基于HEC-RAS的百花灘水電站潰壩洪水演進(jìn)過程及影響分析

蔣林杰，付成華，程馨玉，劉 健

(西華大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，四川 成都 610039)

水庫大壩潰壩的發(fā)生和潰壩洪水的形成屬于非正常和難以預(yù)測的事件，大壩一旦失事或者遭到破壞，產(chǎn)生的洪水會給下游帶來災(zāi)難性損失，并對下游生態(tài)和環(huán)境造成不良影響。如1975年河南板橋、石漫灘水庫漫頂垮壩，超過2.6萬人死亡；1955年法國馬耳巴賽拱壩潰決，造成了近7 000萬美元的經(jīng)濟(jì)損失及400多人的重大傷亡；1976年美國提堂水庫右岸壩肩滲漏后潰壩，經(jīng)濟(jì)損失約4億美元，是工程總造價的4.7倍[1]；2018年老撾南部阿速坡省桑片-桑南內(nèi)水電站發(fā)生潰壩事故，導(dǎo)致6 600多人流離失所，5個村被洪水淹沒，給當(dāng)?shù)厝嗣竦纳拓敭a(chǎn)造成了巨大的損失[2]。國內(nèi)外許多學(xué)者做了大量的洪水潰壩模擬工作。陳祖煜等[3]通過DB-IWHR潰壩洪水分析程序和GST洪水演進(jìn)模型，采用不同沖刷侵蝕參數(shù)對“10·10”白格堰塞湖漫頂自然泄流過程進(jìn)行了反演分析。楊峰等[4]運(yùn)用高精度二維淺水動力學(xué)模型模擬洪水在下游河道的演進(jìn)過程。丁燦、賀娟等[5-6]利用HEC-RAS模擬多種工況組合下主壩潰決后洪水在下游的演進(jìn)過程,并通過ArcGIS實(shí)現(xiàn)結(jié)果可視化。BUTT M J等[7]利用HEC-RAS模型來估計不同高峰流量情況下的潰壩災(zāi)害，并提出結(jié)論和建議。XIONG Y[8]從理論和模型兩個方面對大壩的潰決進(jìn)行了描述，然后使用HEC-RAS進(jìn)行水壩潰決分析。AZEEZ O等[9]利用HEC-RAS 2D對城市化的干旱地區(qū)Um Al-Khair大壩進(jìn)行潰壩分析和洪水模擬。

百花灘水電站位于青衣江干流洪雅縣止戈鎮(zhèn)，是青衣江干流梯級開發(fā)的第九級電站(圖1)。水庫校核洪水位484.50 m(Q0.2%=20 600 m3/s)，設(shè)計洪水位482.92 m(Q2%=16 000 m3/s)，正常蓄水位483.50 m，汛期限制水位(死水位)482.50 m，正常蓄水位以下庫容2 127萬m3，調(diào)節(jié)庫容340萬m3，總庫容2 618萬m3，為日調(diào)節(jié)水庫。電站距洪雅縣城12 km，上游與高鳳山電站銜接。壩址下游與城東電站相連，主要人口聚集點(diǎn)有史華村、安寧村、止戈鎮(zhèn)，主要交通干線為S305省道和S40遂洪高速。本文利用HEC-RAS進(jìn)行百花灘閘壩潰壩洪水計算，結(jié)合ArcGIS實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)果可視化，預(yù)測分析潰壩后洪水演進(jìn)過程和影響程度，以便采取合理的應(yīng)對措施，為下游防洪措施和應(yīng)急管理提供科學(xué)依據(jù)。

圖1 百花灘水電站地理位置

1 潰壩計算方案

結(jié)合已有研究和電站實(shí)際，潰壩原因主要有：超標(biāo)準(zhǔn)洪水、閘門啟閉異常、上游大壩失事、遭遇地震、人為破壞(戰(zhàn)爭、恐怖襲擊)等。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)百花灘電站的運(yùn)行方式和閘壩高度、材料、施工質(zhì)量等因素，潰壩形式按全潰和局潰考慮，潰口底高程取閘底高程470 m，潰決歷時取0.1 h。綜合考慮水庫水位和潰口寬度，組合擬定9種潰壩方案(表1)。

表1 潰壩洪水計算方案

2 潰壩數(shù)值模擬計算

2.1 計算原理及流程

潰壩下游洪水演算主要是推算出水庫下游各斷面的洪水過程線、最大流量、最高水位、波谷及波峰的到達(dá)時間等特征數(shù)據(jù)。目前流行的洪水?dāng)?shù)值模擬軟件HEC-RAS為美國工程水文中心開發(fā)的免費(fèi)河道水力計算軟件[10]，界面簡潔，操作方便，易于建模[11]。HEC-RAS的非恒定流模塊基于連續(xù)方程和動量方程，采用preissman 四點(diǎn)隱式差分法進(jìn)行離散求解。

