基于HEC-RAS的百花滩水电站溃坝洪水演进过程及影响分析

蒋林杰，付成华，程馨玉，刘 健

(西华大学能源与动力工程学院，四川 成都 610039)

水库大坝溃坝的发生和溃坝洪水的形成属于非正常和难以预测的事件，大坝一旦失事或者遭到破坏，产生的洪水会给下游带来灾难性损失，并对下游生态和环境造成不良影响。如1975年河南板桥、石漫滩水库漫顶垮坝，超过2.6万人死亡；1955年法国马耳巴赛拱坝溃决，造成了近7 000万美元的经济损失及400多人的重大伤亡；1976年美国提堂水库右岸坝肩渗漏后溃坝，经济损失约4亿美元，是工程总造价的4.7倍[1]；2018年老挝南部阿速坡省桑片-桑南内水电站发生溃坝事故，导致6 600多人流离失所，5个村被洪水淹没，给当地人民的生命和财产造成了巨大的损失[2]。国内外许多学者做了大量的洪水溃坝模拟工作。陈祖煜等[3]通过DB-IWHR溃坝洪水分析程序和GST洪水演进模型，采用不同冲刷侵蚀参数对“10·10”白格堰塞湖漫顶自然泄流过程进行了反演分析。杨峰等[4]运用高精度二维浅水动力学模型模拟洪水在下游河道的演进过程。丁灿、贺娟等[5-6]利用HEC-RAS模拟多种工况组合下主坝溃决后洪水在下游的演进过程,并通过ArcGIS实现结果可视化。BUTT M J等[7]利用HEC-RAS模型来估计不同高峰流量情况下的溃坝灾害，并提出结论和建议。XIONG Y[8]从理论和模型两个方面对大坝的溃决进行了描述，然后使用HEC-RAS进行水坝溃决分析。AZEEZ O等[9]利用HEC-RAS 2D对城市化的干旱地区Um Al-Khair大坝进行溃坝分析和洪水模拟。

百花滩水电站位于青衣江干流洪雅县止戈镇，是青衣江干流梯级开发的第九级电站(图1)。水库校核洪水位484.50 m(Q0.2%=20 600 m3/s)，设计洪水位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，正常蓄水位以下库容2 127万m3，调节库容340万m3，总库容2 618万m3，为日调节水库。电站距洪雅县城12 km，上游与高凤山电站衔接。坝址下游与城东电站相连，主要人口聚集点有史华村、安宁村、止戈镇，主要交通干线为S305省道和S40遂洪高速。本文利用HEC-RAS进行百花滩闸坝溃坝洪水计算，结合ArcGIS实现数据结果可视化，预测分析溃坝后洪水演进过程和影响程度，以便采取合理的应对措施，为下游防洪措施和应急管理提供科学依据。

图1 百花滩水电站地理位置

1 溃坝计算方案

结合已有研究和电站实际，溃坝原因主要有：超标准洪水、闸门启闭异常、上游大坝失事、遭遇地震、人为破坏(战争、恐怖袭击)等。在此基础上，根据百花滩电站的运行方式和闸坝高度、材料、施工质量等因素，溃坝形式按全溃和局溃考虑，溃口底高程取闸底高程470 m，溃决历时取0.1 h。综合考虑水库水位和溃口宽度，组合拟定9种溃坝方案(表1)。

表1 溃坝洪水计算方案

2 溃坝数值模拟计算

2.1 计算原理及流程

溃坝下游洪水演算主要是推算出水库下游各断面的洪水过程线、最大流量、最高水位、波谷及波峰的到达时间等特征数据。目前流行的洪水数值模拟软件HEC-RAS为美国工程水文中心开发的免费河道水力计算软件[10]，界面简洁，操作方便，易于建模[11]。HEC-RAS的非恒定流模块基于连续方程和动量方程，采用preissman 四点隐式差分法进行离散求解。

连续性方程：

(1)

动量方程：

(2)

式中x——计算河道长度，m；Q——溃坝流量，m3/s；Z——水位，m；g——重力加速度，m/s2；t——时间，s；ql——单位距离的侧向流量，m2/s；若无支流汇入或流出，ql=0；A——河道过水断面面积，m2；R——断面水力半径，m；β——动能修正系数，这里取1；n——糙率系数。

本文利用ArcGIS 软件在30 m 精度DEM 模型上快速提取下游河道和所受威胁地区的地理数据，然后通过HEC-GeoRAS 软件将有关数据导入HEC-RAS 中进行洪水演进计算[12-14]，再利用后处理软件HEC-DSSVue验证数值模拟的合理性，最终通过ArcGIS直观展示淹没风险影响范围，具体计算步骤如下[10,15]。

a)利用ArcGIS和DEM数字高程图提取研究区域的地形数据。

b)根据Google地球、枢纽区1∶1 000地形图、K0+100断面图及现场踏勘，对DEM形成的地形图和典型断面图进行校核修正。

c)在HEC-RAS中建立河网文件，设定边界条件和起始条件，将断面数据、流量过程、河段糙率等直接导入HEC-RAS中进行模拟分析。

2.2 计算范围及计算条件

a)计算河道范围取至坝址以下14.5 km处，共布设30个控制断面，断面间距为500 m(图2)，K0+500河道横断面见图3。

b)糙率取值：选取桩号k2+500至k3+500的顺直微弯河段作为模型率定河段。结果表明，河段综合糙率0.025～0.035，尾水渠糙率渠身段比降1/8 000，糙率0.015。

c)初始条件为各种计算方案下溃坝前沿程流量和水位，不同频率洪水过程根据2019年8月22日至8月23日典型洪水进行同倍比推求，上游边界条件为不同方案下溃口的流量过程，下游边界条件计算范围出口断面水位流量关系。

