基于MIKE11模擬的玉水水庫工程潰壩洪水計算及影響分析

羅 琳，郭術芳，黃吉奎

（1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司,湖北 武漢 430010；2.瀘州市納溪區水務局,四川 瀘州 646300）

1 研究背景

潰壩洪水是指堤壩或者其他擋水建筑物潰決,發生水體突泄所形成的洪水[1],具有歷時短、峰高量大、突發性強、難以預測等特點[2]。一旦發生潰壩事故,尤其是水庫潰決,洪水波常以立浪或涌波形式向下游急速推進,沖毀或淹沒沿岸城鎮、村莊、耕園地等,下游臨近地區難以從容防護,給人民的生命安全和財產安全帶來巨大的危害。

我國水庫大壩設計采用高的洪水標準、地震標準和安全標準,并逐步建立了嚴格的建設、運行管理制度,潰壩風險概率處于極低水平,但潰壩帶來的后果是災難性的。設計水庫大壩時,應進行潰壩洪水計算,合理分析潰壩洪水大小、傳播時間、淹沒范圍等,預估潰壩洪水對下游人民的生命財產安全、建筑物、交通設施等的影響范圍和程度,作為工程安全管理應急預案制定的依據,最大程度保障人民的生命安全和財產安全[3]。

2 模擬方法

DAMBRK是美國國家氣象局（NWS）研發的潰壩洪水預測模型,基于概化潰口形態的關鍵參數,如潰口歷時、潰口最終底寬、潰口底部高程、潰口邊坡比等,通過時變過程,如潰口尺寸的線性發展理論,來模擬潰口的發展,進而計算潰口流量。模型物理機制明確,考慮了關鍵要素對洪水的影響,得到了廣泛的應用[4-6]。

MIKE11是丹麥水利研究所開發的一維河流模擬軟件,模擬對象包括河流動力學、洪水預報等,應用領域有實時洪水預報、潰壩分析等。其中,潰壩模塊（DB）具有強大的潰壩過程復演和計算的功能,計算方法之一采用了DAMBRK潰壩模型,潰口流量計算公式如下：

式中：Q為潰口流量；b為潰口底部寬度；h為上游水位（庫水位）；hb為潰口的底高程；S為潰口邊坡比；cweir為水平部分的堰流系數（取0.546430）；cslope為邊坡部分的堰流系數（取0.431856）；Cv為入流收縮算損失的修正系數；ks為淹沒修正系數。

式中：cB為無量綱系數,其值等于0.740256；WR為水庫寬度由為破壞的壩頂長度來定義；hb,term為潰口最終底高程；Qp為上一迭代中潰口的過流量；hds為下游水位。

3 實例分析

3.1 研究區域

永寧河為長江右岸一級支流,河流總長164 km,流域面積為3228 km2,河口流量94.6 m3/s,于納溪區永寧街道匯入長江。

白節河為永寧河右岸支流,河流總長34 km,流域面積為266.5 km2,河道平均比降5.9‰,于納溪區新樂鎮匯入永寧河。

擬建的玉水水庫位于永寧河支流白節河上游,是一座具有農業灌溉、鄉村供水等綜合利用的中型水庫工程。壩址控制集雨面積25.87 km2,多年平均入庫流量0.586 m3/s,水庫總庫容1278 萬m3,校核洪水位324.9 m,正常蓄水位324.0 m,興利庫容955 萬m3。大壩采用風化泥巖心墻石渣壩,壩頂長216 m,壩頂寬度8.0 m,壩頂高程325.0 m,最大壩高56.0 m；泄洪建筑物型式采用右岸壩肩布置有閘控制開敞式溢洪道[7]。

3.2 模型構建及方案設定

潰壩洪水計算范圍擬定玉水水庫庫區及壩址至永寧河河口河段。其中,水庫庫尾至大壩壩址約3.8 km,大壩壩址至白節河河口約25.7 km,白節河河口至永寧河河口約5.1 km。計算時,上邊界條件為玉水水庫洪水入庫流量過程；區間入流考慮碾子溝、龍灘溝、尚厚溝三條支流以及永寧河的多年平均流量；下邊界條件給定長江斷面的水位～流量關系曲線以及多年平均流量；水庫大壩作為水工建筑物加入模型中。斷面數據由實測地形圖提取得到,河道糙率綜合確定為0.04。潰壩計算邊界條件及概化模型見圖1。

圖1 潰壩計算邊界條件及概化模型圖

結合土石壩潰壩實例統計分析結果,玉水水庫潰壩風險因子可能有：①洪水漫頂；②滲透破壞；③管理不當；④地震、戰爭等特殊因素。當前,大壩的建設質量有可靠保障,工程投入運行后建立的安全監測系統及調度規程、日常管護和巡視可杜絕由管理不當造成的潰壩事故。水庫所在區域地質與構造穩定性好、遭受戰爭破壞的可能性也極小。故玉水水庫潰壩風險主要考慮校核洪水位時遭遇特大洪水（按2000年一遇考慮,洪峰流量432 m3/s）而發生洪水漫頂的工況。

大壩的潰決形式,從規模上可劃分為全潰和局部潰決,從時間上可劃分為瞬時潰和逐漸潰[8]。土石壩潰決形式一般是逐步發展的潰決。結合玉水水庫工程實際,擬定逐漸半潰或逐漸全潰兩種潰決方式,綜合考慮潰口尺寸、潰決歷時、初始水位等因素,擬定3個具體的潰壩洪水計算方案,見表1。

