門樓水庫潰壩洪水淹沒影響分析

鄭言峰，官慶朔，盧 岳，劉國臻

(青島市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 濟(jì)南 250013)

水庫潰壩問題日益突出，已成為我國水庫大壩安全管理的難點(diǎn)和薄弱環(huán)節(jié)[1]。水庫潰壩洪水及其演進(jìn)分析是編制水庫大壩安全管理應(yīng)急預(yù)案的基礎(chǔ)，是水庫大壩發(fā)生突發(fā)性安全事故時(shí)科學(xué)應(yīng)對(duì)，避免或減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的重要非工程措施[2]。本文對(duì)煙臺(tái)市門樓水庫潰壩形式進(jìn)行了分析，計(jì)算了門樓水庫大壩潰口長度、潰壩最大流量、決口處水深及流速等，采用MIKE 21建立了二維水動(dòng)力模型[3-4]，模擬了潰壩洪水下游演進(jìn)過程、最大淹沒水深分布、最大流速分布及淹沒時(shí)間分布，為門樓水庫超標(biāo)洪水防御預(yù)案的制定提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

1 工程概況

門樓水庫坐落于煙臺(tái)市福山區(qū)門樓鎮(zhèn)，位于大沽夾河西支流內(nèi)夾河(又名清洋河)下游，距福山城區(qū)11 km，壩址以上流域面積1 079 km2。門樓水庫于1958年11月動(dòng)工修建，1960年10月底竣工，是一座兼有防洪、城市供水、養(yǎng)殖等綜合利用的大(2)型水庫。工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)為10 000 a一遇，水庫總庫容2.44億m3，興利庫容1.264億m3。

2 潰壩分析

門樓水庫大壩為黏土心墻砂殼壩，壩頂總長1 440 m，壩頂高程37.10 m，最大壩高23.22 m。該壩型潰壩原因主要是洪水漫頂和基礎(chǔ)管涌、滲漏，由于引起潰壩的水流沖擊能力極強(qiáng)，從決口開始時(shí)刻到基本形成穩(wěn)定的潰決斷面時(shí)，整個(gè)時(shí)間過程非常短暫，為安全考慮可按瞬時(shí)潰壩處理。根據(jù)《水力計(jì)算手冊(cè)》(第2版)[5]，確定門樓水庫潰壩形式為大壩瞬時(shí)部分潰場(chǎng)合中的大壩瞬時(shí)橫向局部一潰到底場(chǎng)合，相應(yīng)計(jì)算公式如下。

2.1 潰壩決口長度

采用黃河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院設(shè)計(jì)資料分析得到的計(jì)算公式：

b=k(W1/2B1/2H)1/2。

其中，b為潰壩決口平均寬度，m；k為與壩體土質(zhì)有關(guān)的系數(shù)；W為潰壩時(shí)蓄水量，萬m3；B為潰壩時(shí)壩頂長度，m；H為潰壩時(shí)壩前水深，m。

經(jīng)計(jì)算，潰壩決口平均寬度為230 m。

2.2 潰壩最大流量

按照大壩瞬時(shí)橫向局部一潰到底場(chǎng)合進(jìn)行計(jì)算，采用公式：

其中，B為大壩總長，m；b為潰壩決口平均寬度，m；g為重力加速度，g=9.81 m/s。

經(jīng)計(jì)算，潰壩最大流量為32 739 m3/s。

2.3 決口處水深

決口處水深按照下式進(jìn)行計(jì)算：

2.3 PITC實(shí)施前后主要科室相關(guān)指標(biāo)比較 2016年3家醫(yī)院的皮膚性病科、內(nèi)科、婦產(chǎn)科提供HIV抗體檢測(cè)服務(wù)的比例均高于2012年，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（χ2皮膚性病科=22.34，P皮膚性病科＜0.01，χ2內(nèi)科=37.55，P內(nèi)科＜0.01，χ2婦產(chǎn)科=18.96，P婦產(chǎn)科＜0.01）。皮膚性病科HIV抗體檢測(cè)陽性率較高，2012年和2016年分別為0.97%和0.73%。內(nèi)科、外科、婦產(chǎn)科檢測(cè)陽性率較低，見表2。

式中各參數(shù)同前，經(jīng)計(jì)算，決口處水深18.9 m。

2.4 決口處流速

決口處流速按照下式進(jìn)行計(jì)算：

式中各參數(shù)同前，經(jīng)計(jì)算，決口處流速為7.5 m/s。

2.5 壩址流量過程線

采用四次拋物線概化壩址處潰壩流量過程，如圖1，表1所示。

表1 門樓水庫瞬時(shí)潰壩流量過程

3 淹沒影響分析

3.1 計(jì)算方法

根據(jù)門樓水庫潰壩洪水可能影響區(qū)域的地形特點(diǎn)，選擇水動(dòng)力模型進(jìn)行水庫下游淹沒分析計(jì)算?？紤]到洪水在保護(hù)區(qū)演進(jìn)時(shí)，水面寬度遠(yuǎn)大于水深，流速沿水深方向變化不大，本次采用沿垂向平均的平面二維水流數(shù)學(xué)模型MIKE 21進(jìn)行模擬。采用有限體積法(又稱控制體積法)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，其基本思路是將計(jì)算區(qū)域劃分為一系列不重復(fù)的控制體積，并使每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)周圍有一個(gè)控制體積；將待解的微分方程對(duì)每一個(gè)控制體積積分，便得出一組離散方程，其中的未知數(shù)是網(wǎng)格點(diǎn)上的因變量的數(shù)值。

