门楼水库溃坝洪水淹没影响分析

郑言峰，官庆朔，卢 岳，刘国臻

(青岛市水利勘测设计研究院有限公司，山东 济南 250013)

水库溃坝问题日益突出，已成为我国水库大坝安全管理的难点和薄弱环节[1]。水库溃坝洪水及其演进分析是编制水库大坝安全管理应急预案的基础，是水库大坝发生突发性安全事故时科学应对，避免或减少人员伤亡和财产损失的重要非工程措施[2]。本文对烟台市门楼水库溃坝形式进行了分析，计算了门楼水库大坝溃口长度、溃坝最大流量、决口处水深及流速等，采用MIKE 21建立了二维水动力模型[3-4]，模拟了溃坝洪水下游演进过程、最大淹没水深分布、最大流速分布及淹没时间分布，为门楼水库超标洪水防御预案的制定提供有力的数据支撑。

1 工程概况

门楼水库坐落于烟台市福山区门楼镇，位于大沽夹河西支流内夹河(又名清洋河)下游，距福山城区11 km，坝址以上流域面积1 079 km2。门楼水库于1958年11月动工修建，1960年10月底竣工，是一座兼有防洪、城市供水、养殖等综合利用的大(2)型水库。工程设计标准为100 a一遇，校核标准为10 000 a一遇，水库总库容2.44亿m3，兴利库容1.264亿m3。

2 溃坝分析

门楼水库大坝为黏土心墙砂壳坝，坝顶总长1 440 m，坝顶高程37.10 m，最大坝高23.22 m。该坝型溃坝原因主要是洪水漫顶和基础管涌、渗漏，由于引起溃坝的水流冲击能力极强，从决口开始时刻到基本形成稳定的溃决断面时，整个时间过程非常短暂，为安全考虑可按瞬时溃坝处理。根据《水力计算手册》(第2版)[5]，确定门楼水库溃坝形式为大坝瞬时部分溃场合中的大坝瞬时横向局部一溃到底场合，相应计算公式如下。

2.1 溃坝决口长度

采用黄河水利委员会水利科学研究院设计资料分析得到的计算公式：

b=k(W1/2B1/2H)1/2。

其中，b为溃坝决口平均宽度，m；k为与坝体土质有关的系数；W为溃坝时蓄水量，万m3；B为溃坝时坝顶长度，m；H为溃坝时坝前水深，m。

经计算，溃坝决口平均宽度为230 m。

2.2 溃坝最大流量

按照大坝瞬时横向局部一溃到底场合进行计算，采用公式：

其中，B为大坝总长，m；b为溃坝决口平均宽度，m；g为重力加速度，g=9.81 m/s。

经计算，溃坝最大流量为32 739 m3/s。

2.3 决口处水深

决口处水深按照下式进行计算：

2.3 PITC实施前后主要科室相关指标比较 2016年3家医院的皮肤性病科、内科、妇产科提供HIV抗体检测服务的比例均高于2012年，差异有统计学意义（χ2皮肤性病科=22.34，P皮肤性病科＜0.01，χ2内科=37.55，P内科＜0.01，χ2妇产科=18.96，P妇产科＜0.01）。皮肤性病科HIV抗体检测阳性率较高，2012年和2016年分别为0.97%和0.73%。内科、外科、妇产科检测阳性率较低，见表2。

式中各参数同前，经计算，决口处水深18.9 m。

2.4 决口处流速

决口处流速按照下式进行计算：

式中各参数同前，经计算，决口处流速为7.5 m/s。

2.5 坝址流量过程线

采用四次抛物线概化坝址处溃坝流量过程，如图1，表1所示。

表1 门楼水库瞬时溃坝流量过程

3 淹没影响分析

3.1 计算方法

根据门楼水库溃坝洪水可能影响区域的地形特点，选择水动力模型进行水库下游淹没分析计算。考虑到洪水在保护区演进时，水面宽度远大于水深，流速沿水深方向变化不大，本次采用沿垂向平均的平面二维水流数学模型MIKE 21进行模拟。采用有限体积法(又称控制体积法)进行数值计算，其基本思路是将计算区域划分为一系列不重复的控制体积，并使每个网格点周围有一个控制体积；将待解的微分方程对每一个控制体积积分，便得出一组离散方程，其中的未知数是网格点上的因变量的数值。

3.2 模型设置

1)计算范围。根据水库下游地形，考虑到溃坝洪水可能的淹没范围，本次模型范围如下：北侧以海岸线为界，南侧以门楼水库主坝、分水岭为界，西侧、东侧以100 m等高线、分水岭为界。南北向长度约18.6 km，东西向宽度约12.8 km，模拟区域总面积243.7 km2(见图2)。

3)地形插值。在地形图中提取高程散点286.3万个，生成模拟区域mesh文件(见图4)。

4)边界条件。选择门楼水库溃坝洪水过程作为上游边界，选择外夹河入海口潮水位作为下游边界。

5)糙率设置。本次采用分区糙率，对计算区域内的居民地、道路、耕地、河流等地物设置不同的糙率，以反映保护区下垫面对洪水演进的影响(见图5)。

3.3 淹没分析

根据门楼水库溃坝流量及下游外夹河入海口潮水位边界条件，模拟计算下游淹没影响情况(见图6)。根据MIKE 21模拟计算成果，门楼水库溃坝下游影响范围81.7 km2，涉及福山区、烟台经济技术开发区和芝罘区，是烟台市重要的政治经济文化中心，同时也是烟台市重要的工矿企业聚集区。

当门楼水库发生溃坝[6]时，下游淹没影响范围包括福山区的门楼镇、东厅街道办事处、清洋街道办事处、福新街道办事处、产业区，开发区的福莱山街道办事处，芝罘区的只楚街道办事处、幸福街道办事处、凤凰台街道办事处等，共计55万人左右。

根据门楼水库溃坝洪水下游演进过程可以看出，当溃坝发生3 h时，洪水基本淹没了福山区的主要街道；当溃坝发生6 h时，洪水淹没范围达到最大；当溃坝发生12 h以后，洪水开始逐渐消退。由图7可知，溃坝后，下游河道内最大淹没水深达到6.0 m以上；自门楼水库大坝至福山汽车站之间的内夹河两岸最大淹没水深大多在4.0 m～6.0 m之间；福山汽车站至入海口之间的城区段最大淹没水深大多在1.0 m～2.5 m之间，部分低洼地带水深达到4.0 m～5.0 m。内夹河河道内最大流速达到3.0 m/s以上；受房屋等建筑物阻挡，福山汽车站至入海口之间的城区段最大流速大多在0.5 m～1.0 m之间。溃坝后，福山区大约有1/3的地区淹没时间在2.5 d以上，主要分布在福海路、冰轮路、海鹰大厦、福星大厦等区域；其他区域淹没时间在0.5 d～1.0 d左右。

4 结语

本文对烟台市福山区门楼水库溃坝洪水进行了分析，并采用MIKE 21建立了二维水动力模型，模拟了溃坝洪水淹没情况。根据模拟结果，分析了溃坝洪水的淹没范围、洪水消退时间、最大淹没水深、最大流速及淹没时间。

随着超标洪水发生概率的增加，水库超标洪水防洪预案的指导意义愈加凸显。本文通过对门楼水库溃坝洪水的分析，不仅能提高大坝应急管理水平，也可以为下游河道及城区洪水防御重点提供参考，具有重要的现实意义。