張雅楠

（惠州市華禹水利水電工程勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣東惠州 516025）

0 引言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)水平快速提升，水庫(kù)數(shù)量已經(jīng)超過(guò)10 萬(wàn)座，雖然為人們的生活帶來(lái)了便利提條件，但是一旦水庫(kù)出現(xiàn)潰壩將會(huì)對(duì)下游人民的生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，因此，確定潰壩洪水對(duì)于水庫(kù)安全運(yùn)行來(lái)說(shuō)非常重要。當(dāng)前HEC-RAS 在其中的運(yùn)用范圍較廣，其能夠準(zhǔn)確計(jì)算出水庫(kù)供水的潰壩范圍以及洪水深度等參數(shù)，為洪水災(zāi)害的預(yù)警和控制工作提供參數(shù)以及技術(shù)支持。

1 HEC-RAS 在水庫(kù)大壩二維潰壩洪水模擬中的運(yùn)用原理

HEC-RAS 能夠完成二維非恒定河流水力計(jì)算，屬于集成軟件，該軟件中包含圖形用戶界面、水力學(xué)分析組件以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理系統(tǒng)等，其中確保能夠準(zhǔn)確計(jì)算非恒定流。水庫(kù)大壩是我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分，但是當(dāng)前其發(fā)生潰壩的概率逐漸上升，水庫(kù)一旦發(fā)生潰壩將會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的后果。HEC-RAS 最初由美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)水文工程中心研發(fā)，已經(jīng)成為當(dāng)前分析洪水模擬的主要軟件。其在實(shí)際運(yùn)用的過(guò)程中具有計(jì)算精度高的優(yōu)勢(shì)，并且免費(fèi)開(kāi)發(fā)，這也是其得到廣泛運(yùn)用的主要原因。但是當(dāng)前在國(guó)內(nèi)HEC-RAS 的運(yùn)用仍然有待提升，相關(guān)人員可以充分利用HEC-RAS 對(duì)土石壩的潰決機(jī)制進(jìn)行分析，通過(guò)模擬的方式提前預(yù)警大壩失事問(wèn)題，為抗洪搶險(xiǎn)提供信息參數(shù)，提高應(yīng)急預(yù)案制定的準(zhǔn)確性。在二維非恒定流水力計(jì)算過(guò)程中，主要采取質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒原理，利用以上定律通過(guò)偏微分方程的方式完成表達(dá)，HEC-RAS 中計(jì)算方程主要為Navier－Stokes 對(duì)二維流體的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行描述分析。這一過(guò)程中設(shè)定流動(dòng)不可壓縮，根據(jù)質(zhì)量守恒方程的非定常微分形式完成計(jì)算。

2 HEC-RAS 對(duì)水庫(kù)大壩二維潰壩洪水的影響

2.1 工程概況

本水庫(kù)的控制流域面積為64km2，總庫(kù)的容量為1385 萬(wàn)m3，工程等級(jí)為Ⅲ級(jí)，其中永久性水工建筑物的級(jí)別為3 級(jí)，洪水標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)根據(jù)100 年一遇的洪水設(shè)計(jì)，根據(jù)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(kù)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示。

表1 水庫(kù)大壩設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 建立模型

（1）初始條件。上游水庫(kù)的初始條件就是水庫(kù)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(kù)流量過(guò)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(tài)。將無(wú)滑移邊界條件作為閉邊界條件，閉邊界與外界進(jìn)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(kù)流量過(guò)程線。

圖1 P=0.05%校核洪水入庫(kù)流量過(guò)程線

（2）糙率的確定。糙率是完成洪演進(jìn)模擬計(jì)算中的關(guān)鍵參數(shù)，在對(duì)其進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程中可以使用RAS Mapper，在土地覆蓋糙率值中賦予二維網(wǎng)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(cè)以及《明渠水力學(xué)》等作為查詢對(duì)象，根據(jù)水庫(kù)的實(shí)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(jì)算

根據(jù)上述內(nèi)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(guò)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(duì)水壩主壩潰口尺寸進(jìn)行預(yù)測(cè)能夠看出，Von Thun＆Gillete 方程中預(yù)測(cè)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(xiǎn)工況[2]。水庫(kù)一旦出現(xiàn)潰壩事故，其中可能會(huì)存在各種突發(fā)問(wèn)題，例如，泄洪建筑物無(wú)法正常運(yùn)行等，增加潰壩產(chǎn)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(duì)主石壩潰口尺寸進(jìn)行預(yù)測(cè)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(jì)算概述

