基于HEC-RAS的水庫潰壩洪水分析

摘" 要：水庫大壩的潰決通常引起巨大的災(zāi)難，特別是在考慮大壩安全應(yīng)急響應(yīng)中，潰壩洪水預(yù)測研究尤為重要。為研究潰壩洪水帶來的影響，以韶關(guān)市仁化縣高坪水庫為例，基于HEC-RAS軟件構(gòu)建了水庫潰壩水動力模型，模擬了水庫遭遇千年一遇校核洪水且溢洪道閘門無法開啟條件下因漫頂發(fā)生潰壩的工況計算，分析了潰壩后下游淹沒水深及淹沒范圍。提出了基于HEC-RAS軟件進行水庫潰壩洪水分析的技術(shù)方案，供技術(shù)人員參考，可運用到水庫防災(zāi)減災(zāi)工作中，快速分析計算水庫的潰壩淹沒范圍。

關(guān)鍵詞：HEC-RAS軟件；潰壩；洪水淹沒范圍

中圖分類號：TP39" 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）23-0149-04

Analysis of Reservoir Dam Break Flood Based on HEC-RAS

—Taking the Gaoping Reservoir in Renhua County as an Example

ZHONG Jianqun， LI Weitian， PENG Haibo

（Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower， Guangzhou" 510635， China）

Abstract： Dam break usually causes huge disaster. Especially in considering dam safety emergency response， dam break flood prediction research is particularly important. In order to research the impact of dam break flood， taking Gaoping Reservoir in Renhua County， Shaoguan City as an example， this paper constructs a hydrodynamic model of reservoir dam break based on HEC-RAS software， simulates the working condition calculation of dam break due to overburden under these conditions that the reservoir encounters the check flood once in a thousand years and the spillway gate could not be opened， and analyzes the downstream submerged depth and submerged area after the dam break. It puts forward technical scheme of reservoir dam break flood analysis based on HEC-RAS software for reference of the technical personnel， which can be applied to the disaster prevention and reduction work of reservoir to quickly analyze and calculate the dam break submerged area of reservoir.

Keywords： HEC-RAS software; dam break; flood submerged area

0" 引" 言

水庫大壩的潰決通常引起巨大的災(zāi)難，特別是在考慮大壩安全應(yīng)急響應(yīng)中，潰壩洪水預(yù)測研究尤為重要。因此潰壩洪水分析與編制潰壩洪水風險圖可為潰壩后洪水演進，影響范圍及人口，財產(chǎn)損失、應(yīng)急轉(zhuǎn)移疏散等提供決策支持。本文以韶關(guān)市仁化縣高坪水庫為例，利用HEC-RAS軟件建模，假定水庫1 000年一遇校核洪水且溢洪道閘門無法開啟情況下，分析潰壩后下游淹沒水深及淹沒范圍，并制作潰壩洪水風險圖。

1" 技術(shù)和方法

1.1" HEC-RAS軟件及模型介紹

HEC-RAS軟件是一個由美國工程水文中心開發(fā)，用于河道水力計算的程序[1]，目前支持一維/二維水動力，一維動床輸沙等模型，具備耦合水工建筑物（壩，堤，堰等）的能力。HEC-RAS軟件免費開放給公共領(lǐng)域，保持穩(wěn)定的開發(fā)進度。HEC-RAS軟件的二維水動力學模型，模型精度高，模型構(gòu)建要求簡單，在水利設(shè)計，潰壩評估，橋梁涉水設(shè)計，泵站調(diào)度等方面具有廣泛的應(yīng)用。

本案例采用HEC-RAS軟件的二維非恒定流計算模塊進行水庫潰壩模擬[2]。HEC-RAS軟件在進行水庫潰決模擬時，需要建立上游庫區(qū)、壩體以及下游淹沒區(qū)的聯(lián)合模型，并輸入水位庫容曲線、大壩潰決參數(shù)以及下游河道邊界條件等。HEC-RAS二維水動力學模型采用淺水方程（即Navier-Stokes方程的二維簡化形式）。

連續(xù)方程：

（1）

動量方程：

（2）

式中，H為水面高程，單位：m；h為水深，單位：m；為流速，單位：m/s；R為水力半徑，單位：m；q為旁側(cè)入流單寬流量，單位：m3/s；g為重力加速度，單位：m/s2；υt為水平方向運動黏度，單位：m2/s；cf為河床底部糙率；f為科里奧利系數(shù)[3]；k為垂直方向單位矢量；n為糙率。

潰口出流假設(shè)為寬頂堰進行計算，計算方程為：

（3）

式中，Q為流量，單位：m3/s；ε為堰流側(cè)收系數(shù)；m為流量系數(shù)；B為寬頂堰寬度，單位：m；s為淹沒系數(shù)；Zi，Zi+1為堰前和堰后水位，單位：m。

