基于HEC-RAS的瀝青混凝土心墻壩潰壩洪水過(guò)程模擬分析

白明龍，張永紅，李正原，盧 斌，謝興華

(1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；2.中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024)

0 引言

水庫(kù)大壩作為水利工程攔洪蓄水的主要建筑物，對(duì)其潰壩風(fēng)險(xiǎn)研究至關(guān)重要。了解大壩潰壩的可能性和影響，可制定科學(xué)的防災(zāi)預(yù)案，提高公共安全，減小潛在危險(xiǎn)；評(píng)估潰壩對(duì)水庫(kù)下游沿岸地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的影響，為政策制定和發(fā)展規(guī)劃提供依據(jù)。同時(shí)，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)工程問(wèn)題，提出改進(jìn)建議可以促進(jìn)未來(lái)水利工程的安全可靠建設(shè)。潰壩風(fēng)險(xiǎn)研究是確保水利工程安全的必要步驟。目前針對(duì)均質(zhì)土石壩[1-2]、粘土心墻壩[3]、面板壩[4-6]以及重力壩[7-8]等壩型的潰口研究相對(duì)較多，而瀝青混凝土心墻壩作為一種剛發(fā)展不久的新壩型[9]，研究相對(duì)有限。本文以某水電站的瀝青混凝土心墻壩為研究對(duì)象，考慮心墻對(duì)于潰口發(fā)展的影響，采用HEC-RAS軟件模擬水庫(kù)潰壩洪水，計(jì)算大壩潰決后的潰口流量和壩前水位，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，確定各參數(shù)對(duì)于潰口流量的影響規(guī)律，為該水庫(kù)下游沿岸地區(qū)的潰壩洪水預(yù)警提供參考依據(jù)。

1 瀝青心墻壩的潰決過(guò)程分析

瀝青混凝土心墻壩的心墻具有良好的防滲性能、變形適應(yīng)能力和裂縫自愈能力。相對(duì)于一般土石壩的區(qū)別主要在于心墻采用了瀝青混凝土材料，瀝青混凝土相對(duì)于一般的防滲材料如粘土、瀝青、土工膜等具有更高的強(qiáng)度。王廷等人[10]的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，水庫(kù)水位超過(guò)壩頂后，下游壩殼遭漫頂水流沖刷，形成初期小沖溝逐漸演變?yōu)榇鬁羡?，包含階梯狀“陡坎”。溝壑不斷向上游擴(kuò)展，最終達(dá)壩頂。下游壩殼高程降低，瀝青混凝土心墻斷裂，但上游壩殼未崩塌，繼續(xù)擋水。潰壩水流循環(huán)侵蝕上游壩殼，呈逐漸發(fā)展的局部潰壩。通過(guò)觀察潰壩過(guò)程，在瀝青混凝土心墻壩的潰決過(guò)程中，形成的潰口呈現(xiàn)臺(tái)階型，參照面板壩潰決流量計(jì)算方法[6]，認(rèn)為瀝青混凝土堆石壩的潰壩下泄水流類(lèi)型為堰流。

以1979年7月27日1時(shí)黨河水庫(kù)副壩潰壩為例，由于暴雨導(dǎo)致的庫(kù)水位上升，黨河水庫(kù)副壩的混凝土面板堆石壩發(fā)生潰決，由于瀝青心墻頂有一段4～5m寬的缺口，在漫壩水流沖刷作用下很快形成初期決口。1時(shí)52分至2時(shí)，決口不斷擴(kuò)大，副壩潰決。副壩自壩頂沖刷深達(dá)25m，潰口上口寬96m、下口寬20m。估算瞬時(shí)最大潰壩流量2500m3/s。黨河水庫(kù)的潰壩案例也說(shuō)明了瀝青混凝土心墻壩的潰壩過(guò)程為逐漸發(fā)展的局部潰壩。

2 工程概況

以我國(guó)西南部某大(Ⅱ)型水電站主壩為例，模擬其瀝青混凝土心墻壩的潰決。該電站位于四川省大渡河干流上，為大渡河上一梯級(jí)電站。該電站以發(fā)電為主，無(wú)航運(yùn)、防洪、灌溉、供水等任務(wù)，發(fā)電流量1115.2m3/s。汛期運(yùn)行水位2075.00m，設(shè)計(jì)洪水位2077.44m，正常蓄水位2078.00m，校核洪水位2080.30m。其主壩為瀝青混凝土心墻壩，壩高97m，壩頂高程2083.00m，壩頂長(zhǎng)379m，壩頂寬10m，上游壩坡1∶1.8，下游壩坡1∶1.7。

