù)2 000年一遇的校核洪水入庫(kù)流量過程。下游邊界條件設(shè)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(jìn)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(jìn)模擬計(jì)算中的一個(gè)重要參數(shù)[5]。本文通過RAS Mapper來實(shí)現(xiàn)土地覆蓋中的糙率值賦值于二維網(wǎng)格，根據(jù)不同的土地覆蓋類型，從HEC-RAS二維建模用戶手冊(cè)[6]、澳大利亞降雨和徑流修正項(xiàng)目15：城市和農(nóng)村洪泛區(qū)的二維建模(2012年11月)[7]以及《明渠水力學(xué)》[8]中查詢相應(yīng)的糙率范圍值，并通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查確定相應(yīng)的糙率值，見表2。本文所采用的土地覆蓋數(shù)據(jù)分辨率為30 m×30 m，來源于國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心，見圖3。

圖3 土地覆蓋數(shù)據(jù)

表2 不同土地覆蓋類型下的n值

2.4 計(jì)算工況

紅旗水庫(kù)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(duì)土石壩潰口尺寸預(yù)測(cè)結(jié)果見表3。

通過以上對(duì)紅旗水庫(kù)主壩潰口尺寸的預(yù)測(cè)可以看出，Von Thun&Gillete(1990)方程在土石壩潰口尺寸預(yù)測(cè)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(kù)可能面臨的最危險(xiǎn)工況。由于在所有壩型中土壩的潰壩概率最高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jù)表3對(duì)紅旗水庫(kù)土石壩潰口尺寸預(yù)測(cè)結(jié)果，本文選取Von Thun&Gillete(1990)方程計(jì)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(yù)測(cè)結(jié)果

表4 計(jì)算工況描述

3 計(jì)算結(jié)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(shí)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(nèi)潰口下泄流量都急劇上升并達(dá)到了潰口下泄流量最大值。相較于前2種工況，到達(dá)流量峰值之后工況3的潰口下泄流量變化卻呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)。20 min時(shí)，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(kù)的水量基本在20 min內(nèi)排完。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，雖然3種工況的下泄流量不同，但是水庫(kù)水量排泄完所用時(shí)間基本相同。

圖4 潰口流量過程線

3.2 潰口下游局部流態(tài)

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(tài)，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(tài)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(tài)整體規(guī)律性強(qiáng)，無發(fā)散跡象，局部流速約為2～15 m/s，在合理范圍內(nèi)。此外，對(duì)比圖5a—5c，發(fā)現(xiàn)水庫(kù)初始潰口越大，潰壩1 min后潰口附近淹沒面積越大。對(duì)比圖5a與5b，發(fā)現(xiàn)水庫(kù)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(xì)的展示淹沒水深分布狀況，本文將淹沒水深分為11個(gè)水深等級(jí)，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(jí)下對(duì)應(yīng)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(shí)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(dá)各鎮(zhèn)區(qū)的時(shí)間基本相同。通過表7可以看出，各工況下潰壩洪水在各鎮(zhèn)區(qū)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(tǒng)計(jì)

a)歷時(shí)1 h

表6 各工況下潰壩洪水到達(dá)各鎮(zhèn)區(qū)歷時(shí)統(tǒng)計(jì) 單位：min

表7 各工況下潰壩洪水在各鎮(zhèn)區(qū)的最大淹沒面積統(tǒng)計(jì) 單位：萬m2

潰壩洪水淹沒區(qū)域包括了源潭鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)、青草鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)、新渡鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)、雙港鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)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(jì)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(guó)道、G4212滬渝高速的部分道路段。

3.4 淹沒水深風(fēng)險(xiǎn)圖

據(jù)SL 483—2017《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制導(dǎo)則》[10]中規(guī)定，當(dāng)淹沒水深大于0.5 m時(shí)就是危險(xiǎn)區(qū)域，因此本文淹沒水深風(fēng)險(xiǎn)圖劃分從0.5 m開始，分別取4個(gè)水深等級(jí)，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(jié)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(fēng)險(xiǎn)圖，見圖7。從圖中可以看出，越靠近水庫(kù)，水深等級(jí)越大，風(fēng)險(xiǎn)越大。根據(jù)計(jì)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(fēng)險(xiǎn)圖

3.5 潰壩生命損失評(píng)估

本文采用較為常用的Dekay&Mc Clelland法對(duì)紅旗水庫(kù)潰壩生命損失作初步估算[12]。美國(guó)墾務(wù)局Dekay和Mc Clelland對(duì)大量潰壩歷史記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)與回歸分析后，在1993年提出了包含潰壩洪水嚴(yán)重程度、風(fēng)險(xiǎn)人口、警報(bào)時(shí)間與生命損失的模型。

L(p)=a+blnPAR+cWT+dF+eWT×F

(1)

對(duì)于生命損失嚴(yán)重程度系數(shù)的計(jì)算一般采用如下函數(shù)：

y=a(lgx)b

(2)

生命損失嚴(yán)重程度系數(shù)反映了潰壩造成的生命損失嚴(yán)重程度，系數(shù)越大，則生命損失越嚴(yán)重。根據(jù)模型模擬結(jié)果及分析，本文潰壩洪水嚴(yán)重程度F取0.5，參數(shù)b取0.1。參照國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)[13-14]，本文洪水臨界水深取0.3 m，通過計(jì)算得到工況1、2、3條件下的風(fēng)險(xiǎn)人口分別為48 356、48 432、48 327人。由于3種工況下風(fēng)險(xiǎn)人口差別不大，計(jì)算得到的結(jié)果相同，因此本文以工況1為例進(jìn)行潰壩生命損失評(píng)估。

由表8可知，提前預(yù)警時(shí)間為0時(shí)，即無預(yù)警時(shí)，人員傷亡人數(shù)達(dá)210人，當(dāng)預(yù)警時(shí)間為1 h，人員傷亡人數(shù)明顯降低，此計(jì)算結(jié)果對(duì)美國(guó)墾務(wù)局[15]提出的警報(bào)時(shí)間為60 min時(shí)可以充分減少死亡人數(shù)的理論相互印證，當(dāng)預(yù)警時(shí)間為3.5 h，無人員傷亡。因此警報(bào)時(shí)間越長(zhǎng)，生命損失和生命損失嚴(yán)重程度系數(shù)越低[16]。

表8 工況1條件下紅旗水庫(kù)潰壩生命損失評(píng)估結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文以安徽省潛山市紅旗水庫(kù)為研究對(duì)象，利用HEC-RAS進(jìn)行了水庫(kù)潰壩模擬，繪制了淹沒水深風(fēng)險(xiǎn)圖，探討了紅旗水庫(kù)潰壩生命損失。研究成果可為大壩失事的早期預(yù)警、人員疏散和抗洪救災(zāi)提供重要信息，為紅旗水庫(kù)制定水庫(kù)大壩防洪減災(zāi)工作規(guī)劃及水庫(kù)大壩安全管理應(yīng)急預(yù)案提供技術(shù)支撐。