基于HEC-RAS的瀝青混凝土心墻壩潰壩洪水過程模擬分析

白明龍，張永紅，李正原，盧 斌，謝興華

(1.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029；2.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024)

0 引言

水庫大壩作為水利工程攔洪蓄水的主要建筑物，對其潰壩風險研究至關重要。了解大壩潰壩的可能性和影響，可制定科學的防災預案，提高公共安全，減小潛在危險；評估潰壩對水庫下游沿岸地區社會經濟的影響，為政策制定和發展規劃提供依據。同時，通過研究發現工程問題，提出改進建議可以促進未來水利工程的安全可靠建設。潰壩風險研究是確保水利工程安全的必要步驟。目前針對均質土石壩[1-2]、粘土心墻壩[3]、面板壩[4-6]以及重力壩[7-8]等壩型的潰口研究相對較多，而瀝青混凝土心墻壩作為一種剛發展不久的新壩型[9]，研究相對有限。本文以某水電站的瀝青混凝土心墻壩為研究對象，考慮心墻對于潰口發展的影響，采用HEC-RAS軟件模擬水庫潰壩洪水，計算大壩潰決后的潰口流量和壩前水位，并對計算結果進行分析，確定各參數對于潰口流量的影響規律，為該水庫下游沿岸地區的潰壩洪水預警提供參考依據。

1 瀝青心墻壩的潰決過程分析

瀝青混凝土心墻壩的心墻具有良好的防滲性能、變形適應能力和裂縫自愈能力。相對于一般土石壩的區別主要在于心墻采用了瀝青混凝土材料，瀝青混凝土相對于一般的防滲材料如粘土、瀝青、土工膜等具有更高的強度。王廷等人[10]的實驗研究結果表明，水庫水位超過壩頂后，下游壩殼遭漫頂水流沖刷，形成初期小沖溝逐漸演變為大溝壑，包含階梯狀“陡坎”。溝壑不斷向上游擴展，最終達壩頂。下游壩殼高程降低，瀝青混凝土心墻斷裂，但上游壩殼未崩塌，繼續擋水。潰壩水流循環侵蝕上游壩殼，呈逐漸發展的局部潰壩。通過觀察潰壩過程，在瀝青混凝土心墻壩的潰決過程中，形成的潰口呈現臺階型，參照面板壩潰決流量計算方法[6]，認為瀝青混凝土堆石壩的潰壩下泄水流類型為堰流。

以1979年7月27日1時黨河水庫副壩潰壩為例，由于暴雨導致的庫水位上升，黨河水庫副壩的混凝土面板堆石壩發生潰決，由于瀝青心墻頂有一段4～5m寬的缺口，在漫壩水流沖刷作用下很快形成初期決口。1時52分至2時，決口不斷擴大，副壩潰決。副壩自壩頂沖刷深達25m，潰口上口寬96m、下口寬20m。估算瞬時最大潰壩流量2500m3/s。黨河水庫的潰壩案例也說明了瀝青混凝土心墻壩的潰壩過程為逐漸發展的局部潰壩。

2 工程概況

以我國西南部某大(Ⅱ)型水電站主壩為例，模擬其瀝青混凝土心墻壩的潰決。該電站位于四川省大渡河干流上，為大渡河上一梯級電站。該電站以發電為主，無航運、防洪、灌溉、供水等任務，發電流量1115.2m3/s。汛期運行水位2075.00m，設計洪水位2077.44m，正常蓄水位2078.00m，校核洪水位2080.30m。其主壩為瀝青混凝土心墻壩，壩高97m，壩頂高程2083.00m，壩頂長379m，壩頂寬10m，上游壩坡1∶1.8，下游壩坡1∶1.7。

2.1 計算原理

本文采用HEC-RAS一維非恒定流模塊進行潰壩模擬。HEC-RAS是由美國軍事工程中心研發的水文水資源工程軟件，主要用于河流流域的水文和水力分析，包括水流模擬、河道幾何評估、泥沙輸移等。一維非恒定流模塊的控制方程基于一維水動力學原理，描述了水流在河道中的時變特性。該模塊采用了以下基本方程：

(1)連續性方程

一維連續性方程表達了單位寬度河道中水體的質量守恒。其數學表達式為：

(1)

