基于MIKE11 閘壩式電站潰壩洪水數值模擬

劉 娜，杜志水，王 盼

（西北勘測設計研究院，陜西 西安 710065）

0 引言

S 水電站工程為河床式電站，大壩為混凝土重力閘壩結構，工程屬二等大（2）型；樞紐布置從左至右依次為安裝間（2 孔表孔）、電站廠房壩段（6 孔溢流表孔）、4 孔泄洪閘、垂直升船機壩段（泄洪閘）和右副壩（1 孔表孔）等建筑物。主要建筑物按百年一遇洪水設計，相應洪水流量30000 m3/s，千年一遇洪水校核，相應洪水流量38100m3/s。電站壩址處多年平均流量732m3/s，正常蓄水位217.30m，相應庫容1.76 億m3，裝機容量270 MW。電站可能因遭遇超標準洪水、強烈地震、地質災害等情況，存在潰壩的可能，一旦發生潰決，將對下游電站、集鎮等重要設施及沿江兩岸居民點的安全產生影響。因此，在電站運行當中，需對電站潰壩洪水進行分析計算，并就潰壩洪水對下游重要設施及居民點的影響進行分析評估。

1 潰決模型

大壩建設通常情況下是能夠而且是必須確保安全。但是，由于某些偶然因素或特殊原因，例如遭遇超標準洪水、強烈地震、地質災害、戰爭或恐怖事件、設計與施工質量及運行管理不當等，引起水庫潰壩。大壩發生潰決時，庫區水量將傾瀉而出，造成下游水位陡漲陡落，形成非恒定流，包括壩址上下游河道的水流波動稱為潰壩波[1]，它是一種斷波，會帶來極強破壞性和極大危險性，將給下游淹沒地區居民生命安全和財產安全產生巨大損害，造成的損失難以估計。因此，自19 世紀70 年代開始研究潰壩洪水理論，該理論屬于洪水水力學的范疇，但潰壩洪水波往往發生于大壩和地方的突然潰決時段，其流量、水位在極端時間內急劇變化，波形在傳播過程中發生間斷，流態急劇變化[2]，其分析計算需要采取特殊的方法作特殊處理。

在20 世紀中后期，潰壩模型研究取得了很大的進展，產生了如美國的DAMBRK、荷蘭的MIKE 系列、丹麥的DHI 等一系列能進行潰壩洪水計算的模型，同時在我國也于20 世紀70 年代[3]開始了系統研究潰壩數值模型。

本文采用MIKE11 水動力學潰壩模塊對研究區域進行電站潰決過程數值模擬計算，為下游人口密集地區人員的撤離和制定應急處理措施提供科學依據。

MIKE11 軟件[4]由一維水動力HD、潰壩DB、維對流擴散AD 等模塊組成，其中水動力模塊（HD）是核心和必備模塊，該模塊采用Abbott-Ionescu 六點隱式格式求解一維非恒定流Saint-Venant（圣維南）方程組[5～6]，具有穩定性好、計算精度高的特點，在處理大坡降河流水動力模擬問題時具有同類軟件中最出色的穩定性。水動力模塊是基于垂向積分的物質和動量守恒方程，即一維非恒定流圣維南方程組來模擬河流或河口的水流狀態。1871 年，St.venant 首先提出了描述具有自由表面的淺水體漸變非恒定水流運行規律的圣維南方程組：

連續性方程：

運動方程：

式中：x 為流程；Q 為流量；Z 為水位；g 為重力加速度；B 為河寬；t 為時間；q1為側向單位長度注入流量；A 為過水斷面面積；R 為斷面水力半徑；β 為動能修正系數；n 為糙率系數。

對于潰壩計算，MIKE11 提供了兩種數值計算方法，分別是基于能量方程和美國氣象局DAMBRK 方程的潰壩數值分析模型。MIKE11 DB 模型是基于能量的算法，是一種基于物理機制的模擬方法。其中《DAMBRK》潰壩模型[7]在國際上比較通用，我國于20 世紀80 年代中期也引進了該模型，應用也比較廣泛，曾用國內板橋水庫的潰壩實例[8]進行過驗證，表明它的結構性能較好，適應性強。

