潰壩洪水分析及影響研究
——以陜北地區(qū)瑤鎮(zhèn)水庫為例

劉 濤

(陜西省延安市行政審批服務局，陜西 延安 716000)

潰壩分析是非防洪工程措施的一項基礎內容，主要評估分析由遭遇超標準洪水或突發(fā)潰壩等極端事件造成的洪水淹沒范圍及程度，為下游防洪安全和應急管理等工作提供支撐，特別是對于陜北地區(qū)久旱地區(qū)遭遇極端天氣造成潰壩洪水研究意義深遠[1]。為此，選擇陜北地區(qū)瑤鎮(zhèn)水庫，利用先進潰壩分析技術，假定水庫遭遇50 a一遇洪水和500 a一遇洪水情況下右岸與非溢流壩連接的副壩段潰壩，對潰壩洪水及影響進行評估及分析，充分發(fā)揮洪水演進分析在防洪減災工作中的作用。

1 工程概況

瑤鎮(zhèn)水庫位于榆林市神木縣瑤鎮(zhèn)鄉(xiāng)境內禿尾河干流上游瑤鎮(zhèn)村附近，樞紐距榆神二級公路約17 km，距神木縣城約50 km，神木至爾林兔公路從壩肩通過。是一座以城鎮(zhèn)供水為主，兼顧農(nóng)業(yè)灌溉、生態(tài)用水等綜合利用的中型水庫。工程規(guī)模屬于Ⅲ等工程，主要建筑物為二級建筑物設計，次要建筑物為四級。工程于2003年9月建成，控制流域面積770 km2。工程攔河壩由主壩及副壩構成，河床段布置32 m長的溢流壩段，左岸接74 m長非溢流重力壩段，右岸接194.5 m長副壩，副壩為沙壩。沖沙洞和引水洞為內徑2.0 m和1.0 m的鋼筋砼圓形斷面，設計壩高為27.9 m，壩頂高程為1 163.4 m，壩頂寬度4 m，總庫容1 060萬 m3。水庫所在流域圖見圖1。

圖1 水庫所在流域示意圖

2 方法及模型建立

2.1 方法構思

通過分析遭遇50 a一遇洪水和500 a一遇洪水，右岸與非溢流壩連接的副壩段潰壩，利用GIS技術對瑤鎮(zhèn)水庫及下游防護區(qū)地形矢量和影像文件進行處理、校驗與轉換，生成DEM模型；基于河流水力模擬系統(tǒng)，構建水庫下游防護區(qū)二維水流數(shù)值模擬模型[2][3]，對潰壩洪水過程進行水力模擬計算，獲得不同工況下下游典型斷面或代表點的淹沒水深、洪水流量和流速、洪水抵達時間等水力要素，基于GIS平臺，將這些要素疊加到瑤鎮(zhèn)水庫及下游防護區(qū)的電子地圖上，形成潰壩洪水演進過程分析結果。

表1 工況情況表

2.2 模型建立

2.2.1 地形矢量和影像資料處理

將河道網(wǎng)格模型與拼接描點的高程數(shù)據(jù)和衛(wèi)星地形圖高程數(shù)據(jù)結合[4][5]。創(chuàng)建perioritize scatter aera數(shù)據(jù)網(wǎng)格，優(yōu)先使用地形圖描點數(shù)據(jù)和衛(wèi)星圖高程數(shù)據(jù)進行interpolte，生成mike二維高程網(wǎng)格即計算模型。

2.2.2 平面二維數(shù)學模型建立

模型是基于三向不可壓縮和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程，并服從于Boussinesq假定和靜水壓力的假定[6-7]。

二維非恒定淺水方程組為：

(1)

(2)

(3)

式中：t為時間；x，y為笛卡爾坐標系坐標；η為水位；d為靜止水深；h=η+d為總水深；u、v分別為x，y方向上的速度分量；f是哥氏力系數(shù)，f=2ωsinφ，ω為地球自轉角速度，ω為當?shù)鼐暥龋籫為重力加速度；ρ為水的密度；sxx、sxy、syy分別為輻射應力分量；Txx、Txy、Tyx、Tyy為水平粘滯應力項，S為源匯項，us、vs為源匯項水流流速。

(4)

Tij為水平粘滯應力項，包括粘性力、紊流應力和水平對流，這些量是根據(jù)沿水深平均的速度梯度用渦流粘性方程求得。

(5)