1.2" 潰口參數(shù)計算方程介紹

HEC-RAS軟件中水庫大壩是線性結(jié)構(gòu)，潰口預(yù)測模塊可以選擇手動輸入或采取軟件內(nèi)部集成的潰口尺寸回歸方程輸入相關(guān)參數(shù)預(yù)測潰口。在潰壩模擬中針對任何大壩，大壩潰口的位置、大小和潰決時間這三個參數(shù)的計算是非常重要的。通常采用Froehlich（1995a）、Froehlich（2008）、MacDonald and Langridge-Monopolis（1984）、Von Thun and Gillette（1990）和Xu and Zang（2009）經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦M行潰壩模擬[4-10]。

本案例將采用Von Thun and Gillette回歸方程進行潰口參數(shù)計算，該模型基本情況如下。

計算潰口平均寬度的方程：

（4）

其中：Bave為均潰口寬度，單位：m；hw為潰口底部的水深，單位：m；Cb為系數(shù)，是水庫規(guī)模的函數(shù)，如表1所示。

潰口形成時間與潰口底部的水深的函數(shù)關(guān)系：

tf = 0.02hw+0.25（耐腐蝕） （5）

tf = 0.015hw（易腐蝕） （6）

其中：tf為潰口形成時間，單位：h；hw為潰口底部的水深，單位：m。

潰口形成時間與潰口底部的水深和平均潰口寬度的函數(shù)：

（耐腐蝕） （7）

（易腐蝕） （8）

其中：Bave為平均潰口寬度，單位：m。

1.3" 土壩漫頂潰壩原理

歷史上，所有類型的大壩都曾發(fā)生過潰決，但絕大多數(shù)發(fā)生潰決的是土壩。大壩類型通常根據(jù)筑壩材料和建設(shè)形式進行分類：土石壩、混凝土拱壩、混凝土重力壩、心墻壩、支墩（重力壩和拱壩的混合體）、鋼材、木材和復(fù)合材料。

本次研究的高坪水庫為均質(zhì)土壩，一般來說，在土壩的溢流破壞過程中，水頭侵蝕過程首先會從壩堤下游一側(cè)開始。當水越過壩頂時，壩頂就像一個寬頂堰。壩頭將被侵蝕回大壩中心，并隨著時間的推移而變寬。當堰頭開始切向壩頂時，堰頂長度會變短，適當?shù)难吡飨禂?shù)會趨向于一個尖頂堰值。當壩頭切口到達壩頂上游側(cè)時，可能會發(fā)生壩頂?shù)恼w破壞，水力控制段的作用將非常類似于尖頂堰。水頭將繼續(xù)侵蝕上游的堤壩，同時也會侵蝕下游的大壩，同時變寬。在此過程中，實際的堰流系數(shù)開始向?qū)掜斞吡飨禂?shù)回歸。當下切角到達天然河床標高時，決口處于拓寬階段，適宜的堰系數(shù)多在寬頂堰值范圍內(nèi)。

2" 高坪水庫潰壩模擬

本次高坪水庫的潰壩模擬基于HEC-RAS軟件的二維水動力學模型，首先輸入地形數(shù)據(jù)、上游庫區(qū)范圍、設(shè)置壩頂高程、壩長等壩體參數(shù)確認壩體，確認下游計算網(wǎng)格大小、糙率及淹沒區(qū)計算范圍，建立上游庫區(qū)、壩體以及下游淹沒區(qū)的聯(lián)合模型，然后確認模擬工況，采用Von Thun and Gillette回歸方程輸入潰壩時上游水位及入庫流量、水位庫容曲線等相關(guān)參數(shù)預(yù)測潰口的位置、大小及潰決時間，根據(jù)模擬結(jié)果可知潰口處流量過程、典型斷面處的沿程潰壩演進流量、水庫潰壩直接沖擊或淹沒的范圍，淹沒范圍內(nèi)的相關(guān)淹沒指標等，并制作潰壩洪水淹沒圖。下文為具體模擬過程。

2.1" 工程概況

高坪水庫位于仁化縣西北部紅山鎮(zhèn)境內(nèi)，屬于錦江（湞江一級支流）支流塘村水系，塘村河發(fā)源于紅山鎮(zhèn)清水江的黃泥洞，流經(jīng)伍渡到達高坪水庫，再經(jīng)過塘村，在小水口匯入錦江，總流域面積257 km2，河流長度為47.1 km，河床坡降9.34‰，天然落差994 m。高坪水庫壩址以上集雨面積124 km2，河流長度19.44 km，河流坡降為24.31‰，是一宗以供水為主，結(jié)合防洪、灌溉、發(fā)電于一體的綜合性水利工程，總庫容7 286.2萬立方米，是中型水庫，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物工程級別為3級，設(shè)計洪水標準為五十年一遇，校核洪水標準為一千年一遇。高坪水庫是仁化縣工礦企業(yè)用水、生活用水及灌溉用水的供水水源，負責整個仁化縣城和幾個重要國家工礦企業(yè)供水，設(shè)計灌溉面積24.667 km2，多年平均發(fā)電量2 678萬千瓦時，是整個仁化縣工農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)命脈。