表1 潰壩洪水計算方案及參數表

3.3 結果與分析

根據擬定的方案,采用MIKE11軟件中的DAMBRK潰壩模型進行計算,各個潰決方案壩址下游河段沿程洪峰流量、最高水位、最大洪峰出現時間見表2。

表2 壩址下游河段沿程洪峰流量、最高水位、峰現時間統計表

圖2 延長水庫使用壽命的過程

根據潰壩洪水計算成果可知,不同方案潰口處洪水流量總體呈現出潰壩時刻流量突增,隨后又很快衰減的陡長陡落的規律,洪峰流量量級大、但衰減速度也較快；潰壩洪水在下游河道演進過程中洪峰也是逐漸衰減,距離壩址越遠洪峰流量越小；潰壩發生后,洪峰傳播速度較快。三個方案中,洪峰傳播至白節河河口僅需65 min~90 min,傳播至永寧河河口僅需152 min~215 min。當潰壩洪水推進到長江時,長江流量增加643 m3/s ~871 m3/s,占長江多年平均流量的7.6%~10.3%,引起的水位增幅1.63 m~1.69 m,增幅較小。其中,在最不利的方案二中,潰壩洪水入長江并疊加多年平均流量后為9321 m3/s,對應水位為232.59 m,遠小于長江20 年一遇洪峰流量及洪水位（該段河道已建防洪標準為20 年一遇的堤防）,對長江影響不大。玉水水庫潰壩洪水對下游影響范圍為水庫壩址至永寧河河口。

根據方案一與方案二對比分析結果,驗證了潰決形式是決定潰口洪峰流量、潰壩洪水過程線的關鍵因素之一。全潰方案的潰口洪峰流量顯著大于半潰方案；當潰壩洪水向下游推進時,全潰方案的沿程洪峰流量及最大水深均大于半潰方案,但這種影響隨著距壩里程的增加而逐漸減小。在距壩里程8km以內,全潰方案洪峰流量沿程衰減速度也顯著大于半潰方案,其主要原因是全潰方案潰壩洪水流量相對較大,受河道阻礙作用更強。

根據方案二與方案三對比分析結果,驗證了潰口歷時也是決定潰口洪峰流量、潰壩洪水過程線的關鍵因素之一。潰口歷時20 min方案的潰口洪峰流量顯著大于潰口歷時1 h方案；當潰壩洪水向下游推進時,潰口歷時20 min方案的沿程洪峰流量及最大水深均大于潰口歷時1 h方案,但這種影響也隨著距壩里程的增加而逐漸減小。

對比3 個方案的潰壩洪水計算成果,大壩為全潰且潰決歷時20 min時（方案二）,潰口流量最大,沿程洪峰流量及最大水深也最大,對下游危害最大,為最不利方案。

圖3 方案一與方案二下游河段沿程洪峰流量對比圖

圖4 方案二與方案三下游河段沿程洪峰流量對比圖

圖5 方案一與方案二下游河段沿程最高水位對比圖

圖6 方案二與方案三下游河段沿程最高水位對比圖

4 潰壩洪水影響分析

4.1 壩址下游社會經濟及設施概況

社會經濟概況：水庫壩址以下河段主要流經白節鎮、新樂鎮、永寧街道,沿岸分布有3 個企業和1 個村委會以及自然居民點和耕園地。

重要設施概況：水庫壩址至納溪區城區的主要交通道路為XE05 縣道,長約25 km,沿途高程在230 m~290 m之間,道路走向主要沿白節河干流。

4.2 潰壩洪水影響分析

根據潰壩洪水計算成果,評估下游區域淹沒情況及影響范圍。本文僅列出最不利方案二的淹沒區域經濟社會統計指標,見表3。

表3 潰壩洪水淹沒區域經濟社會指標統計表（方案二）

潰壩洪水淹沒影響范圍涉及白節鎮、新樂鎮及永寧街道,淹沒總面積8.87 km2,淹沒耕園地0.67 萬畝,受影響行政村10 個,淹沒居民點64 個,受災人口4626 人,影響房屋面積36.6 萬m2,淹沒XE05 縣道7.13 km（含橋梁4 座,總長632 m）。其中,影響企業3 個、村委會1 處。

4.3 避險轉移措施

為快速躲避潰壩洪水災害,結合淹沒區域地形、交通、居民聚集場地等條件,擬定在受影響區兩側高地就近布置13 個安全區（見圖7）,以滿足最短時間內轉移人口需求。

圖7 潰壩洪水淹沒范圍及轉移路線示意圖

5 結語

（1）隨著社會經濟的快速發展,水庫下游的人口、財產更加集中。盡管水庫出現潰壩事故的概率極小,但潰壩事故一旦出現,將帶來災難性的后果。為此開展水庫潰壩洪水計算和影響分析是十分有必要的。

（2）本文分析了玉水水庫在校核洪水位時遭遇特大洪水而發生洪水漫頂的工況下,基于不同的潰決形式和潰決歷時的3種潰壩方案,利用MIKE11中DAMBRK潰壩模型計算潰口流量并模擬了水庫下游潰壩洪水的演進過程。通過對比分析不同方案壩址處的潰壩洪水過程、下游沿程的最大洪峰流量及最高水位,論證了全潰且潰決歷時20 min的潰壩方案為最不利方案,對下游的影響范圍為水庫壩址至永寧河河口。

（3）根據潰壩洪水的模擬成果及當地經濟社會情況,分析了最不利方案的洪水淹沒范圍圖及轉移路線,為玉水水庫大壩安全管理應急預案提供了技術支撐,可供主管部門在發生潰壩事故時設定科學的疏散和逃生路線,以最大程度地減少人員傷亡和財產損失。