2.1 計(jì)算原理

本文采用HEC-RAS一維非恒定流模塊進(jìn)行潰壩模擬。HEC-RAS是由美國(guó)軍事工程中心研發(fā)的水文水資源工程軟件，主要用于河流流域的水文和水力分析，包括水流模擬、河道幾何評(píng)估、泥沙輸移等。一維非恒定流模塊的控制方程基于一維水動(dòng)力學(xué)原理，描述了水流在河道中的時(shí)變特性。該模塊采用了以下基本方程：

(1)連續(xù)性方程

一維連續(xù)性方程表達(dá)了單位寬度河道中水體的質(zhì)量守恒。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(1)

式中，A—河道橫截面的面積；V—流速；x—空間坐標(biāo)；Qin、Qout—流入、流出的流量。

(2)動(dòng)量方程

一維動(dòng)量方程描述了水流動(dòng)態(tài)行為。在HEC-RAS中，通常使用橫向積分形式的動(dòng)量方程，表示為：

(2)

式中，g—重力加速度；h—水位；f—摩擦系數(shù)。

通過(guò)對(duì)這些方程的求解，軟件能夠模擬河道中水位和流速隨時(shí)間和空間的變化，從而更全面地了解水流的動(dòng)態(tài)特性。

2.2 模型設(shè)置

本次采用HEC-RAS 6.0軟件進(jìn)行混凝土心墻壩的潰壩模擬，研究心墻壩潰壩發(fā)生以后大壩潰口流量過(guò)程和庫(kù)水位過(guò)程，具體的技術(shù)路線如圖1所示：

圖1 本次潰壩模擬采用的計(jì)算流程

模擬流程主要包括以下幾個(gè)步驟：①建立地形文件，收集并整理地形資料，包括河道中心線、河道橫斷面等參數(shù)，并將其輸入地形文件；②將大壩壩體結(jié)構(gòu)參數(shù)、泄水建筑物泄流能力參數(shù)和潰壩控制參數(shù)輸入相對(duì)應(yīng)的Inline Structure模型；③輸入邊界條件，包括流量、水位等信息，以建立一維非恒定流文件，為模擬提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；④最后進(jìn)行計(jì)算，使用模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，模擬大壩潰決的過(guò)程。計(jì)算過(guò)程中考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)、泄流能力、潰壩控制等因素，以獲得潰壩時(shí)的水流動(dòng)態(tài)。

(1)地形模型設(shè)置

該水庫(kù)為山區(qū)峽谷型水庫(kù)，庫(kù)區(qū)狹長(zhǎng)，本次水庫(kù)模擬采用輸入庫(kù)區(qū)深泓線及其橫斷面的方式來(lái)對(duì)庫(kù)區(qū)進(jìn)行建模，并在庫(kù)區(qū)下游建立攔河壩、河道，以建立整個(gè)研究區(qū)域的地形模型。對(duì)于水庫(kù)庫(kù)區(qū)，采用HEC-RAS中的Crossing Section模塊，通過(guò)沿河道方向的幾十個(gè)實(shí)測(cè)橫斷面來(lái)描述整個(gè)水庫(kù)的地形情況，得到該庫(kù)區(qū)的部分模型，如圖2所示。對(duì)于瀝青混凝土心墻壩采用Inline Structure模塊進(jìn)行描述，其縱剖面如圖3所示。這一模擬過(guò)程允許我們更全面地理解水庫(kù)的地形特征，并考慮瀝青混凝土心墻壩的具體結(jié)構(gòu)，從而更準(zhǔn)確地模擬水庫(kù)的運(yùn)行和可能的潰決情況。

圖2 地形模型的建立(部分)

圖3 瀝青混凝土心墻壩縱剖面

(2)潰壩相關(guān)參數(shù)的設(shè)置

在HEC-RAS軟件中，通過(guò)Inline Structure模塊中的Dam Breach來(lái)實(shí)現(xiàn)潰壩模擬。與潰壩相關(guān)的參數(shù)包括潰壩歷時(shí)、潰口寬度、潰口底高程、潰口坡度、潰口發(fā)展過(guò)程、潰壩原因等。