連續(xù)性方程：

(1)

動量方程：

(2)

式中x——計算河道長度，m；Q——潰壩流量，m3/s；Z——水位，m；g——重力加速度，m/s2；t——時間，s；ql——單位距離的側(cè)向流量，m2/s；若無支流匯入或流出，ql=0；A——河道過水?dāng)嗝婷娣e，m2；R——斷面水力半徑，m；β——動能修正系數(shù)，這里取1；n——糙率系數(shù)。

本文利用ArcGIS 軟件在30 m 精度DEM 模型上快速提取下游河道和所受威脅地區(qū)的地理數(shù)據(jù)，然后通過HEC-GeoRAS 軟件將有關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入HEC-RAS 中進(jìn)行洪水演進(jìn)計算[12-14]，再利用后處理軟件HEC-DSSVue驗證數(shù)值模擬的合理性，最終通過ArcGIS直觀展示淹沒風(fēng)險影響范圍，具體計算步驟如下[10,15]。

a)利用ArcGIS和DEM數(shù)字高程圖提取研究區(qū)域的地形數(shù)據(jù)。

b)根據(jù)Google地球、樞紐區(qū)1∶1 000地形圖、K0+100斷面圖及現(xiàn)場踏勘，對DEM形成的地形圖和典型斷面圖進(jìn)行校核修正。

c)在HEC-RAS中建立河網(wǎng)文件，設(shè)定邊界條件和起始條件，將斷面數(shù)據(jù)、流量過程、河段糙率等直接導(dǎo)入HEC-RAS中進(jìn)行模擬分析。

2.2 計算范圍及計算條件

a)計算河道范圍取至壩址以下14.5 km處，共布設(shè)30個控制斷面，斷面間距為500 m(圖2)，K0+500河道橫斷面見圖3。

b)糙率取值：選取樁號k2+500至k3+500的順直微彎河段作為模型率定河段。結(jié)果表明，河段綜合糙率0.025～0.035，尾水渠糙率渠身段比降1/8 000，糙率0.015。

c)初始條件為各種計算方案下潰壩前沿程流量和水位，不同頻率洪水過程根據(jù)2019年8月22日至8月23日典型洪水進(jìn)行同倍比推求，上游邊界條件為不同方案下潰口的流量過程，下游邊界條件計算范圍出口斷面水位流量關(guān)系。

圖2 下游斷面位置分布

圖3 K0+500河道橫斷面

2.3 計算結(jié)果

2.3.1潰口最大流量

校核洪水全潰方案下潰口最大洪峰流量最大，為21 800 m3/s，相當(dāng)于校核洪水來流量20 600 m3/s 的1.06倍；5年一遇洪水1/3潰壩方案下最大洪峰流量為8 600 m3/s，略大于百花灘壩址2年一遇洪水流量8 080 m3/s(圖4)。

圖4 F1—F9方案潰口最大流量

2.3.2洪水演進(jìn)規(guī)律

由F1方案下游沿程水面線圖5可見：隨著河床底部高程變化，壩下游沿程各個斷面最高洪水位均呈現(xiàn)減小趨勢；水位流量過程沿程逐漸下降，未出現(xiàn)震蕩，說明沒有負(fù)波產(chǎn)生，符合非恒定流能量變化規(guī)律。

圖5 F1方案下游沿程水面線

不同潰壩方案下，潰口處最大洪峰流量最大，隨后逐漸減小且衰減幅度逐漸減??；同一斷面最大洪峰流量隨著入庫洪水減小而減小，隨著潰口寬度減小而減小。F1、F2、F3、F6、F9方案下14.5 km處最大洪峰流量依次約為潰口最大洪峰流量的92%、91%、48%、67%、91%，下游河道流量與潰口流量之比是合理的。

圖6 代表方案沿程各斷面最大洪峰流量

不同潰壩方案下，潰口處洪水位最大，沿程逐漸減小。隨著潰口流量在下游的衰減和河床底部高程變化，壩下游沿程各個斷面最高洪水位均呈現(xiàn)減小趨勢，平均比降約為0.18%，減小幅度隨著距壩距離的增加而減小(圖7)。

