基于HEC-RAS的溃坝洪水及风险分析研究
——以印度尼西亚淡水湖水库为例
2023-10-08张珍吴昊唐林
张 珍 吴 昊 唐 林
(黄河勘测规划设计研究院有限公司,河南 郑州 450003)
水库大坝作为水利工程拦洪蓄水的主要建筑物,具有供水、防洪、发电等重要功能,大坝失事将对下游地区社会经济稳定、人民生命财产安全造成重大影响[1]。开展水库溃坝风险研究,可为大坝失事的早期预警、避险转移提供重要支撑,为管理部门制定工程安全应急预案提供技术参考,对科学防范水库溃坝风险,最大程度降低溃坝影响具有重要作用[2]。
随着计算机技术和数值模拟方法的快速发展,溃坝洪水的研究取得了较大进展,产生了多种计算模型[3]。其中HEC-RAS软件,因计算精度高、人机界面友好等优势,在洪水模拟中得到了广泛应用[4-5]。
本文以位于印度尼西亚中苏拉威西省某工业园区的淡水湖水库为研究对象,采用分段模型法[6],联合运用HEC-RAS和ArcGIS软件,模拟水库溃坝洪水,计算淹没区内淹没水深、流速等特征要素,并据此探究淡水湖水库溃坝风险程度。研究成果可为淡水湖水库工程和工业园区运行管理、风险预警提供科学的参考依据。
1 模型原理
控制水流的物理定律是质量守恒定律和动量守恒定律,以下将其称为连续性方程和动量方程[7-8]。
1.1 连续性方程
假设流动不可压缩,连续性方程的微分形式为
(1)
式中:t为时间;u、v分别为x、y方向的速度分量,m/s;h为水深,m;q为源/汇通量,m2/s,源为正,汇为负。
1.2 动量方程
(2)
(3)
式中:t表示时间;x、y分别表示笛卡儿坐标系的横竖坐标轴;u、v分别表示x、y方向上的流速分量,m/s;g为重力加速度,m2/s;vt为水平方向运动黏度,m2/s;cf为底部摩擦系数;H为水深;f为科式力参数。
模型采用四点隐式有限差分格式对非线性方程进行离散求解,运用Newton-Raphson迭代法进行计算。
2 溃坝洪水模拟
2.1 工程概况
淡水湖水库工程位于印度尼西亚中苏拉威西省Bokulu河下游,主要建筑物包括主坝、副坝、溢洪道、导流洞、供水钢管等,主坝、副坝均为黏土心墙堆石坝。坝轴线总长523m,其中主坝坝顶长度261m,最大坝高37m;副坝坝顶长度237m,最大坝高11m。工程等别为Ⅲ等,工程规模为中型,主要建筑物级别为3级。永久建筑物按50年一遇洪水设计,1000年一遇洪水校核。
淡水湖水库工程大坝溃坝洪水潜在影响区为河道左岸下游的Sambalagi村及右岸工业园区。
2.2 溃坝洪水过程
根据入库洪水过程线、水库水位库容曲线、溢洪道泄流能力曲线等边界条件,按照宽顶堰流量公式计算溃坝洪水[9-11]。
本文研究工况为超标准洪水引起的漫顶溃决,假定溃坝触发条件为漫顶即溃,即水库水位超过坝顶高程,坝体开始出现溃决。假定淡水湖水库初始水位为正常蓄水位,当遭遇PMF超标准洪水时[12],水库首先通过溢洪道泄流,随着水库水位逐渐抬升至坝顶高程,触发溃坝条件,坝体开始逐渐溃决[13-14]。假定溃口发生在主坝中部,溃口发展采用线性时间模型模拟,形状为倒梯形,在溃坝时段内发展到最终的溃口形状。假定溃口最终底宽度为主坝长度的1/3,溃口高度为1/2主坝坝高,溃口两侧坡角按60°考虑。
2.3 模型构建
2.3.1 地理模型
地理建模依据的基础数据为1∶1000地形图和园区总体规划图。园区建成后,河道右岸原始地形地貌将发生较大变化,为尽可能反映未来下垫面情况,将园区建成后地形刻入原始地形图,创建了新的地理模型。
2.3.2 模型范围及网格剖分
通过初步试算确定模型范围[15],模型计算面积约1.11km2。二维模型计算网格采用非结构化网格进行剖分,其中对左右岸道路区域进行局部加密处理。加密区域空间步长为2m×2m,其他区域空间步长为20m×20m,二维网格共生成5566个,最大网格691.08m2,最小网格3.45m2。
