基于MIKE FLOOD模擬南水北調(diào)左岸常莊水庫潰壩影響分析

李程純子，程伊文

（1.河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，河南 鄭州 450000；2.中國南水北調(diào)集團江漢水網(wǎng)建設(shè)開發(fā)有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

近年來，在全球氣候變化背景下，極端氣象事件頻發(fā)，2021年入汛以來，南水北調(diào)中線工程沿線遭受特大暴雨洪水，河南段沿線發(fā)生防洪堤沖毀、渠道滑塌、截流溝沖毀等多處險情，郭家咀、常莊等143 座水庫出現(xiàn)不同程度的險情，特別是郭家咀水庫緊鄰南水北調(diào)中線工程總干渠，在鄭州“7·20”特大暴雨期間發(fā)生漫壩險情，一度嚴(yán)重威脅下游南水北調(diào)中線工程安全。南水北調(diào)中線工程作為國之重器，開展南水北調(diào)左岸水庫潰壩影響分析，對采取一定措施保障南水北調(diào)中線供水安全是十分必要且迫切的。

文章選取南水北調(diào)中線左岸水庫常莊水庫作為研究對象，利用MIKE FLOOD 建立一、二維耦合模型對南水北調(diào)左岸常莊水庫的潰壩進行模擬，模擬潰壩洪水對南水北調(diào)中線工程的影響，從而采取一定工程措施，盡量消除潰壩洪水對總干渠的影響，保障總干渠的供水安全。

1 工程概況

常莊水庫位于淮河流域穎河水系賈魯河支流賈峪河下游，壩址在鄭州市西南隴海西路與西三環(huán)交叉口西賈峪河入賈魯河處上游2.40 km 處，東經(jīng)113°33′，北緯34°44′。常莊水庫溢洪道泄洪閘距離南水北調(diào)總干渠1.15 km，下游賈峪河倒虹吸穿總干渠，孔口凈尺寸6 孔×4 m×4 m，100 年一遇設(shè)計洪峰流量417 m3/s，300 年一遇校核洪峰流量為556 m3/s。

常莊水庫總庫容1 708 萬m3，控制流域面積82 km2，原規(guī)劃是一座以防洪、灌溉為主，兼顧養(yǎng)魚等綜合利用的中型水庫。由于位置重要，隨著鄭州市的城市發(fā)展，供用水矛盾日益突出，經(jīng)上級批準(zhǔn)，1984 年水庫調(diào)整為以防洪為主、兼城市應(yīng)急供水的大型管理水庫。水庫設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為5 000 年一遇，主要建筑物為2 級。正常蓄水位130 m，設(shè)計洪水位131.34 m，校核洪水位135.07 m，水庫樞紐主要建筑物有主壩、副壩、溢洪道、輸水洞，水庫特征參數(shù)見表1。

表1 水庫特征參數(shù)表

2 模型構(gòu)建

2.1 模擬方法

MIKE FLOOD、MIKE11、MIKE 21 為丹麥DHI 公司開發(fā)的MIKE ZERO 系列軟件中的子軟件，MIKE FLOOD 將一維和二維模型進行耦合，耦合成一個整體的水力學(xué)模型。MIKE11 模塊用于一維河道內(nèi)洪水演進過程的模擬；MIKE 21 模塊可模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流演進過程，并可充分考慮水體密度、泥沙、分布式糙率系數(shù)、風(fēng)場、冰蓋、局部排水抽水、降雨蒸發(fā)等各種因素影響。

常莊水庫潰壩對總干渠的影響，需模擬水庫下游賈峪河潰壩洪水演進過程，同時考慮賈峪河倒虹吸穿總干渠的過流能力，因此，本次采用MIKE 11 模擬賈峪河倒虹吸穿總干渠的洪水演進過程，MIKE 21 模擬潰壩洪水演進過程，采用非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格進行剖分，控制網(wǎng)格邊長5 ～50 m、網(wǎng)格面積50 ～1 500 m2，為準(zhǔn)確描繪地形，對重要堤防如填方公路、南水北調(diào)防護堤等繪制控制線加密網(wǎng)格，共計剖分網(wǎng)格16.95 萬個，最終結(jié)果可輸出任意時刻任意點、斷面和面上的淹沒水深、到達時間、流速等各種風(fēng)險要素。MIKE FLOOD 軟件MIKE 11 和MIKE 21 模型文件通過耦合線進行連接。

2.2 主要參數(shù)

根據(jù)《水工設(shè)計手冊》和《水力計算手冊》，大壩的潰決方式一般從規(guī)模上分為全潰和局部潰；從時間上分為瞬時潰或逐漸潰。潰決方式主要決定于壩的類型、壩的基礎(chǔ)以及潰壩原因。常莊水庫位于丘陵與平原的過渡區(qū)，大壩為均質(zhì)土壩，土料以低液限粉土為主。土壩的潰壩原因主要是洪水漫頂、基礎(chǔ)滲漏和管涌，一般屬于逐漸潰壩，但由于潰壩洪水流沖擊力很強，整個時間過程非常短暫，為安全起見，一般可按瞬時潰壩處理。丘陵區(qū)或平原水庫壩長較長，一般只潰主要部分，即為橫向局部潰壩。土壩抗沖刷能力很差，已有實際資料證明決口處將沖刷到壩的基礎(chǔ)甚至形成局部沖刷坑。文章模擬常莊水庫潰壩類型從時間上確定為瞬時潰，從規(guī)模上確定為局部潰。