式中，A—河道橫截面的面積；V—流速；x—空間坐標；Qin、Qout—流入、流出的流量。

(2)動量方程

一維動量方程描述了水流動態行為。在HEC-RAS中，通常使用橫向積分形式的動量方程，表示為：

(2)

式中，g—重力加速度；h—水位；f—摩擦系數。

通過對這些方程的求解，軟件能夠模擬河道中水位和流速隨時間和空間的變化，從而更全面地了解水流的動態特性。

2.2 模型設置

本次采用HEC-RAS 6.0軟件進行混凝土心墻壩的潰壩模擬，研究心墻壩潰壩發生以后大壩潰口流量過程和庫水位過程，具體的技術路線如圖1所示：

圖1 本次潰壩模擬采用的計算流程

模擬流程主要包括以下幾個步驟：①建立地形文件，收集并整理地形資料，包括河道中心線、河道橫斷面等參數，并將其輸入地形文件；②將大壩壩體結構參數、泄水建筑物泄流能力參數和潰壩控制參數輸入相對應的Inline Structure模型；③輸入邊界條件，包括流量、水位等信息，以建立一維非恒定流文件，為模擬提供基礎數據；④最后進行計算，使用模型進行數值計算，模擬大壩潰決的過程。計算過程中考慮結構參數、泄流能力、潰壩控制等因素，以獲得潰壩時的水流動態。

(1)地形模型設置

該水庫為山區峽谷型水庫，庫區狹長，本次水庫模擬采用輸入庫區深泓線及其橫斷面的方式來對庫區進行建模，并在庫區下游建立攔河壩、河道，以建立整個研究區域的地形模型。對于水庫庫區，采用HEC-RAS中的Crossing Section模塊，通過沿河道方向的幾十個實測橫斷面來描述整個水庫的地形情況，得到該庫區的部分模型，如圖2所示。對于瀝青混凝土心墻壩采用Inline Structure模塊進行描述，其縱剖面如圖3所示。這一模擬過程允許我們更全面地理解水庫的地形特征，并考慮瀝青混凝土心墻壩的具體結構，從而更準確地模擬水庫的運行和可能的潰決情況。

圖2 地形模型的建立(部分)

圖3 瀝青混凝土心墻壩縱剖面

(2)潰壩相關參數的設置

在HEC-RAS軟件中，通過Inline Structure模塊中的Dam Breach來實現潰壩模擬。與潰壩相關的參數包括潰壩歷時、潰口寬度、潰口底高程、潰口坡度、潰口發展過程、潰壩原因等。

潰壩歷時的確定：考慮到大壩的型式、壩高、筑壩材料、施工質量及潰決形式的不同，可能從幾分鐘到數小時不等。表1中列出了一些工程實際和設計潰決歷時的收集數據。根據相關資料統計，土石壩一般是漸潰，歷時稍長。例如青海省溝后水庫混凝土面板壩[11]及類似的巴塘、瀑布溝水電站潰壩洪水分析計算報告中，設計潰決歷時分別為2.0、2.0、3.0h。本工程為大渡河上的一等工程，從不利工況考慮，并參考梅世昂[12]等人的研究成果，本次擬定本水電站最短潰壩歷時為1.57h。同時，為了分析潰壩洪水洪峰流量及其向下游的演進過程對潰決歷時的敏感性，擬定了潰決歷時為3.00h工況。即在計算過程中選取1.57h和3.00h兩個潰決歷時。

表1 部分工程實際和設計潰決歷時統計表

潰口形態的確定：潰口形態描敘主要由3個參數確定，潰口最終底寬b、潰口底部高程hbm和潰口邊坡坡比m。潰口形態示意圖如圖4所示。由于實際失事機制的不確定性以及計算參數不易確定等困難，通過模擬潰口細部沖刷、坍塌和擴展過程的精確模型還達不到實用要求。鑒于以上困難，目前采用的簡化和廣泛適用的方法是根據經驗和其它失事大壩的數據給定潰口開始到最后潰口的尺寸與形狀。根據大壩的整體結構、壩址周邊的地質條件以及參考類似工程(溝后水庫、黨河水庫)的實際潰壩參數的經驗方法，給定了潰口開始到最后潰口的尺寸與形狀。本工程選取的潰口底寬為20m、潰口底高程2025m、潰口坡比為1.4。

