基于HEC-RAS的竹根池水庫潰壩洪水風險研究

梁 駿 董占飛

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司,湖南 長沙 410014)

水庫大壩一旦失事或者遭受到破壞,會對下游人民的生命和財產(chǎn)帶來嚴重的災難[1-3],如2018年老撾桑南內水電站潰壩,造成6600多人無家可歸,給當?shù)厣敭a(chǎn)造成了巨大的損失[4],對此,國內外眾多學者對潰壩洪水作了較多的研究。Butt等[5]利用HEC-RAS模型評估了多種洪峰下的淹沒后果;黃彬彬等[6]研究了紅旗水庫潰口流量過程、局部流態(tài)以及洪水傳播過程,并評估了造成的災害損失;陳祖煜等[7]通過DB-IWHR程序對“10·10”白格堰塞湖漫頂泄流過程進行了反演分析,找到適宜土石壩的沖刷侵蝕參數(shù);張松松等[8]采用MIKE11對大新水庫不同壩高進行了潰壩洪水演進分析研究;李政鵬等[9]采用BIM+GIS技術對前坪水庫潰壩洪水演進過程進行了洪水風險研究,并成功進行了三維成果的展示。

本文采用HEC-RAS對金沙江向家壩電站周邊的竹根池水庫進行潰壩洪水計算,得到多種方案下潰壩影響范圍及下游沿程水力特性要素,研究成果可以為竹根池水庫防洪減災提供技術支持,也可為向家壩電站避免發(fā)生水庫漫壩導致水淹廠房事件提供一定應急指導。

1 工程概況

竹根池水庫地處長江流域金沙江下游左岸一級支流老堰溝,于1976年建成,年久失修,經(jīng)復核后總庫容7.99萬m3,正常蓄水位502.5m,設計洪水位511.12m,校核洪水位511.89m,其工程等級為Ⅴ等,工程規(guī)模為小(2)型。工程擋水壩為土石壩,目前壩頂高程513.3m,最大壩高18.1m,壩頂長55m,壩頂寬3.5m。大壩上游平均邊坡為1∶1.5,邊坡不規(guī)則,浪蝕嚴重;下游壩坡中部有一寬度為6.0m的馬道,馬道以上邊坡為1∶1.5,馬道以下邊坡為1∶1.8。老堰溝兩側多為種植梯田,地形坡度較大,對向家壩電站有影響的主要為壩址下游纜機平臺道路左側的機電設備倉庫和進壩進場公路。竹根池水庫區(qū)位見圖1。

2 二維潰壩模型構建

2.1 二維求解方程

HEC-RAS模型二維水動力學的求解采用淺水方程,計算公式如下。

連續(xù)方程:

動量方程:

式中:H為水面高程,m;t為時間,s;h為水深,m;V為水流流速,m/s;q為旁側入流量,m2/s;g為重力加速度,m/s2;ν1為水平方向的運動黏度,m2/s;cf為河床底部糙率;f為科里奧利系數(shù);k為垂直方向上的單位矢量。

2.2 潰壩模型建立

2.2.1 地形處理

依據(jù)竹根池水庫周邊1∶2000地形圖,構建竹根池水庫2D地形DEM,為方便分析潰壩風險,將竹根池水庫周邊DOM影像疊加到DEM中,見圖2。

2.2.2 網(wǎng)格剖分

HEC-RAS模型采用的計算網(wǎng)格是非結構化網(wǎng)格,由于研究區(qū)域坡降較大,本次水庫下游二維主河槽采用1m×1m的網(wǎng)格,相鄰周邊網(wǎng)格采用10m×10m的網(wǎng)格。共劃分8.4萬個網(wǎng)格。

2.2.3 糙率

通過RAS Mapper軟件求解土地覆蓋中的糙率值賦值于二維網(wǎng)格,根據(jù)不同的土地覆蓋類型,從HEC-RAS二維建模用戶手冊以及《水力計算手冊》中查詢相應的糙率閾值,并通過現(xiàn)場調查確定相應的糙率值,見表1。本次所使用的土地覆蓋數(shù)據(jù)分辨率為30m×30m,來源于國家基礎地理信息中心,見圖3。

表1 不同土地類型下的n值

圖3 土地覆蓋數(shù)據(jù)

2.3 計算方案

結合竹根池水庫現(xiàn)場查勘情況以及以往的研究,分析其潛在潰壩原因及潰決路徑。依據(jù)分析的結果,對竹根池水庫潰壩計算擬定了不同潰決水位、潰決形式等計算方案,具體如下。

2.3.1 洪水漫頂情況下的潰壩

造成大壩漫頂?shù)脑蛴泻芏?如遭遇大洪水、上游大壩突然潰決、溢洪道泄流能力不足、壩頂高程不足、閘門故障無法開啟、兩岸邊坡滑塌導致涌浪等。對于竹根池水庫均質土壩而言,最大的潛在原因可能是遭遇超標準洪水,導致溢洪道短時間難以下泄,洪水漫頂,如長時間不能按照設計路徑下泄,則有可能造成大壩壩身和下游壩基被淘刷,從而發(fā)生沖毀事故[10]。