潰口寬度采用黃河水利委員會經(jīng)驗公式進行計算：

式中：b為潰口寬度（m）；W為水庫庫容（萬m3）；B為壩頂長度（m）；H為壩高（m）；K為經(jīng)驗系數(shù)（取值1.00）。其中，b為潰口平均寬度，m；W為潰壩時蓄水量（104m3）；B為壩頂長度，m；H為壩前水深，m；K為與壩體土質(zhì)有關(guān)系數(shù)（黏土類取0.65，壤土類取1.30）。經(jīng)計算，最終潰口寬度184 m。

潰壩流量模擬：模擬常莊水庫蓄水至潰壩的全過程，水庫庫區(qū)按實際水位～庫容關(guān)系、溢洪道泄流關(guān)系構(gòu)建，通過控制壩前水位設(shè)置潰壩初始時間。

2.3 模擬工況

結(jié)合土石壩潰壩實例統(tǒng)計分析結(jié)果，土石壩的潰壩原因主要有洪水漫頂、基礎(chǔ)滲漏、管涌、水庫調(diào)度管理、地震等特殊原因。近年來，在全球氣候變化背景下，極端氣象事件頻發(fā)，水庫遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水、大壩質(zhì)量問題和運行管理問題等都可能引起水庫大壩潰決，南水北調(diào)工程左岸水庫一旦潰壩，嚴(yán)重威脅下游南水北調(diào)中線工程安全。因此，結(jié)合水庫工程實際，擬定2個逐漸局部瞬潰潰壩工況，分別為正常蓄水位潰壩、遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水漫壩工況：①工況一；水庫正常蓄水位遇地震潰壩工況，模擬常莊水庫在正常蓄水位運行過程中遭遇地震導(dǎo)致大壩潰決工況，擬定潰口為底寬142 m 的矩形。②工況二；漫壩時潰壩工況，模擬水庫遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水漫壩導(dǎo)致的大壩潰決，擬定潰口為底寬184 m的矩形。

3 潰壩洪水對南水北調(diào)工程影響

根據(jù)不同的擬定工程，采用MIKE FLOOD軟件構(gòu)建的水力學(xué)模型進行計算，2個潰壩工況壩址下游賈峪河沿程斷面洪峰流量、最高水位及潰壩洪水涌進總干渠洪量、最大流速見表2、表3。

表2 2個潰壩工況壩址下游賈峪河沿程斷面洪峰流量、最高水位表

表3 2個潰壩工況壩址下游賈峪河沿程斷面洪峰流量、最高水位表

①工況一，潰口寬度142 m，潰壩約22 min 后，洪水漫過總干渠左側(cè)堤頂，洪水大量涌進總干渠，洪峰流量為24 ～1 400 m3/s，涌進總干渠洪量為3 560 萬m3，總干渠左岸最高水位122.39 m，總干渠堤頂高程120.38 m，水位高于總干渠堤頂高程，總干渠存在漫堤風(fēng)險，入總干渠最大流速0.81 m/s。②工況二，潰口寬度184 m，潰壩約12 min 內(nèi)，洪水漫過總干渠左側(cè)堤頂，洪水大量涌進總干渠，洪峰流量為94.70 ～4 946 m3/s，涌進總干渠洪量為1 480 萬m3，總干渠左岸最高水位124.80 m，總干渠堤頂高程120.38 m，水位高于總干渠堤頂高程，總干渠存在漫堤風(fēng)險，入總干渠最大流速2.51 m/s。

通過對洪峰到達南水北調(diào)時，洪水涌入南水北調(diào)的流場進行分析，由于該處南水北調(diào)為挖方渠段，地勢低，洪水涌進南水北調(diào)流速大，可能對南水北調(diào)防洪堤、邊坡、進出口閘室等將造成損毀，勢必影響總干渠輸水安全。

4 結(jié)論

文章基于MIKE FLOOD軟件建立一維和二維耦合水動力學(xué)模型，模擬南水北調(diào)中線工程左岸常莊水庫潰壩洪水的演進過程及對下游南水北調(diào)中線工程的影響，模擬結(jié)果顯示，常莊水庫在正常蓄水位遇地震和超標(biāo)準(zhǔn)洪水漫壩潰壩工況下，洪水大量涌進南水北調(diào)總干渠，水位高于總干渠堤頂高程，存在漫堤風(fēng)險，且該處為挖方渠段，地勢低，可能對南水北調(diào)防洪堤、邊坡、進出口閘室等造成沖刷損毀，危及南水北調(diào)總干渠輸水安全。因此針對潰壩洪水模擬和風(fēng)險分析，需采取一定工程措施，如對常莊水庫大壩進行加固，背水面采用防沖刷硬化防洪，降低潰壩風(fēng)險；加高賈峪河倒虹吸進出口及上下游一定范圍內(nèi)的防護堤堤頂高程，并采用抗沖刷硬化防護等，盡量消除潰壩洪水對總干渠的影響；做好洪水預(yù)警預(yù)報，提前轉(zhuǎn)移和安置淹沒范圍內(nèi)人員和財產(chǎn)。