張雅楠

（惠州市華禹水利水電工程勘測設(shè)計有限公司，廣東惠州 516025）

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)水平快速提升，水庫數(shù)量已經(jīng)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(xiàn)潰壩將會對下游人民的生命財產(chǎn)安全產(chǎn)生嚴(yán)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(dāng)前HEC-RAS 在其中的運用范圍較廣，其能夠準(zhǔn)確計算出水庫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(xué)分析組件以及數(shù)據(jù)存儲管理系統(tǒng)等，其中確保能夠準(zhǔn)確計算非恒定流。水庫大壩是我國基礎(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，水庫一旦發(fā)生潰壩將會產(chǎn)生非常嚴(yán)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(fā)，已經(jīng)成為當(dāng)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(yōu)勢，并且免費開發(fā)，這也是其得到廣泛運用的主要原因。但是當(dāng)前在國內(nèi)HEC-RAS 的運用仍然有待提升，相關(guān)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(yù)警大壩失事問題，為抗洪搶險提供信息參數(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算過程中，主要采取質(zhì)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(shè)定流動不可壓縮，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(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計根據(jù)100 年一遇的洪水設(shè)計，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，水庫設(shè)計參數(shù)如表1 所示。

表1 水庫大壩設(shè)計參數(shù)

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(tài)。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(guān)鍵參數(shù)，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(wǎng)格，土地覆蓋類型不同，確定糙率范圍，將HEC-RAS 二維建模用戶手冊以及《明渠水力學(xué)》等作為查詢對象，根據(jù)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(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(yù)測能夠看出，Von Thun＆Gillete 方程中預(yù)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(xiàn)潰壩事故，其中可能會存在各種突發(fā)問題，例如，泄洪建筑物無法正常運行等，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，并對主石壩潰口尺寸進行預(yù)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(jié)果

（1）潰口流量過程。在計算過程中需要建HEC-RAS幾何數(shù)據(jù)模型，在水庫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)之后輸入庫容曲線以及大壩參數(shù)。其中，水庫邊界條件通常用入庫洪水過程線表示，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(shè)初始時刻為恒定風(fēng)均勻流速，利用Newton-Raphson 計算，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間、計算公差等參數(shù)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(xué)選擇計算單元格尺寸以及計算時間步長，確保最終計算結(jié)果的準(zhǔn)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(nèi)潰口的下泄流量都處于快速上升狀態(tài)，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(dāng)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(shù)據(jù)也能夠看出在20min 之內(nèi)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(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)并沒有發(fā)生混亂等現(xiàn)象，整體上看規(guī)律性較強，并沒有出現(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(yīng)淹沒面積較為相似。

（4）淹沒水深風(fēng)險分析，根據(jù)《洪水風(fēng)險圖編制導(dǎo)則》中的內(nèi)容能夠看出淹沒水深在0.5m 以上屬于危險區(qū)域范圍，所以在淹沒水深風(fēng)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(jié)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(fēng)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(yán)重等級、風(fēng)險人口以及報警時間等，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)險人口；F——潰壩洪水嚴(yán)重程度；WT——警報時間。

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)險人口數(shù)量并沒有存在較大差異，最終得到的計算結(jié)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(yù)警時間的情況下，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)警時間為3.5h 的情況下則不會導(dǎo)致人員傷亡。由此能夠看出，預(yù)警時間越長導(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

綜上所述，利用HEC-RAS 對水庫潰壩進行模擬研究其產(chǎn)生的影響，確定水庫潰壩可能導(dǎo)致的生命損失，為預(yù)警、人員疏散以及抗洪搶險提供重要的數(shù)據(jù)信息參數(shù)，最大程度上降低水庫潰壩產(chǎn)生的不良影響，提高應(yīng)急預(yù)案設(shè)計的準(zhǔn)確性與科學(xué)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(dāng)今市場環(huán)境中能夠得到持續(xù)發(fā)展。