3 潰壩洪水分析

3.1 演進過程

以50 a一遇洪水為例，分別分析洪水到達瑤鎮(zhèn)、紅石峁、野林托拉、花坨灣、榆商高速的順序演進過程。潰壩發(fā)生2 min后洪水到達瑤鎮(zhèn)，7 min50 s時瑤鎮(zhèn)水位達到最大值1 160.57 m，潰壩發(fā)生11 min50 s后洪水到達紅石峁，20 min40 s時紅石峁水位達到最大值1 134.28 m，潰壩發(fā)生28 min20 s后洪水到達野林托拉，51 min40 s時野林托拉水位達到最大值1 129.2 m；潰壩發(fā)生34 min40 s后洪水到達花圪臺灣，1 h0 min10 s時花圪臺灣水位達到最大值1 090.9 m；潰壩發(fā)生58 min40 s后洪水到達榆商高速，由于榆商高速距離下游壩址采兔溝非常近，水位不斷增加，在計算時段結束即1 h12 min15 s時，水位達到1 064.4 m。

由圖2流速變化過程線，可以看出每個監(jiān)測斷面流速存在明顯的洪峰效應，流速基本呈先上升后下降趨勢。瑤鎮(zhèn)地區(qū)，在潰壩發(fā)生7 min左右，潰壩流速達到13 m/s；且在花圪臺灣附近由于河道的束窄作用，使得該處流速在潰壩的階段均處于5 m/s以上；在榆商高速附近流速存在波動，主要原因是洪水受到下游采兔溝水庫的攔截，使得洪水從采兔溝壩址涌向上游榆商高速的過程，造成流速在減小后存在增大現(xiàn)象[8]。

圖2 特征斷面處潰壩洪水流速隨時間變化過程線

3.2 水深及淹沒范圍分析

潰壩發(fā)生后不同時段，不同位置的水深及淹沒，如圖3所示。潰壩發(fā)生后6 min40 s，由于河道的拐彎和最大潰壩洪水的疊加，使得瑤鎮(zhèn)附近將受到最大程度淹沒；潰壩導致采兔溝壩址附近的水深增加最大達到8 m左右。

圖3 潰壩后1h06min40s洪水深分布圖

3.3 流速矢量分布

3.3.1 流速分布

斷面平均最大流速出現(xiàn)在瑤鎮(zhèn)下游主河床部位，最大流速為14 m/s，各部位流速及流速矢量分布見圖4。

圖4 潰壩后1h13min55s時洪水流速分布圖

3.3.2 矢量分布

通過潰壩后下游流速矢量分布分析，首先在靠近岸邊處流速方向發(fā)生較大的改變，主要引起原因是岸坡對水流的頂沖作用，其次，在岸坡拐彎弧度大且河谷狹窄，易導致增大流速和產(chǎn)生漩渦，流速矢量分布見圖5～圖9。

圖5 6min40s瑤鎮(zhèn)洪水流速矢量分布等值線 圖6 20min40s時紅石峁村洪水流速矢量分布

圖7 51min40s時野林托拉洪水流速矢量分布 圖8 1h40s時花圪臺灣洪水流速矢量分布

圖9 1h13min55s時榆商高速流速矢量分布

4 綜合評估和影響分析

4.1 潰壩洪水影響范圍及綜合評估

工況1，50 a一遇洪水，副壩全潰。由于副壩所在地區(qū)地勢較高，潰壩發(fā)生時，首先對副壩后地勢產(chǎn)生沖擊，隨后潰壩主流涌入主河道內與瑤鎮(zhèn)接壤的錦界鄉(xiāng)也將受到洪水淹沒影響；紅石峁地區(qū)由于地形較高基本不會被洪水淹沒。花圪臺灣附近由于河道的拐彎和頂沖大部分處在淹沒區(qū)；榆商高速不僅受到潰壩洪水演進過程的影響，同時還將受到洪水逆行波的影響。

本次計算，各監(jiān)測斷面最大淹沒水深統(tǒng)計如下。潰壩發(fā)生6min40s時瑤鎮(zhèn)地區(qū)最大水深將達到11 m，有房屋處的地區(qū)淹沒水深在1～2 m左右；潰壩發(fā)生20min40s時紅石峁地區(qū)最大淹沒水深約9 m，地勢較高的有房屋地區(qū)的基本不會被淹沒；潰壩發(fā)生第51min40s時野林托拉最大淹沒水深約9 m，房屋部分受到淹沒，淹沒水深在1 m左右；潰壩發(fā)生第1h40s時，花圪臺灣處最大淹沒水深6 m。

從淹沒流速看來，各監(jiān)測斷面處的房屋處在較高地區(qū)，淹沒流速均小于2 m/s，但由于被淹沒地區(qū)的房屋對水流的頂沖作用，流速分布比較復雜，流速矢量在岸坡附近均存在環(huán)流和繞流。