2.4 計(jì)算結(jié)果

（1）潰口流量過(guò)程。在計(jì)算過(guò)程中需要建HEC-RAS幾何數(shù)據(jù)模型，在水庫(kù)大壩下游二維模擬區(qū)的位置設(shè)置多節(jié)多邊形，確定糙率相關(guān)參數(shù)之后輸入庫(kù)容曲線以及大壩參數(shù)。其中，水庫(kù)邊界條件通常用入庫(kù)洪水過(guò)程線表示，二維區(qū)域中邊界條件可以用水位-流量關(guān)系圖表示。在利用差分法計(jì)算非恒定流方程過(guò)程中，要先確定初始時(shí)刻中各個(gè)斷面的水位位置以及流量，假設(shè)初始時(shí)刻為恒定風(fēng)均勻流速，利用Newton-Raphson 計(jì)算，當(dāng)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(shí)間、計(jì)算公差等參數(shù)之后，計(jì)算非恒定流，在此過(guò)程中計(jì)算單元格與計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)相互一致，控制空間以及時(shí)間的步長(zhǎng)，利用這種方式提高解決方案的有效性，在完成多次測(cè)試之后，科學(xué)選擇計(jì)算單元格尺寸以及計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)，確保最終計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性[3]。在不同工況中，潰口流量過(guò)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(guò)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(guò)程線的變化速度越慢。在上述3 種工況中，一分鐘之內(nèi)潰口的下泄流量都處于快速上升狀態(tài)，并且都達(dá)到了流量最大值。其中，第三種工況流量達(dá)到頂峰之后，下泄流量的變化速度變慢，當(dāng)20min 時(shí)，以上3 種工況的下泄流量分別為140.19m3、146.57m3、128.64m3。通過(guò)這一數(shù)據(jù)也能夠看出在20min 之內(nèi)水庫(kù)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(kù)水量完全排泄需要的時(shí)間基本相同。

（2）潰口下游局部流態(tài)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(xué)并沒(méi)有發(fā)生混亂等現(xiàn)象，整體上看規(guī)律性較強(qiáng)，并沒(méi)有出現(xiàn)發(fā)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(kù)初始潰口越大的情況下，在一分鐘之后潰口附近出現(xiàn)的淹沒(méi)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(tài)。

圖3 工況2 潰壩1min 后潰口下游局部流態(tài)

圖4 工況3 潰壩1min 后潰口下游局部流態(tài)

（3）潰壩洪水淹沒(méi)水深分析，在此過(guò)程中將淹沒(méi)水深分為11 個(gè)的等級(jí)，工況不同的條件下潰壩洪水最大淹沒(méi)面積和相同水深等級(jí)中，對(duì)應(yīng)淹沒(méi)面積較為相似。

（4）淹沒(méi)水深風(fēng)險(xiǎn)分析，根據(jù)《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制導(dǎo)則》中的內(nèi)容能夠看出淹沒(méi)水深在0.5m 以上屬于危險(xiǎn)區(qū)域范圍，所以在淹沒(méi)水深風(fēng)險(xiǎn)劃分過(guò)程中，從0.5m作為最初等級(jí)，將其劃分為4 個(gè)等級(jí)進(jìn)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(jié)果顯示最終淹沒(méi)水深的分布情況并不存在較大差異，與水庫(kù)越近的位置水深等級(jí)越高，因此其中存在的風(fēng)險(xiǎn)就越大，以工況1 為例，水深在0.5m 以上的情況下淹沒(méi)面積達(dá)到5435.82 萬(wàn)m2，在總淹沒(méi)面積中的占比為81%[5]。

（5）潰壩生命損失分析，在計(jì)算潰壩生命損失的過(guò)程中使用Dekay＆McClelland 方法完成估算，其中包含潰壩洪水嚴(yán)重等級(jí)、風(fēng)險(xiǎn)人口以及報(bào)警時(shí)間等，在此基礎(chǔ)上建立了相應(yīng)的模型：

式中：LOL——生命損失；PAR——風(fēng)險(xiǎn)人口；F——潰壩洪水嚴(yán)重程度；WT——警報(bào)時(shí)間。

生命損失程度系數(shù)直接顯示出潰壩導(dǎo)致的生命損失嚴(yán)重程度，系數(shù)越大則表示產(chǎn)生的生命損失越嚴(yán)重，根據(jù)損失嚴(yán)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(fēng)險(xiǎn)人口的數(shù)值分別為4356人、48432 人、48327 人，上述3 種工況中產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)人口數(shù)量并沒(méi)有存在較大差異，最終得到的計(jì)算結(jié)果基本相同，所以仍然將工況1 作為研究對(duì)象，對(duì)潰壩生命損失情況進(jìn)行評(píng)估。在沒(méi)有預(yù)警時(shí)間的情況下，導(dǎo)致人員傷亡的預(yù)估人數(shù)為210 人；預(yù)警時(shí)間為1h，導(dǎo)致的人員傷亡人數(shù)明顯下降，因此，在預(yù)警時(shí)間為1h 的情況下能夠大幅度降傷亡人數(shù)的數(shù)量；而在預(yù)警時(shí)間為3.5h 的情況下則不會(huì)導(dǎo)致人員傷亡。由此能夠看出，預(yù)警時(shí)間越長(zhǎng)導(dǎo)致的生命損失越少，生命損失嚴(yán)重程度系數(shù)越小[6]。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，利用HEC-RAS 對(duì)水庫(kù)潰壩進(jìn)行模擬研究其產(chǎn)生的影響，確定水庫(kù)潰壩可能導(dǎo)致的生命損失，為預(yù)警、人員疏散以及抗洪搶險(xiǎn)提供重要的數(shù)據(jù)信息參數(shù)，最大程度上降低水庫(kù)潰壩產(chǎn)生的不良影響，提高應(yīng)急預(yù)案設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性與科學(xué)性。HEC-RAS 在實(shí)際運(yùn)用的過(guò)程中能夠有效提高水庫(kù)的安全性，促進(jìn)其在當(dāng)今市場(chǎng)環(huán)境中能夠得到持續(xù)發(fā)展。