2.3.3 边界条件和初始条件
模型上边界为淡水湖水库大坝PMF出流过程线,下边界设定为正常水深。模型初始条件假定为干燥状态。
2.3.4 下垫面糙率
下垫面糙率值与区域土地利用类型密切相关。根据卫星影像及现场实勘,下游区域地形地貌主要为低矮林地,糙率取0.04～0.06[16]。
2.4 模拟结果
由于确定具体的大坝溃决时间较为困难,本次研究通过分析大坝特性,假定了4h、6h和12h三种溃坝历时,分别分析不同历时溃坝洪水演进过程及其淹没影响,见图1。
根据模型模拟结果,当发生超标准PMF洪水时,入库洪水首先通过溢洪道下泄。随着入库洪水流量增大,水库水位逐渐抬升,漫过坝顶后,坝体开始溃决,洪水通过溢洪道和溃口同时下泄。由于下游河道两岸道路高程较高,起到了堤防阻水的作用,下泄洪水先沿河道向下游演进,随着河道内淹没水深不断加大,逐渐越过路堤,顺地势传播至Sambalagi村。
根据三种历时的溃坝洪水最大淹没水深和最大流速分布图,4h、6h、12h历时的溃坝洪水均会影响左岸村庄,历时6h以上的溃坝洪水不会对右岸工业园区产生影响。对于相同的溃决程度,溃坝历时越短,溃坝洪水过程线越集中,对下游的影响范围、淹没水深及流速也越大。
对于最危险的4h方案,在溃坝开始第15min,洪水越过左岸道路向下游村庄扩散;第73min,洪水越过右岸道路,蔓延至园区;第2h出现最大洪峰,约1088m3/s,第4h形成最大稳定溃口。在下游区域,河道内淹没水深和流速最大,最大水深为3.8～5.0m,最大流速为2.0～4.0m/s;其次是左岸区域,大部分地区最大水深不超过1.0m,最大流速为1.0～1.5m/s。园区淹没水深及流速最小,最大淹没深度为0.1～0.2m,最大流速约0.1m/s。
3 溃坝风险后果分析
3.1 溃坝洪水严重程度
美国垦务局(USBR)2014年发布的《大坝安全风险分析中生命损失估算指南》中给出了溃坝洪水严重性分级方法[17],即按照水深与流速之乘积(D·V)划分洪水严重程度,可分为三级:ⓐ低严重性,D·V≤4.6m2/s;ⓑ中严重性,4.6m2/s
图2 淡水湖水库溃坝洪水严重程度等级划分
3.2 生命损失评估
欧美国家对溃坝生命损失的研究起步较早、成果较多,常用的生命损失估算方法有B&G法、Dekay& MaClelland法和Graham法等[18-19]。本研究采用Dekay&McClelland法,估算淡水湖水库溃坝生命损失,该方法综合考虑了风险人口、预警时间和洪水严重程度[20],相关表达式如下:
L(p)=a+blnPAR+cWT+dF+eWTF
(4)
(5)
淡水湖水库下游淹没区域内常住人口主要位于Sambalagi村,该村距坝址直线距离约800m,人口数量约700人。根据淡水湖水库溃坝洪水严重程度等级划分结果,Sambalagi村三种方案下的溃坝洪水严重程度均为低等级,溃坝洪水严重程度F取0.3。Sambalagi村生命损失估算见表1。
表1 Sambalagi村生命损失估算
根据生命损失估算结果,预警时间为0时,即无预警时,生命损失人数约9.1人,当预警时间为1h时,生命损失人数明显降低,当预警时间超过3h时,基本无人员伤亡。因此溃坝预警是有效降低溃坝风险后果的重要措施,越早预警,溃坝引起的生命损失也将越小。
4 结 语
a.淡水湖水库大坝溃坝是一个逐渐溃决的过程,不同溃坝历时的洪水对下游的影响程度不同。溃坝历时越长,相应溃坝洪水过程相对越缓,对下游的影响也越小。
b.应重视预警预报、提升应急管理水平等非工程措施在溃坝风险管理中的作用。建立水情测报系统,加强大坝运行管理,及早发现隐患,提前避险转移,可有效保障生命安全。
c.溃坝风险分析可为水库运行管理单位制定应急预案提供有力的技术支撑,对于提高水库大坝风险管理水平和效果具有十分重要的作用。