圖7 代表方案下各斷面最高洪水位

從洪水演進(jìn)過程風(fēng)險圖可以看出：隨著潰壩時間和入庫流量變化，洪水淹沒范圍會經(jīng)歷從小到大再變小的過程，即水面寬度先從窄變寬再變窄，符合洪水演進(jìn)過程變化規(guī)律(圖8)。

a)潰壩初期

b)潰壩4 h

c)潰壩10 h

d)潰壩16 h圖8 F1方案下游洪水演進(jìn)過程

利用后處理軟件HEC-DSSVue分析得到潰壩下游洪水各時段各斷面流量、水位關(guān)系曲線以及洪水波峰波谷到達(dá)下游斷面的時間(圖9)，K1+000～K11+500斷面洪峰在潰壩后10 h到達(dá)，K11+500斷面洪峰在11 h左右到達(dá)， K0+000～K11+500斷面處波谷持續(xù)時間為16 h，這與實(shí)測洪水過程吻合(2019年8月22日11:00—8月23日3:00)；潰壩初期壩址處潰壩流量、水位分別為21 800 m3/s、485.01 m，隨著河床底部高程變化，水位沿程逐漸降低至459.21 m；隨著上游不斷來水，沿程各斷面流量變化不大。

圖9 各斷面水位、流量關(guān)系曲線

3 潰壩洪水影響分析

3.1 F1方案下游斷面洪水信息

考慮上游來水，洪水歷時16 h，但相對于潰壩開始各斷面最大洪峰到達(dá)時間較短。由表2可知：F1潰壩方案下，全河段最大流量為21 800 m3/s，為校核流量20 600 m3/s的1.1倍；最大洪峰將于32 min后到達(dá)S40遂洪高速，最大流量20 200 m3/s；洪雅縣城河段(CS20-CS25)最大水面寬度在1 400～1 600 m，洪峰出現(xiàn)時間約40 min，最高洪水位468 m，會產(chǎn)生一定程度的淹沒影響；受入庫洪水的持續(xù)影響，最大流量由壩址處21 800 m3/s至下游14.5 km處20 100 m3/s，變化不大。

表2 F1方案下游洪水信息

3.2對下游沿岸村鎮(zhèn)影響

通過HEC-GeoRAS插件將HEC-RAS計算結(jié)果加載到ArcGIS中形成洪水影響風(fēng)險圖進(jìn)行直觀展示(圖10)，分析得出淹沒區(qū)范圍及受影響人口，壩址下游左右兩岸主要影響區(qū)域峰現(xiàn)時間及轉(zhuǎn)移地點(diǎn)見表3。

圖10 F1方案下潰壩洪水局部風(fēng)險

表3 F1方案下游主要影響區(qū)域最高洪水位、峰現(xiàn)時間及轉(zhuǎn)移地點(diǎn)

從上圖可以看出，F(xiàn)1潰壩方案下洪水演進(jìn)過程中除了對兩岸的河谷林地造成淹沒外，還涉及到部分低洼地帶的村莊民房建筑，主要集中在壩址下游左岸500～1 000 m和2 000～2 800 m的郭余社、史華村和右岸菜園子，左岸兩處的最大流量分別達(dá)到20 500、20 400 m3/s，造成的淹沒范圍約為5.3×104、7.3×104m2，淹沒范圍內(nèi)的平均水深約為0.8、0.65 m；且洪水到達(dá)郭余社、史華村、菜園子、安寧村的峰現(xiàn)時間比較快，轉(zhuǎn)移時間緊迫，更容易受到潰壩洪水危害。

3.3 對下游主要工程設(shè)施影響

S40遂洪高速位于百花灘電站下游8 km處，F(xiàn)1方案下潰壩洪水32.8 min到達(dá)，最高洪水位470.23 m，最大洪峰流量20 200 m3/s，有一定的沖刷影響。下游右岸2 000 m長的城市道路以及靠近河岸50 m范圍內(nèi)的部分城市建筑也將遭到淹沒。

瓦屋山大道、洪州大橋和青衣江大橋分別位于S40遂洪高速下游 1、2、3 km處，F(xiàn)1方案下洪峰到達(dá)時間分別為35.2、43.1、45.8 min，最大洪峰流量分別為20 200、20 100和20 100 m3/s，會產(chǎn)生一定的沖刷影響，但最高洪水位均低于橋面底部高程。

4 結(jié)語

根據(jù)電站實(shí)際擬定了9種潰壩分析方案，利用HEC-RAS進(jìn)行潰壩洪水演進(jìn)計算，從下游斷面洪峰流量、洪水到達(dá)時間、最高水位和最大水面寬度等方面分析洪水演進(jìn)過程，最后結(jié)合ArcGIS快速直觀地反映洪水風(fēng)險影響范圍。雖然地形及洪水過程概化與實(shí)際會存在一定的誤差， 但計算方案和計算結(jié)果能反映閘壩潰壩后洪水演進(jìn)規(guī)律，對于電站防洪應(yīng)急管理和預(yù)案編制提供理論依據(jù)，有利于保障地方防洪安全。