洪水漫頂工況計算選擇上游來水為校核洪水的1.2倍作為超標準洪水?？紤]到竹根池壩較小,潰口底高可選在下游馬道處和壩底,見圖4。潰口發(fā)展形式則根據(jù)HEC-RAS模型自帶的回歸方程進行自動計算,見表2。從對竹根池水庫主壩潰口尺寸的預測結果可以看出,von Thun&Gillete方程在土石壩潰口預測上得出的潰口尺寸最大,為了安全考慮,選擇此方程預測的潰口形式進行潰壩計算。

表2 池水庫潰口尺寸預測結果(底高程508.5m處)

圖4 池漫頂工況下潰口底高設置示意圖

2.3.2 滲透破壞產(chǎn)生的潰壩

在土石壩事故中,除漫頂情況產(chǎn)生潰壩情況外,滲透破壞是土石壩失事的又一重要原因[9]。竹根池水庫作為一均質土壩,最可能發(fā)生的就是壩體滲漏,浸潤線從壩坡逸出將導致壩坡濕潤或沼澤化,過高的浸潤面增加了滑坡的可能性,同時由于滲流的長期作用和氣溫及降雨的影響,壩坡土體的抗剪強度減小,局部滲透破壞,滑塌的可能性增大。根據(jù)前期竹根池水庫滲流安全評價對浸潤線的計算可確定潰決底高程為503.6m,同理,潰口的發(fā)展過程采用回歸方程進行計算。

2.3.3 超標地震產(chǎn)生的潰壩

超標準的地震是容易產(chǎn)生潰壩,由于地震的突發(fā)性強,時間短,此時擬定的潰決水位為正常蓄水位508.2m,潰決壩段選擇整個壩體,潰口底高選擇庫底高程502.5m。

綜上,本次竹根池水庫潰壩計算方案見表3。

表3 竹根池水庫潰壩計算方案

3 計算結果及影響分析

3.1 潰口處水力要素分析

對擬定的4種潰決方案采用HEC-RAS模型進行計算,由于本次計算范圍部分河段地形坡度較大,為了保證計算穩(wěn)定性,計算時間步長取0.1s。由表4可知,潰決水頭越大(堰上水位-潰口底高程),底寬越寬,潰決洪峰越大;反之,則越小。

表4 各方案下潰口水力要素成果

3.2 最大淹沒范圍

當大壩發(fā)生潰決時,潰壩洪水以單波的形式向下游傳播,對于洪水淹沒風險要素按<0.5m、0.5～1.0m、1.0～2.0m、2.0～3.0m和>3.0m等級進行劃分,見圖5。由水深分布數(shù)值可知,竹根池水庫內最大水深在3m以上,壩址下游至金沙江一帶水深大部分在3m以下,其中距離壩址下游100m、270m以及上壩公路處淹沒水深可達3m。從整個水深分布區(qū)域來看,壩址下游水深大的區(qū)域主要在老堰溝的主溝,水深沿橫向向兩岸逐漸遞減。

圖5 竹跟池水庫潰壩最大淹沒水深

3.3 動態(tài)演進分析

依據(jù)方案2最大淹沒范圍分析洪水傳播動態(tài)演進過程,見圖6。潰壩發(fā)生的時間為模擬開始后的3:09:00時刻,因此從圖6中可知,在時刻3:00:00時,尚未發(fā)生潰壩,竹根池水庫在遭遇超標洪水后,僅由自身的溢洪道和泄水洞進行緊急排水,因此下游淹沒范圍較小;在3:12:00時刻,已經(jīng)發(fā)生潰壩3min,可以明顯看到下游淹沒范圍在逐漸擴大;在3:20:00時刻,下游淹沒范圍在進一步擴大,此刻由于潰壩,水庫的水大量下泄,因此竹根池水庫水位在急劇減小;在3:30:00時刻,竹根池水庫的水量基本上泄空,壩址下游淹沒范圍較上一時刻迅速減小,在后續(xù)時間內,庫水位及下游淹沒范圍會繼續(xù)緩慢降低和減小。

圖6 竹根池水庫淹沒范圍動態(tài)演進(一)

3.4 重點部位水位過程變化分析

分別對可能影響向家壩電站的公路區(qū)域進行標號,影響區(qū)域依次為:①纜機平臺道路影響點;②左岸出渣道路影響點;③左岸上壩道路影響點;④左岸進廠道路影響點。從水深-時間變化曲線圖(見圖7)可知,在潰壩洪水傳播到四個影響點后,水深都有一個明顯的急速增加過程,然后迅速回落,淹沒歷時較短,影響水深急速變化的主要是地形因素,這些區(qū)域坡度較大,潰壩產(chǎn)生的洪峰在此坡度的地形中傳播一閃而過。纜機平臺道路點的最大水深約1.1m,左岸出渣道路點的最大水深約0.6m,左岸上壩道路點的水深約0.16m,左岸進廠道路點的最大水深約1.3m。

圖7 進場交通洞水深-時間變化曲線

4 結 語

本文采用HEC-RAS模型對向家壩電站周邊的竹根池水庫進行了二維潰壩水動力模擬計算,得到壩址下游沿程的洪峰流量、水位、流速以及重點關注影響區(qū)域情況,研究成果可為向家壩電站以及竹根池水庫大壩安全管理應急預案、水庫防洪搶險應急預案及防洪減災提供技術支持,有力保障地方及電廠防汛安全。