图2 下游断面位置分布

图3 K0+500河道横断面

2.3 计算结果

2.3.1溃口最大流量

校核洪水全溃方案下溃口最大洪峰流量最大，为21 800 m3/s，相当于校核洪水来流量20 600 m3/s 的1.06倍；5年一遇洪水1/3溃坝方案下最大洪峰流量为8 600 m3/s，略大于百花滩坝址2年一遇洪水流量8 080 m3/s(图4)。

图4 F1—F9方案溃口最大流量

2.3.2洪水演进规律

由F1方案下游沿程水面线图5可见：随着河床底部高程变化，坝下游沿程各个断面最高洪水位均呈现减小趋势；水位流量过程沿程逐渐下降，未出现震荡，说明没有负波产生，符合非恒定流能量变化规律。

图5 F1方案下游沿程水面线

不同溃坝方案下，溃口处最大洪峰流量最大，随后逐渐减小且衰减幅度逐渐减小；同一断面最大洪峰流量随着入库洪水减小而减小，随着溃口宽度减小而减小。F1、F2、F3、F6、F9方案下14.5 km处最大洪峰流量依次约为溃口最大洪峰流量的92%、91%、48%、67%、91%，下游河道流量与溃口流量之比是合理的。

图6 代表方案沿程各断面最大洪峰流量

不同溃坝方案下，溃口处洪水位最大，沿程逐渐减小。随着溃口流量在下游的衰减和河床底部高程变化，坝下游沿程各个断面最高洪水位均呈现减小趋势，平均比降约为0.18%，减小幅度随着距坝距离的增加而减小(图7)。

图7 代表方案下各断面最高洪水位

从洪水演进过程风险图可以看出：随着溃坝时间和入库流量变化，洪水淹没范围会经历从小到大再变小的过程，即水面宽度先从窄变宽再变窄，符合洪水演进过程变化规律(图8)。

a)溃坝初期

b)溃坝4 h

c)溃坝10 h

d)溃坝16 h图8 F1方案下游洪水演进过程

利用后处理软件HEC-DSSVue分析得到溃坝下游洪水各时段各断面流量、水位关系曲线以及洪水波峰波谷到达下游断面的时间(图9)，K1+000～K11+500断面洪峰在溃坝后10 h到达，K11+500断面洪峰在11 h左右到达， K0+000～K11+500断面处波谷持续时间为16 h，这与实测洪水过程吻合(2019年8月22日11:00—8月23日3:00)；溃坝初期坝址处溃坝流量、水位分别为21 800 m3/s、485.01 m，随着河床底部高程变化，水位沿程逐渐降低至459.21 m；随着上游不断来水，沿程各断面流量变化不大。

图9 各断面水位、流量关系曲线

3 溃坝洪水影响分析

3.1 F1方案下游断面洪水信息

考虑上游来水，洪水历时16 h，但相对于溃坝开始各断面最大洪峰到达时间较短。由表2可知：F1溃坝方案下，全河段最大流量为21 800 m3/s，为校核流量20 600 m3/s的1.1倍；最大洪峰将于32 min后到达S40遂洪高速，最大流量20 200 m3/s；洪雅县城河段(CS20-CS25)最大水面宽度在1 400～1 600 m，洪峰出现时间约40 min，最高洪水位468 m，会产生一定程度的淹没影响；受入库洪水的持续影响，最大流量由坝址处21 800 m3/s至下游14.5 km处20 100 m3/s，变化不大。

表2 F1方案下游洪水信息

3.2对下游沿岸村镇影响

通过HEC-GeoRAS插件将HEC-RAS计算结果加载到ArcGIS中形成洪水影响风险图进行直观展示(图10)，分析得出淹没区范围及受影响人口，坝址下游左右两岸主要影响区域峰现时间及转移地点见表3。

图10 F1方案下溃坝洪水局部风险

表3 F1方案下游主要影响区域最高洪水位、峰现时间及转移地点

从上图可以看出，F1溃坝方案下洪水演进过程中除了对两岸的河谷林地造成淹没外，还涉及到部分低洼地带的村庄民房建筑，主要集中在坝址下游左岸500～1 000 m和2 000～2 800 m的郭余社、史华村和右岸菜园子，左岸两处的最大流量分别达到20 500、20 400 m3/s，造成的淹没范围约为5.3×104、7.3×104m2，淹没范围内的平均水深约为0.8、0.65 m；且洪水到达郭余社、史华村、菜园子、安宁村的峰现时间比较快，转移时间紧迫，更容易受到溃坝洪水危害。

3.3 对下游主要工程设施影响

S40遂洪高速位于百花滩电站下游8 km处，F1方案下溃坝洪水32.8 min到达，最高洪水位470.23 m，最大洪峰流量20 200 m3/s，有一定的冲刷影响。下游右岸2 000 m长的城市道路以及靠近河岸50 m范围内的部分城市建筑也将遭到淹没。

瓦屋山大道、洪州大桥和青衣江大桥分别位于S40遂洪高速下游 1、2、3 km处，F1方案下洪峰到达时间分别为35.2、43.1、45.8 min，最大洪峰流量分别为20 200、20 100和20 100 m3/s，会产生一定的冲刷影响，但最高洪水位均低于桥面底部高程。

4 结语

根据电站实际拟定了9种溃坝分析方案，利用HEC-RAS进行溃坝洪水演进计算，从下游断面洪峰流量、洪水到达时间、最高水位和最大水面宽度等方面分析洪水演进过程，最后结合ArcGIS快速直观地反映洪水风险影响范围。虽然地形及洪水过程概化与实际会存在一定的误差， 但计算方案和计算结果能反映闸坝溃坝后洪水演进规律，对于电站防洪应急管理和预案编制提供理论依据，有利于保障地方防洪安全。