潰壩歷時(shí)的確定：考慮到大壩的型式、壩高、筑壩材料、施工質(zhì)量及潰決形式的不同，可能從幾分鐘到數(shù)小時(shí)不等。表1中列出了一些工程實(shí)際和設(shè)計(jì)潰決歷時(shí)的收集數(shù)據(jù)。根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，土石壩一般是漸潰，歷時(shí)稍長(zhǎng)。例如青海省溝后水庫(kù)混凝土面板壩[11]及類(lèi)似的巴塘、瀑布溝水電站潰壩洪水分析計(jì)算報(bào)告中，設(shè)計(jì)潰決歷時(shí)分別為2.0、2.0、3.0h。本工程為大渡河上的一等工程，從不利工況考慮，并參考梅世昂[12]等人的研究成果，本次擬定本水電站最短潰壩歷時(shí)為1.57h。同時(shí)，為了分析潰壩洪水洪峰流量及其向下游的演進(jìn)過(guò)程對(duì)潰決歷時(shí)的敏感性，擬定了潰決歷時(shí)為3.00h工況。即在計(jì)算過(guò)程中選取1.57h和3.00h兩個(gè)潰決歷時(shí)。

表1 部分工程實(shí)際和設(shè)計(jì)潰決歷時(shí)統(tǒng)計(jì)表

潰口形態(tài)的確定：潰口形態(tài)描敘主要由3個(gè)參數(shù)確定，潰口最終底寬b、潰口底部高程hbm和潰口邊坡坡比m。潰口形態(tài)示意圖如圖4所示。由于實(shí)際失事機(jī)制的不確定性以及計(jì)算參數(shù)不易確定等困難，通過(guò)模擬潰口細(xì)部沖刷、坍塌和擴(kuò)展過(guò)程的精確模型還達(dá)不到實(shí)用要求。鑒于以上困難，目前采用的簡(jiǎn)化和廣泛適用的方法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和其它失事大壩的數(shù)據(jù)給定潰口開(kāi)始到最后潰口的尺寸與形狀。根據(jù)大壩的整體結(jié)構(gòu)、壩址周邊的地質(zhì)條件以及參考類(lèi)似工程(溝后水庫(kù)、黨河水庫(kù))的實(shí)際潰壩參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)方法，給定了潰口開(kāi)始到最后潰口的尺寸與形狀。本工程選取的潰口底寬為20m、潰口底高程2025m、潰口坡比為1.4。

圖4 潰口形態(tài)及發(fā)展過(guò)程示意圖

潰口發(fā)展過(guò)程的確定：基于瀝青混凝土心墻壩的潰壩機(jī)理，并結(jié)合大壩本身的結(jié)構(gòu)特性，取大壩發(fā)生潰壩時(shí)潰口的發(fā)展過(guò)程如圖5所示。

圖5 漸潰潰口分段發(fā)展曲線

潰壩原因分析：主要包括地震、漫頂、管涌等各種原因?qū)е聣误w結(jié)構(gòu)的破壞。大壩按1級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，采用防洪標(biāo)準(zhǔn)較高；抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)滿(mǎn)足規(guī)范要求，動(dòng)力計(jì)算結(jié)果表明大壩由于地震導(dǎo)致壩體發(fā)生動(dòng)力破壞的可能性極小。因此，本文僅考慮大壩由于漫頂和管涌導(dǎo)致的潰壩情況。

(3)非恒定流模型設(shè)置

本文采用一維非恒定流模型對(duì)瀝青混凝土堆石壩潰壩洪水進(jìn)行分析計(jì)算，具體設(shè)置如下：模型上游邊界選取為上游的入庫(kù)洪水資料，所選取的洪水過(guò)程線如圖6所示。下游邊界條件選取為給定最下游橫斷面水位流量關(guān)系曲線如圖7所示。采用恒定流計(jì)算各橫斷面初始水位作為非恒定流計(jì)算的初始條件。此外，對(duì)模型精度影響較大的參數(shù)主要是河段糙率，本次采用已有成果取河段綜合糙率為0.040～0.060。

圖6 各重現(xiàn)期下的洪水流量過(guò)程線

圖7 壩址位置的水位流量過(guò)程線

2.3 計(jì)算工況及參數(shù)

考慮大壩在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中遇到的運(yùn)行工況，擬定該水電站10種潰決計(jì)算方案，其中正常運(yùn)用情景6種(情景1—6)，非常運(yùn)用情景4種(情景7—10)。

正常應(yīng)用情景：汛期限制水位(2075.00m)不同流量條件下發(fā)生管涌破壞(情景1—3)、正常蓄水位(2078.00m)發(fā)電流量條件下發(fā)生管涌破壞(情景4)、設(shè)計(jì)洪水位(2077.44m)遭遇千年一遇設(shè)計(jì)洪水條件下發(fā)生管涌破壞(情景5—6)。

