基于HEC-RAS的百花灘水電站潰壩洪水演進過程及影響分析

蔣林杰，付成華，程馨玉，劉 健

(西華大學能源與動力工程學院，四川 成都 610039)

水庫大壩潰壩的發生和潰壩洪水的形成屬于非正常和難以預測的事件，大壩一旦失事或者遭到破壞，產生的洪水會給下游帶來災難性損失，并對下游生態和環境造成不良影響。如1975年河南板橋、石漫灘水庫漫頂垮壩，超過2.6萬人死亡；1955年法國馬耳巴賽拱壩潰決，造成了近7 000萬美元的經濟損失及400多人的重大傷亡；1976年美國提堂水庫右岸壩肩滲漏后潰壩，經濟損失約4億美元，是工程總造價的4.7倍[1]；2018年老撾南部阿速坡省桑片-桑南內水電站發生潰壩事故，導致6 600多人流離失所，5個村被洪水淹沒，給當地人民的生命和財產造成了巨大的損失[2]。國內外許多學者做了大量的洪水潰壩模擬工作。陳祖煜等[3]通過DB-IWHR潰壩洪水分析程序和GST洪水演進模型，采用不同沖刷侵蝕參數對“10·10”白格堰塞湖漫頂自然泄流過程進行了反演分析。楊峰等[4]運用高精度二維淺水動力學模型模擬洪水在下游河道的演進過程。丁燦、賀娟等[5-6]利用HEC-RAS模擬多種工況組合下主壩潰決后洪水在下游的演進過程,并通過ArcGIS實現結果可視化。BUTT M J等[7]利用HEC-RAS模型來估計不同高峰流量情況下的潰壩災害，并提出結論和建議。XIONG Y[8]從理論和模型兩個方面對大壩的潰決進行了描述，然后使用HEC-RAS進行水壩潰決分析。AZEEZ O等[9]利用HEC-RAS 2D對城市化的干旱地區Um Al-Khair大壩進行潰壩分析和洪水模擬。

百花灘水電站位于青衣江干流洪雅縣止戈鎮，是青衣江干流梯級開發的第九級電站(圖1)。水庫校核洪水位484.50 m(Q0.2%=20 600 m3/s)，設計洪水位482.92 m(Q2%=16 000 m3/s)，正常蓄水位483.50 m，汛期限制水位(死水位)482.50 m，正常蓄水位以下庫容2 127萬m3，調節庫容340萬m3，總庫容2 618萬m3，為日調節水庫。電站距洪雅縣城12 km，上游與高鳳山電站銜接。壩址下游與城東電站相連，主要人口聚集點有史華村、安寧村、止戈鎮，主要交通干線為S305省道和S40遂洪高速。本文利用HEC-RAS進行百花灘閘壩潰壩洪水計算，結合ArcGIS實現數據結果可視化，預測分析潰壩后洪水演進過程和影響程度，以便采取合理的應對措施，為下游防洪措施和應急管理提供科學依據。

圖1 百花灘水電站地理位置

1 潰壩計算方案

結合已有研究和電站實際，潰壩原因主要有：超標準洪水、閘門啟閉異常、上游大壩失事、遭遇地震、人為破壞(戰爭、恐怖襲擊)等。在此基礎上，根據百花灘電站的運行方式和閘壩高度、材料、施工質量等因素，潰壩形式按全潰和局潰考慮，潰口底高程取閘底高程470 m，潰決歷時取0.1 h。綜合考慮水庫水位和潰口寬度，組合擬定9種潰壩方案(表1)。

表1 潰壩洪水計算方案

2 潰壩數值模擬計算

2.1 計算原理及流程

潰壩下游洪水演算主要是推算出水庫下游各斷面的洪水過程線、最大流量、最高水位、波谷及波峰的到達時間等特征數據。目前流行的洪水數值模擬軟件HEC-RAS為美國工程水文中心開發的免費河道水力計算軟件[10]，界面簡潔，操作方便，易于建模[11]。HEC-RAS的非恒定流模塊基于連續方程和動量方程，采用preissman 四點隱式差分法進行離散求解。

