基于HEC-RAS 的水庫大壩二維潰壩洪水影響研究

張雅楠

（惠州市華禹水利水電工程勘測設計有限公司，廣東惠州 516025）

0 引言

隨著我國基礎建設水平快速提升，水庫數量已經超過10 萬座，雖然為人們的生活帶來了便利提條件，但是一旦水庫出現潰壩將會對下游人民的生命財產安全產生嚴重威脅，因此，確定潰壩洪水對于水庫安全運行來說非常重要。當前HEC-RAS 在其中的運用范圍較廣，其能夠準確計算出水庫供水的潰壩范圍以及洪水深度等參數，為洪水災害的預警和控制工作提供參數以及技術支持。

1 HEC-RAS 在水庫大壩二維潰壩洪水模擬中的運用原理

HEC-RAS 能夠完成二維非恒定河流水力計算，屬于集成軟件，該軟件中包含圖形用戶界面、水力學分析組件以及數據存儲管理系統等，其中確保能夠準確計算非恒定流。水庫大壩是我國基礎設施建設的重要組成部分，但是當前其發生潰壩的概率逐漸上升，水庫一旦發生潰壩將會產生非常嚴重的后果。HEC-RAS 最初由美國陸軍工程兵團水文工程中心研發，已經成為當前分析洪水模擬的主要軟件。其在實際運用的過程中具有計算精度高的優勢，并且免費開發，這也是其得到廣泛運用的主要原因。但是當前在國內HEC-RAS 的運用仍然有待提升，相關人員可以充分利用HEC-RAS 對土石壩的潰決機制進行分析，通過模擬的方式提前預警大壩失事問題，為抗洪搶險提供信息參數，提高應急預案制定的準確性。在二維非恒定流水力計算過程中，主要采取質量守恒和動量守恒原理，利用以上定律通過偏微分方程的方式完成表達，HEC-RAS 中計算方程主要為Navier－Stokes 對二維流體的運動情況進行描述分析。這一過程中設定流動不可壓縮，根據質量守恒方程的非定常微分形式完成計算。

2 HEC-RAS 對水庫大壩二維潰壩洪水的影響

2.1 工程概況

本水庫的控制流域面積為64km2，總庫的容量為1385 萬m3，工程等級為Ⅲ級，其中永久性水工建筑物的級別為3 級，洪水標準的設計根據100 年一遇的洪水設計，根據2000 年一遇的洪水完成校核。正常蓄水位為96m，洪水位為98.21m，校核洪水位為99.78m，水庫設計參數如表1 所示。

表1 水庫大壩設計參數

2.2 建立模型

（1）初始條件。上游水庫的初始條件就是水庫的起潰水位，利用整體模型方法，其中上游邊界條件為2000 年一遇的校核洪水入庫流量過程，將自由出流邊界作為下游邊界條件，該種情況下洪水如果流到下游位置，則處于自由出流狀態。將無滑移邊界條件作為閉邊界條件，閉邊界與外界進行水量交換工作，因此法向流速為0[1]。圖1 為P=0.05%情況下校核洪水入庫流量過程線。

圖1 P=0.05%校核洪水入庫流量過程線

（2）糙率的確定。糙率是完成洪演進模擬計算中的關鍵參數，在對其進行計算的過程中可以使用RAS Mapper，在土地覆蓋糙率值中賦予二維網格，土地覆蓋類型不同，確定糙率范圍，將HEC-RAS 二維建模用戶手冊以及《明渠水力學》等作為查詢對象，根據水庫的實際情況確定與其相互吻合的糙率值范圍，具體如表2所示。

表2 不同土地覆蓋的糙率范圍值

2.3 工況計算

根據上述內容能夠看出水壩主要材料為混凝土心墻壩，屬于土石壩，土石壩通常為逐漸潰壩，為了確保安全，在分析主壩潰壩形式的過程中使用瞬間潰壩形式。漿砌石重力壩為剛性壩，該種類型的大壩通常為瞬間潰壩形式。在對水壩主壩潰口尺寸進行預測能夠看出，Von Thun＆Gillete 方程中預測的土石壩潰口尺寸最大，為了保證安全性，將主副壩瞬間全部崩潰，潰口頂寬435.00m，潰到底后起潰水位為校核洪水位99.78m，遭遇2000 年一遇校核洪水該種情況作為最危險工況[2]。水庫一旦出現潰壩事故，其中可能會存在各種突發問題，例如，泄洪建筑物無法正常運行等，增加潰壩產生的危害，并且與其他類型的大壩相比，土壩的潰壩概率較高，所以在工況2 中采取主石壩全崩潰方案，并對主石壩潰口尺寸進行預測得到最終的潰口尺寸，將其作為工況3，具體工況如表3 所示。