2.2" 資料收集與分析

本次收集了高壩水庫的工程特性表、庫容與水位關(guān)系表、千年一遇校核洪水的入庫流量過程、下游計算范圍糙率等數(shù)據(jù)用于潰壩模擬。

工程特性表為保證此次潰壩模擬的時效性，采用最新安全鑒定初步成果的相關(guān)特征參數(shù)如校核洪水位375.92 m（珠基），壩頂高程378 m（珠基），壩頂長度242 m，壩頂寬度12 m等參數(shù)，通過此工程特性表在HEC-RAS軟件構(gòu)建高坪水庫的壩體模型。水位-庫容關(guān)系表中水位376 m（珠基）時7 280萬立方米，水位378 m（珠基）時庫容改為 7 920萬立方米等。根據(jù)《韶關(guān)市仁化縣高坪水庫2021年水庫調(diào)度運用計劃》，確認千年一遇校核洪水的入庫流量過程。糙率數(shù)據(jù)采用2020年Globeland30提供的30 m地表產(chǎn)品土地利用分類數(shù)據(jù)。地形采用2015年廣東省政務(wù)版分辨率5 m的DEM數(shù)據(jù)。

2.3" 設(shè)置模擬工況

本次建模模擬高坪水庫發(fā)生1 000年一遇校核洪水，且溢洪道閘門無法開啟，水庫發(fā)生漫頂導致潰壩的情況。

高坪水庫的上游，采用千年一遇校核洪水的入庫流量作為上游邊界條件。設(shè)置下游計算網(wǎng)格大小為30 m。高坪水庫下游河道為塘村水，在小水口匯入錦江水庫（大型水庫）庫區(qū)，因此下游計算邊界設(shè)在小水口下游錦江水庫庫區(qū)內(nèi)，基本情況如圖1所示。

為模擬最不利情況，在最高水位（即壩頂高程）時疊加最大入庫流量，上游水庫水位初始條件為378米，最大入庫流量取32小時后的入庫流量1 863.51 m3/s作為初始條件輸入。

2.4" 潰口參數(shù)計算

潰壩方式為漫頂，潰壩觸發(fā)條件為水位達到壩頂高程后觸發(fā)，潰決為逐步潰決，潰決情況為全部潰壩，即全壩長（即整個大壩）都潰到壩基的情況。潰口底高程設(shè)置為315 m（考慮模型計算穩(wěn)定性，在壩基高程上加一個5 m值），根據(jù)Von Thun and Gillette方程，hw為起潰水位378.7 m（壩頂高程）與潰口底部高程（壩基高程+5米）315米之差，由tf = 0.02hw+0.25 = 1.52可知潰決形成時間為1.52小時，由Bave = 2.5hw+Cb = 214.15（由表1可知，Cb取54.9）可知潰口平均寬度為214.15 m，按照潰口0.5（H：V）坡度計算，潰口底寬182 m，潰口位置為大壩正中間，堰流系數(shù)采用1.44，潰口剖面圖如圖2所示。

2.5" 模擬結(jié)果

2.5.1" 潰口流量過程

根據(jù)模擬結(jié)果，潰口處流量過程如圖3所示，最大流量48 709 m3/s。

2.5.2" 洪水淹沒圖

根據(jù)模擬結(jié)果，高坪水庫潰壩洪水淹沒圖如圖4所示，主要受影響區(qū)域為董塘鎮(zhèn)塘聯(lián)村，城口鎮(zhèn)厚塘村。

3" 結(jié)" 論

本文基于HEC-RAS軟件的二維水動力學模型，根據(jù)仁化縣高坪水庫的實際情況建立了上游庫區(qū)、壩體以及下游淹沒區(qū)的聯(lián)合模型，并設(shè)置模擬工況，采用Von Thun and Gillette回歸方程進行潰口參數(shù)計算，模擬了高坪水庫遭遇1 000年一遇校核洪水且溢洪道閘門無法開啟情況下，潰壩后的潰口流量過程及下游淹沒水深、淹沒范圍，并制作了高坪水庫潰壩洪水淹沒圖。

文章提出基于HEC-RAS軟件進行水庫潰壩洪水分析的技術(shù)方案，讀者后續(xù)可參考此思路，在洪水防御期間，快速分析計算某水庫的潰壩淹沒范圍，指導現(xiàn)場避險轉(zhuǎn)移工作，減少生命財產(chǎn)損失。

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作者簡介：鐘建群（1996—），女，漢族，廣東梅州人，助理工程師，本科，研究方向：水利信息化。