連續性方程：

(1)

動量方程：

(2)

式中x——計算河道長度，m；Q——潰壩流量，m3/s；Z——水位，m；g——重力加速度，m/s2；t——時間，s；ql——單位距離的側向流量，m2/s；若無支流匯入或流出，ql=0；A——河道過水斷面面積，m2；R——斷面水力半徑，m；β——動能修正系數，這里取1；n——糙率系數。

本文利用ArcGIS 軟件在30 m 精度DEM 模型上快速提取下游河道和所受威脅地區的地理數據，然后通過HEC-GeoRAS 軟件將有關數據導入HEC-RAS 中進行洪水演進計算[12-14]，再利用后處理軟件HEC-DSSVue驗證數值模擬的合理性，最終通過ArcGIS直觀展示淹沒風險影響范圍，具體計算步驟如下[10,15]。

a)利用ArcGIS和DEM數字高程圖提取研究區域的地形數據。

b)根據Google地球、樞紐區1∶1 000地形圖、K0+100斷面圖及現場踏勘，對DEM形成的地形圖和典型斷面圖進行校核修正。

c)在HEC-RAS中建立河網文件，設定邊界條件和起始條件，將斷面數據、流量過程、河段糙率等直接導入HEC-RAS中進行模擬分析。

2.2 計算范圍及計算條件

a)計算河道范圍取至壩址以下14.5 km處，共布設30個控制斷面，斷面間距為500 m(圖2)，K0+500河道橫斷面見圖3。

b)糙率取值：選取樁號k2+500至k3+500的順直微彎河段作為模型率定河段。結果表明，河段綜合糙率0.025～0.035，尾水渠糙率渠身段比降1/8 000，糙率0.015。

c)初始條件為各種計算方案下潰壩前沿程流量和水位，不同頻率洪水過程根據2019年8月22日至8月23日典型洪水進行同倍比推求，上游邊界條件為不同方案下潰口的流量過程，下游邊界條件計算范圍出口斷面水位流量關系。

圖2 下游斷面位置分布

圖3 K0+500河道橫斷面

2.3 計算結果

2.3.1潰口最大流量

校核洪水全潰方案下潰口最大洪峰流量最大，為21 800 m3/s，相當于校核洪水來流量20 600 m3/s 的1.06倍；5年一遇洪水1/3潰壩方案下最大洪峰流量為8 600 m3/s，略大于百花灘壩址2年一遇洪水流量8 080 m3/s(圖4)。

圖4 F1—F9方案潰口最大流量

2.3.2洪水演進規律

由F1方案下游沿程水面線圖5可見：隨著河床底部高程變化，壩下游沿程各個斷面最高洪水位均呈現減小趨勢；水位流量過程沿程逐漸下降，未出現震蕩，說明沒有負波產生，符合非恒定流能量變化規律。

圖5 F1方案下游沿程水面線

不同潰壩方案下，潰口處最大洪峰流量最大，隨后逐漸減小且衰減幅度逐漸減小；同一斷面最大洪峰流量隨著入庫洪水減小而減小，隨著潰口寬度減小而減小。F1、F2、F3、F6、F9方案下14.5 km處最大洪峰流量依次約為潰口最大洪峰流量的92%、91%、48%、67%、91%，下游河道流量與潰口流量之比是合理的。

圖6 代表方案沿程各斷面最大洪峰流量

不同潰壩方案下，潰口處洪水位最大，沿程逐漸減小。隨著潰口流量在下游的衰減和河床底部高程變化，壩下游沿程各個斷面最高洪水位均呈現減小趨勢，平均比降約為0.18%，減小幅度隨著距壩距離的增加而減小(圖7)。