3.2 模型設(shè)置

1)計(jì)算范圍。根據(jù)水庫下游地形，考慮到潰壩洪水可能的淹沒范圍，本次模型范圍如下：北側(cè)以海岸線為界，南側(cè)以門樓水庫主壩、分水嶺為界，西側(cè)、東側(cè)以100 m等高線、分水嶺為界。南北向長度約18.6 km，東西向?qū)挾燃s12.8 km，模擬區(qū)域總面積243.7 km2(見圖2)。

3)地形插值。在地形圖中提取高程散點(diǎn)286.3萬個(gè)，生成模擬區(qū)域mesh文件(見圖4)。

4)邊界條件。選擇門樓水庫潰壩洪水過程作為上游邊界，選擇外夾河入海口潮水位作為下游邊界。

5)糙率設(shè)置。本次采用分區(qū)糙率，對(duì)計(jì)算區(qū)域內(nèi)的居民地、道路、耕地、河流等地物設(shè)置不同的糙率，以反映保護(hù)區(qū)下墊面對(duì)洪水演進(jìn)的影響(見圖5)。

3.3 淹沒分析

根據(jù)門樓水庫潰壩流量及下游外夾河入海口潮水位邊界條件，模擬計(jì)算下游淹沒影響情況(見圖6)。根據(jù)MIKE 21模擬計(jì)算成果，門樓水庫潰壩下游影響范圍81.7 km2，涉及福山區(qū)、煙臺(tái)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)和芝罘區(qū)，是煙臺(tái)市重要的政治經(jīng)濟(jì)文化中心，同時(shí)也是煙臺(tái)市重要的工礦企業(yè)聚集區(qū)。

當(dāng)門樓水庫發(fā)生潰壩[6]時(shí)，下游淹沒影響范圍包括福山區(qū)的門樓鎮(zhèn)、東廳街道辦事處、清洋街道辦事處、福新街道辦事處、產(chǎn)業(yè)區(qū)，開發(fā)區(qū)的福萊山街道辦事處，芝罘區(qū)的只楚街道辦事處、幸福街道辦事處、鳳凰臺(tái)街道辦事處等，共計(jì)55萬人左右。

根據(jù)門樓水庫潰壩洪水下游演進(jìn)過程可以看出，當(dāng)潰壩發(fā)生3 h時(shí)，洪水基本淹沒了福山區(qū)的主要街道；當(dāng)潰壩發(fā)生6 h時(shí)，洪水淹沒范圍達(dá)到最大；當(dāng)潰壩發(fā)生12 h以后，洪水開始逐漸消退。由圖7可知，潰壩后，下游河道內(nèi)最大淹沒水深達(dá)到6.0 m以上；自門樓水庫大壩至福山汽車站之間的內(nèi)夾河兩岸最大淹沒水深大多在4.0 m～6.0 m之間；福山汽車站至入海口之間的城區(qū)段最大淹沒水深大多在1.0 m～2.5 m之間，部分低洼地帶水深達(dá)到4.0 m～5.0 m。內(nèi)夾河河道內(nèi)最大流速達(dá)到3.0 m/s以上；受房屋等建筑物阻擋，福山汽車站至入?？谥g的城區(qū)段最大流速大多在0.5 m～1.0 m之間。潰壩后，福山區(qū)大約有1/3的地區(qū)淹沒時(shí)間在2.5 d以上，主要分布在福海路、冰輪路、海鷹大廈、福星大廈等區(qū)域；其他區(qū)域淹沒時(shí)間在0.5 d～1.0 d左右。

4 結(jié)語

本文對(duì)煙臺(tái)市福山區(qū)門樓水庫潰壩洪水進(jìn)行了分析，并采用MIKE 21建立了二維水動(dòng)力模型，模擬了潰壩洪水淹沒情況。根據(jù)模擬結(jié)果，分析了潰壩洪水的淹沒范圍、洪水消退時(shí)間、最大淹沒水深、最大流速及淹沒時(shí)間。

隨著超標(biāo)洪水發(fā)生概率的增加，水庫超標(biāo)洪水防洪預(yù)案的指導(dǎo)意義愈加凸顯。本文通過對(duì)門樓水庫潰壩洪水的分析，不僅能提高大壩應(yīng)急管理水平，也可以為下游河道及城區(qū)洪水防御重點(diǎn)提供參考，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。