2 潰壩洪水案例計算及分析

2.1 計算方案

根據電站入庫流量過程、樞紐布置、結合上、下游電站運行方式以及潰壩成因等因素，參考相關資料統計：土石壩一般是漸潰，歷時稍長，一般為0.5 h～2.0 h；拱壩和重力壩一般為瞬間潰決，潰壩時間很短，本次計算假定潰決時間為30 s。擬定潰壩計算方案，見表1。

表1 潰壩水電站擬定不同潰壩計算方案表

2.2 計算條件

采用已有相關技術成果和水文站實測資料，結合模型計算范圍內地形、地貌和地物調查結果，初選糙率參數，再利用選用的率定年份洪水過程模擬，率定河道糙率為0.040～0.050，少數河段糙率達到0.060。

上邊界條件為入庫流量過程，下邊界條件為給定最下游橫斷面水位流量關系曲線。

2.3 計算結果及分析

根據擬定的方案，采用MIKE11 DB 模塊潰壩計算，不同潰壩方案在潰壩壩下、A 鎮代表斷面、B 鎮代表斷面、下游電站壩下和A 水文站斷面處的最大洪峰流量及最高水位見表2、圖1，潰壩方案3 各代表斷面潰壩水位、洪水過程線見圖2。

計算結果表明：方案1、方案2 相應壩址處潰壩最大洪峰流量分別為13649 m3/s、29960 m3/s，洪水演進到A 鎮、B 鎮、下游電站壩下和A水文站斷面洪峰流量732 m3/s～17709 m3/s，最高洪水位分別為203.81 m、2202.74 m、176.10 m、171.42 m；考慮潰壩發生突然，下游電站未采取預泄措施，一直按732 m3/s 下泄流量，而潰壩洪水相對較大，故下游庫區水位不斷抬高，下游電站壩前水位持續抬高，但未超過下游電站壩頂高程，下游電站下泄流量始終維持在732 m3/s，下游壩址下游水位各斷面水位無變化。方案3、方案4 相應壩址處潰壩最大洪峰流量分別為40485 m3/s、42462 m3/s，兩個方案潰壩洪最大峰流量相差較小，分別較千年一遇洪水洪峰流量38100 m3/s 增大2385 m3/s 和4362 m3/s，洪水演進到A鎮、B鎮、下游電站壩下和A水文站斷面洪峰流量39916 m3/s～42064 m3/s，最高洪水位分別為221.99 m、210.48 m、203.43 m、199.14 m。

表2 潰壩后特征斷面最大洪峰流量和最高洪水位成果表

圖1 潰壩最高水位、洪峰流量沿程變化圖

圖2 潰壩方案6 各代表斷面潰壩水位、洪水過程線

3 結語

（1）潰壩水電站為低水頭河床式電站，壩型為混凝土重力閘壩，100 年一遇洪水設計（相應洪峰流量30000 m3/s），1000 年一遇洪水校核（相應洪峰流量為38100 m3/s）。參考有關資料，擬定計算潰堰歷時30 s，根據電站高度、材料、施工質量等因素將潰壩形式分為全潰和局潰。

（2）電站正常蓄水位運行發生潰決時，由于下游電站壩頂高程較正常蓄水位高約13.5 m，即使未采取預泄措施，壩前水位也不會超過下游電站壩頂高程，不會造成下游電站發生漫頂潰決險情，但下游電站庫區水位抬高會對沿程居民點、城鎮可能會造成一定影響，尤其是距離潰壩壩址較近A 鎮及沿河居民點，不會對下游電站壩下游造成影響。

（3）潰壩電站和下游電站敞泄運行時，因潰壩電站入庫流量為超標準洪水，壩前水位超過校核水位壩體失穩引起大壩瞬時潰決。由于潰壩電站特殊的樞紐布置，整個河床均布有泄洪建筑物以及潰口與泄洪建筑物位置重合，方案5和方案6 所計算的潰壩洪水實際是電站原敞泄流量和潰決后增加流量之和。潰壩電站為低水頭河床式電站，超標準洪水敞泄運行時，壩址上、下游水位差較小，潰口大小對潰壩最大洪峰流量影響不大，潰壩最大洪峰流量較壩址洪峰流量增加不多。

基于MIKE11 DB 模塊模擬S 電站潰壩洪水，分析電站正常運行與超標準洪水運行下，考慮上、下游電站運行方式，模擬的潰口流量過程及下游洪水演進過程，分析代表斷面洪峰流量及洪水位，為下游人口密集地區人員的撤離和制定應急處理措施提供科學依據。