非常應(yīng)用情景：設(shè)計(jì)洪水位(2077.44m)遭遇萬(wàn)年一遇校核洪水條件下發(fā)生管涌破壞(情景7)、校核洪水位(2080.30m)遭遇萬(wàn)年一遇校核洪水條件下發(fā)生管涌破壞(情景8—9)、校核洪水位(2080.30m)遭遇5萬(wàn)年一遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水條件下發(fā)生漫頂破壞(情景10)。

不同潰壩洪水計(jì)算方案及參數(shù)見(jiàn)表2。這些情景涵蓋了大壩在不同水位和流量條件下可能面臨的各種破壞情況，從而全面評(píng)估潰壩對(duì)周邊地區(qū)的影響。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 各情景計(jì)算結(jié)果

根據(jù)一維非恒定流計(jì)算得到情景1—10的潰壩計(jì)算結(jié)果如圖8—17所示。分別將情景1—9的潰口流量過(guò)程線和壩前水位過(guò)程線匯總繪制，如圖18—19所示。

圖8 情景1對(duì)應(yīng)的潰口處水位流量過(guò)程線

圖9 情景2對(duì)應(yīng)的潰口處水位流量過(guò)程線

圖10 情景3對(duì)應(yīng)的潰口處水位流量過(guò)程線

圖11 情景4對(duì)應(yīng)的潰口處水位流量過(guò)程線

圖12 情景5對(duì)應(yīng)的潰口處水位流量過(guò)程線

圖13 情景6對(duì)應(yīng)的潰口處水位流量過(guò)程線

圖14 情景7對(duì)應(yīng)的潰口處水位流量過(guò)程線

圖15 情景8對(duì)應(yīng)的潰口處水位流量過(guò)程線

圖16 情景9對(duì)應(yīng)的潰口處水位流量過(guò)程線

圖17 情景10對(duì)應(yīng)的潰口處水位流量過(guò)程線

圖18 情景1—9對(duì)應(yīng)的潰口流量過(guò)程的比較

圖19 情景1—9對(duì)應(yīng)的水位過(guò)程的比較

對(duì)于發(fā)生管涌破壞對(duì)應(yīng)的情景，從圖18—19可以見(jiàn)，當(dāng)潰壩發(fā)生后，潰口流量會(huì)先隨著潰口的發(fā)展呈階梯狀增大達(dá)到最大值以后再緩慢減小。壩前水位隨著潰壩過(guò)程的發(fā)生出現(xiàn)先平緩下降，再急劇下降，最后平緩下降。這一結(jié)果的產(chǎn)生是由于瀝青混凝土心墻壩潰壩過(guò)程是逐漸發(fā)展的，初始階段潰口面積小，其壩前水位與潰口底高程的差值小，潰口處的流速較慢，水庫(kù)水位下降速度較慢。然后隨著潰壩過(guò)程的發(fā)生，潰口由于洪水的沖刷不斷下切，壩前水位與潰口底高程的差值不斷增大，潰口處的流量不斷增大，水庫(kù)水位下降速度加快。最后由于大壩自身結(jié)構(gòu)的原因，潰口基本不再下切，壩前水位與潰口底高程的差值隨著庫(kù)水位的下降不斷減小，潰口處流量緩慢下降，從而水庫(kù)水位的下降速率減小。

對(duì)于發(fā)生漫頂破壞對(duì)應(yīng)的情景，從圖17可知，當(dāng)高標(biāo)準(zhǔn)洪水來(lái)臨時(shí)，壩前水位先降落后上升，潰口流量在沒(méi)有潰壩時(shí)為0m3/s，當(dāng)庫(kù)水位高于壩頂高程(2083m)以后發(fā)生潰壩，之后馬上達(dá)到洪峰流量22836.98m3/s。之后壩前水位和潰口流量過(guò)程類(lèi)似于管涌破壞的情況。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因是，當(dāng)超標(biāo)準(zhǔn)洪水來(lái)臨時(shí)利用泄水建筑物排水，入庫(kù)流量小于泄水建筑物的排水能力，庫(kù)水位下降。隨著洪峰的到來(lái)，入庫(kù)流量大于泄水建筑物的排水能力，庫(kù)水位上升。當(dāng)庫(kù)水位高于壩頂高程時(shí)發(fā)生了潰壩。

不同工況、不同計(jì)算情景下的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。由計(jì)算結(jié)果得出，在正常應(yīng)用情景下發(fā)生管涌破壞時(shí)最大洪峰流量為30683.69m3/s(情景5)，最小洪峰流量為25850.10m3/s(情景6)。非正常應(yīng)用情景下發(fā)生管涌破壞時(shí)最大洪峰流量為31385.10m3/s(情景8)，最小洪峰流量為22102.67m3/s(情景9)。非正常應(yīng)用情景下發(fā)生漫頂破壞時(shí)的最大洪峰流量為22836.98m3/s(情景10)。