工況2，五百年一遇洪水，副壩全潰。本次計算工況，各監(jiān)測斷面最大淹沒水深統(tǒng)計如下。潰壩發(fā)生3min55s時瑤鎮(zhèn)地區(qū)最大水深約為10.5 m，較工況1增大并不明顯，流速增大約2.5 m/s，淹沒范圍有房屋處的地區(qū)淹沒水深在1～2 m左右較工況1增大不顯著；潰壩發(fā)生17min50s時紅石峁地區(qū)最大淹沒水深約8.5 m，工況1、2在瑤鎮(zhèn)地區(qū)有房屋地區(qū)的地勢，淹沒范圍較大；潰壩發(fā)生第41min30s時野林托拉最大淹沒水深約10.4 m，有房屋部分受到淹沒，淹沒水深在1 m左右，比工況1淹沒水深大；潰壩發(fā)生第1h40s時，花圪臺灣處最大淹沒水深10.4 m。工況2較工況1在平順河道地區(qū)淹沒水深小，但淹沒流速大，彎曲河段淹沒水深大，淹沒流速也較大。工況2較工況1淹沒范圍增加，尤其是潰壩后1h10min45s時采兔溝壩址上游兩支流(袁家溝、黑龍溝)處倒灌淹沒范圍比工況1大。

從淹沒流速分布來看，基本規(guī)律與工況1相似，但工況2在采兔溝壩址及上游庫區(qū)一定范圍內潰壩洪水涌向上游。

4.2 對下游水庫影響分析

本次模擬，以采兔溝水庫設計洪水水位1 082.11 m作為模型水位控制邊界條件，在水位低于設計洪水時，水庫不會下泄洪水，當洪水高于設計水位時全斷面下泄洪水。計算結果如表2。

表2 各工況下采兔溝水庫壩址處水位

由計算結果可以看出，采兔溝水庫在初始水位為1 056 m時，本次模擬的不同工況對應水位區(qū)間范圍為1 064～1 066.2 m，瑤鎮(zhèn)水庫潰壩發(fā)生對采兔溝水庫安全產(chǎn)生影響較小。由采兔溝庫區(qū)監(jiān)測斷面水深變化看，潰壩波傳播至采兔溝水庫后，由于采兔溝水庫庫容較大，庫區(qū)形成的水面消波作用明顯，上游潰壩造成的潰壩波在采兔溝水庫內影響的水位波動范圍均在1 m范圍之內，對壩體結構無實質性威脅。但由于潰壩后采兔溝水庫入庫流量增加，庫區(qū)水位上漲較為明顯，且瑤鎮(zhèn)至采兔溝區(qū)間，河床坡度較大，使得潰壩發(fā)生時瑤鎮(zhèn)水庫庫容在較短時間內均下泄到采兔溝庫區(qū)內。因此，其他不同時刻初始庫容潰壩工況，可依據(jù)采兔溝水庫水位～庫容關系，將瑤鎮(zhèn)水庫庫容與采兔溝庫容進行疊加，而初步得到瑤鎮(zhèn)水庫潰壩時采兔溝庫水位的預測值。

5 結語

(1)從淹沒范圍上看，受潰壩洪水影響最大的地區(qū)是瑤鎮(zhèn)地區(qū)。導致禿尾河水流在大洪水條件下下泄受到地形限制，野林托拉、花圪臺灣地區(qū)水位受到控制段彎道限制，此部分地區(qū)水深和流速均較大。

(2)從流速分布上看，水流最大流速均在主河道區(qū)域，被淹沒的居民區(qū)范圍內流速一般小于2 m/s，野林托拉所在監(jiān)測斷面流速最大達到10.4 m/s，最大流速在花圪臺灣監(jiān)測斷面達到11 m/s，像花圪臺灣和紅石峁地區(qū)，由于地形限制，河道曲率半徑較小，河谷相對狹窄，此部分地區(qū)磚混結構物難以承受洪水沖蝕，且岸坡受到強烈沖刷作用，需提前預警并轉移該地區(qū)人員。

(3)從淹沒面積上看，五百年一遇洪水淹沒范圍與五十年一遇洪水淹沒面積相比增加明顯。河道中存在的灘地及相關節(jié)點，礙洪作用明顯，野林托拉下游河道施工侵占河道現(xiàn)象嚴重，且此處河道狹窄，紅石峁至野林托拉段形成滯洪區(qū)。

(4)本次模擬采兔溝水庫初始水位為1 056 m，以采兔溝水庫設計洪水水位1 082.11 m作為模型水位控制邊界條件，在水位低于設計洪水時，水庫不會下泄洪水，當洪水高于設計水位時全斷面下泄洪水。兩種工況下其對應水位區(qū)間范圍為1 064～1 066.2 m，低于設計洪水位，因而瑤鎮(zhèn)水庫潰壩不會對采兔溝水庫安全產(chǎn)生很大影響。