圖7 代表方案下各斷面最高洪水位

從洪水演進過程風險圖可以看出：隨著潰壩時間和入庫流量變化，洪水淹沒范圍會經歷從小到大再變小的過程，即水面寬度先從窄變寬再變窄，符合洪水演進過程變化規律(圖8)。

a)潰壩初期

b)潰壩4 h

c)潰壩10 h

d)潰壩16 h圖8 F1方案下游洪水演進過程

利用后處理軟件HEC-DSSVue分析得到潰壩下游洪水各時段各斷面流量、水位關系曲線以及洪水波峰波谷到達下游斷面的時間(圖9)，K1+000～K11+500斷面洪峰在潰壩后10 h到達，K11+500斷面洪峰在11 h左右到達， K0+000～K11+500斷面處波谷持續時間為16 h，這與實測洪水過程吻合(2019年8月22日11:00—8月23日3:00)；潰壩初期壩址處潰壩流量、水位分別為21 800 m3/s、485.01 m，隨著河床底部高程變化，水位沿程逐漸降低至459.21 m；隨著上游不斷來水，沿程各斷面流量變化不大。

圖9 各斷面水位、流量關系曲線

3 潰壩洪水影響分析

3.1 F1方案下游斷面洪水信息

考慮上游來水，洪水歷時16 h，但相對于潰壩開始各斷面最大洪峰到達時間較短。由表2可知：F1潰壩方案下，全河段最大流量為21 800 m3/s，為校核流量20 600 m3/s的1.1倍；最大洪峰將于32 min后到達S40遂洪高速，最大流量20 200 m3/s；洪雅縣城河段(CS20-CS25)最大水面寬度在1 400～1 600 m，洪峰出現時間約40 min，最高洪水位468 m，會產生一定程度的淹沒影響；受入庫洪水的持續影響，最大流量由壩址處21 800 m3/s至下游14.5 km處20 100 m3/s，變化不大。

表2 F1方案下游洪水信息

3.2對下游沿岸村鎮影響

通過HEC-GeoRAS插件將HEC-RAS計算結果加載到ArcGIS中形成洪水影響風險圖進行直觀展示(圖10)，分析得出淹沒區范圍及受影響人口，壩址下游左右兩岸主要影響區域峰現時間及轉移地點見表3。

圖10 F1方案下潰壩洪水局部風險

表3 F1方案下游主要影響區域最高洪水位、峰現時間及轉移地點

從上圖可以看出，F1潰壩方案下洪水演進過程中除了對兩岸的河谷林地造成淹沒外，還涉及到部分低洼地帶的村莊民房建筑，主要集中在壩址下游左岸500～1 000 m和2 000～2 800 m的郭余社、史華村和右岸菜園子，左岸兩處的最大流量分別達到20 500、20 400 m3/s，造成的淹沒范圍約為5.3×104、7.3×104m2，淹沒范圍內的平均水深約為0.8、0.65 m；且洪水到達郭余社、史華村、菜園子、安寧村的峰現時間比較快，轉移時間緊迫，更容易受到潰壩洪水危害。

3.3 對下游主要工程設施影響

S40遂洪高速位于百花灘電站下游8 km處，F1方案下潰壩洪水32.8 min到達，最高洪水位470.23 m，最大洪峰流量20 200 m3/s，有一定的沖刷影響。下游右岸2 000 m長的城市道路以及靠近河岸50 m范圍內的部分城市建筑也將遭到淹沒。

瓦屋山大道、洪州大橋和青衣江大橋分別位于S40遂洪高速下游 1、2、3 km處，F1方案下洪峰到達時間分別為35.2、43.1、45.8 min，最大洪峰流量分別為20 200、20 100和20 100 m3/s，會產生一定的沖刷影響，但最高洪水位均低于橋面底部高程。

4 結語

根據電站實際擬定了9種潰壩分析方案，利用HEC-RAS進行潰壩洪水演進計算，從下游斷面洪峰流量、洪水到達時間、最高水位和最大水面寬度等方面分析洪水演進過程，最后結合ArcGIS快速直觀地反映洪水風險影響范圍。雖然地形及洪水過程概化與實際會存在一定的誤差， 但計算方案和計算結果能反映閘壩潰壩后洪水演進規律，對于電站防洪應急管理和預案編制提供理論依據，有利于保障地方防洪安全。