表3 潰壩洪水計(jì)算結(jié)果表

3.2 計(jì)算結(jié)果的討論

通過(guò)對(duì)3.1節(jié)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：

(1)初始運(yùn)行水位的影響：初始運(yùn)行水位越高，其潰口洪峰流量越大。比較情景7(初始水位2077.44m)和情景8(2080.30m)，情景8的洪峰流量(31385.10m3/s)大于情景7的洪峰流量(28575.24m3/s)。

(2)洪峰流量的重現(xiàn)期影響：洪峰流量的重現(xiàn)期越長(zhǎng)，潰口洪峰流量越大。比較情景1(5年一遇)、情景2(20年一遇)、情景3(30年一遇)，三者隨著洪水重現(xiàn)期的增長(zhǎng)，洪峰流量依次增加。對(duì)比情景5(千年一遇)和情景7(萬(wàn)年一遇)，兩者也符合這一規(guī)律。

(3)潰壩歷時(shí)影響：潰壩歷時(shí)對(duì)洪峰流量具有較大影響。在正常應(yīng)用工況下，比較情景5(潰壩歷時(shí)1.57h)和情景6(潰壩歷時(shí)3h)，情景5的洪峰流量(30683.69m3/s)大于情景6的洪峰流量(25850.10m3/s)。在非常應(yīng)用工況下，比較情景8(潰壩歷時(shí)1.57h)和情景9(潰壩歷時(shí)3h)，情景8的洪峰流量(31385.10m3/s)大于情景9的洪峰流量(22102.67m3/s)。結(jié)果表明，其他條件相同時(shí)，潰壩歷時(shí)更短對(duì)應(yīng)的洪峰流量越大。

(4)泄水建筑的泄流方式影響：泄水建筑的泄流方式對(duì)潰口流量也有很大影響。比較情景6和情景9，兩者的工況條件除了情景6的初始水位和洪水重現(xiàn)期較短以外相同。然而，情景6的洪峰流量(25850.10m3/s)卻遠(yuǎn)大于情景9的洪峰流量(22102.67m3/s)。這表明泄水建筑物不同的泄水方式對(duì)潰壩流量有較大影響。

4 結(jié)論

本文采用HEC-RAS模擬了某水電站在超標(biāo)準(zhǔn)洪水、管涌等因素條件下潰壩潰口發(fā)展過(guò)程，重點(diǎn)關(guān)注瀝青混凝土心墻結(jié)構(gòu)對(duì)潰口發(fā)展的影響。通過(guò)采用HEC-RAS軟件進(jìn)行水庫(kù)潰壩洪水模擬，計(jì)算大壩潰決后的潰口流量和壩前水位，并采用單一變量對(duì)照法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。以下是主要發(fā)現(xiàn)和結(jié)論：

(1)潰壩過(guò)程特點(diǎn)

瀝青混凝土心墻壩漫頂和管涌潰壩過(guò)程以漸進(jìn)式潰決為主。潰口流量在潰壩發(fā)生后呈階梯狀增大，達(dá)到最大值后緩慢減小。壩前水位在潰壩過(guò)程中先平緩下降，然后急劇下降，最終平緩下降。

(2)洪峰流量及影響因素

不同情景下，管涌破壞時(shí)最大洪峰流量在正常應(yīng)用情景為30683.69m3/s(情景5)，最小為25850.10m3/s(情景6)。在非正常應(yīng)用情景下，最大洪峰流量為31385.10m3/s(情景8)，最小為22102.67m3/s(情景9)。漫頂破壞時(shí)的最大洪峰流量為22836.98m3/s(情景10)。

計(jì)算結(jié)果表明：初始運(yùn)行水位越高，潰口洪峰流量越大。洪峰流量的重現(xiàn)期越長(zhǎng)，潰口洪峰流量越大。潰壩歷時(shí)對(duì)洪峰流量具有顯著影響，較短的潰壩歷時(shí)對(duì)應(yīng)較大的洪峰流量。泄水建筑的泄流方式對(duì)潰口流量有顯著影響，不同的泄水方式導(dǎo)致不同的洪峰流量。

這些發(fā)現(xiàn)為該水庫(kù)下游沿岸地區(qū)的潰壩洪水預(yù)警系統(tǒng)提供了科學(xué)的參考依據(jù)，有助于制定更有效的防災(zāi)措施和應(yīng)急預(yù)案。