表3 工況計算概述

2.4 計算結果

（1）潰口流量過程。在計算過程中需要建HEC-RAS幾何數據模型，在水庫大壩下游二維模擬區的位置設置多節多邊形，確定糙率相關參數之后輸入庫容曲線以及大壩參數。其中，水庫邊界條件通常用入庫洪水過程線表示，二維區域中邊界條件可以用水位-流量關系圖表示。在利用差分法計算非恒定流方程過程中，要先確定初始時刻中各個斷面的水位位置以及流量，假設初始時刻為恒定風均勻流速，利用Newton-Raphson 計算，當前河道幾何斷面的形狀固定，因此，能夠確定末端水位情況。完成初始條件加速時間、計算公差等參數之后，計算非恒定流，在此過程中計算單元格與計算時間步長相互一致，控制空間以及時間的步長，利用這種方式提高解決方案的有效性，在完成多次測試之后，科學選擇計算單元格尺寸以及計算時間步長，確保最終計算結果的準確性[3]。在不同工況中，潰口流量過程線也不同，瞬間潰口的尺寸越大，初始下泄的流量越大，其過程線的變化速度也較快，因此，在潰口尺寸較小的情況下，流量過程線的變化速度越慢。在上述3 種工況中，一分鐘之內潰口的下泄流量都處于快速上升狀態，并且都達到了流量最大值。其中，第三種工況流量達到頂峰之后，下泄流量的變化速度變慢，當20min 時，以上3 種工況的下泄流量分別為140.19m3、146.57m3、128.64m3。通過這一數據也能夠看出在20min 之內水庫的水量基本能夠排泄完畢。雖然以上3 種工況的下泄流量存在差異，但是水庫水量完全排泄需要的時間基本相同。

（2）潰口下游局部流態分析，在上述3 種工況的條件下流速的變化較為均勻，并且流向科學并沒有發生混亂等現象，整體上看規律性較強，并沒有出現發散的情況。其中局部流速在2～15m/s 處于正常合理的范圍。另外，水庫初始潰口越大的情況下，在一分鐘之后潰口附近出現的淹沒面積則越大，但是潰口附近的流速越小[4]。圖2 至圖4 為3 種工況條件下潰壩1min 后潰口下游局部流態。

圖3 工況2 潰壩1min 后潰口下游局部流態

圖4 工況3 潰壩1min 后潰口下游局部流態

（3）潰壩洪水淹沒水深分析，在此過程中將淹沒水深分為11 個的等級，工況不同的條件下潰壩洪水最大淹沒面積和相同水深等級中，對應淹沒面積較為相似。

（4）淹沒水深風險分析，根據《洪水風險圖編制導則》中的內容能夠看出淹沒水深在0.5m 以上屬于危險區域范圍，所以在淹沒水深風險劃分過程中，從0.5m作為最初等級，將其劃分為4 個等級進行分析，分別為0.5～1.0、1.0～2.0、2.0～3.0、＞3.0。在本次研究的工況中，模擬結果顯示最終淹沒水深的分布情況并不存在較大差異，與水庫越近的位置水深等級越高，因此其中存在的風險就越大，以工況1 為例，水深在0.5m 以上的情況下淹沒面積達到5435.82 萬m2，在總淹沒面積中的占比為81%[5]。

（5）潰壩生命損失分析，在計算潰壩生命損失的過程中使用Dekay＆McClelland 方法完成估算，其中包含潰壩洪水嚴重等級、風險人口以及報警時間等，在此基礎上建立了相應的模型：

式中：LOL——生命損失；PAR——風險人口；F——潰壩洪水嚴重程度；WT——警報時間。

生命損失程度系數直接顯示出潰壩導致的生命損失嚴重程度，系數越大則表示產生的生命損失越嚴重，根據損失嚴重程度模型，洪水臨界水深為0.3m 的情況下，工況1、2、3 中風險人口的數值分別為4356人、48432 人、48327 人，上述3 種工況中產生的風險人口數量并沒有存在較大差異，最終得到的計算結果基本相同，所以仍然將工況1 作為研究對象，對潰壩生命損失情況進行評估。在沒有預警時間的情況下，導致人員傷亡的預估人數為210 人；預警時間為1h，導致的人員傷亡人數明顯下降，因此，在預警時間為1h 的情況下能夠大幅度降傷亡人數的數量；而在預警時間為3.5h 的情況下則不會導致人員傷亡。由此能夠看出，預警時間越長導致的生命損失越少，生命損失嚴重程度系數越小[6]。

3 結語

綜上所述，利用HEC-RAS 對水庫潰壩進行模擬研究其產生的影響，確定水庫潰壩可能導致的生命損失，為預警、人員疏散以及抗洪搶險提供重要的數據信息參數，最大程度上降低水庫潰壩產生的不良影響，提高應急預案設計的準確性與科學性。HEC-RAS 在實際運用的過程中能夠有效提高水庫的安全性，促進其在當今市場環境中能夠得到持續發展。