圖4 潰口形態及發展過程示意圖

潰口發展過程的確定：基于瀝青混凝土心墻壩的潰壩機理，并結合大壩本身的結構特性，取大壩發生潰壩時潰口的發展過程如圖5所示。

圖5 漸潰潰口分段發展曲線

潰壩原因分析：主要包括地震、漫頂、管涌等各種原因導致壩體結構的破壞。大壩按1級建筑物設計，采用防洪標準較高；抗震設防標準滿足規范要求，動力計算結果表明大壩由于地震導致壩體發生動力破壞的可能性極小。因此，本文僅考慮大壩由于漫頂和管涌導致的潰壩情況。

(3)非恒定流模型設置

本文采用一維非恒定流模型對瀝青混凝土堆石壩潰壩洪水進行分析計算，具體設置如下：模型上游邊界選取為上游的入庫洪水資料，所選取的洪水過程線如圖6所示。下游邊界條件選取為給定最下游橫斷面水位流量關系曲線如圖7所示。采用恒定流計算各橫斷面初始水位作為非恒定流計算的初始條件。此外，對模型精度影響較大的參數主要是河段糙率，本次采用已有成果取河段綜合糙率為0.040～0.060。

圖6 各重現期下的洪水流量過程線

圖7 壩址位置的水位流量過程線

2.3 計算工況及參數

考慮大壩在實際運行過程中遇到的運行工況，擬定該水電站10種潰決計算方案，其中正常運用情景6種(情景1—6)，非常運用情景4種(情景7—10)。

正常應用情景：汛期限制水位(2075.00m)不同流量條件下發生管涌破壞(情景1—3)、正常蓄水位(2078.00m)發電流量條件下發生管涌破壞(情景4)、設計洪水位(2077.44m)遭遇千年一遇設計洪水條件下發生管涌破壞(情景5—6)。

非常應用情景：設計洪水位(2077.44m)遭遇萬年一遇校核洪水條件下發生管涌破壞(情景7)、校核洪水位(2080.30m)遭遇萬年一遇校核洪水條件下發生管涌破壞(情景8—9)、校核洪水位(2080.30m)遭遇5萬年一遇超標準洪水條件下發生漫頂破壞(情景10)。

不同潰壩洪水計算方案及參數見表2。這些情景涵蓋了大壩在不同水位和流量條件下可能面臨的各種破壞情況，從而全面評估潰壩對周邊地區的影響。

3 計算結果

3.1 各情景計算結果

根據一維非恒定流計算得到情景1—10的潰壩計算結果如圖8—17所示。分別將情景1—9的潰口流量過程線和壩前水位過程線匯總繪制，如圖18—19所示。

圖8 情景1對應的潰口處水位流量過程線

圖9 情景2對應的潰口處水位流量過程線

圖10 情景3對應的潰口處水位流量過程線

圖11 情景4對應的潰口處水位流量過程線

圖12 情景5對應的潰口處水位流量過程線

圖13 情景6對應的潰口處水位流量過程線

圖14 情景7對應的潰口處水位流量過程線

圖15 情景8對應的潰口處水位流量過程線

圖16 情景9對應的潰口處水位流量過程線

圖17 情景10對應的潰口處水位流量過程線

圖18 情景1—9對應的潰口流量過程的比較

圖19 情景1—9對應的水位過程的比較

對于發生管涌破壞對應的情景，從圖18—19可以見，當潰壩發生后，潰口流量會先隨著潰口的發展呈階梯狀增大達到最大值以后再緩慢減小。壩前水位隨著潰壩過程的發生出現先平緩下降，再急劇下降，最后平緩下降。這一結果的產生是由于瀝青混凝土心墻壩潰壩過程是逐漸發展的，初始階段潰口面積小，其壩前水位與潰口底高程的差值小，潰口處的流速較慢，水庫水位下降速度較慢。然后隨著潰壩過程的發生，潰口由于洪水的沖刷不斷下切，壩前水位與潰口底高程的差值不斷增大，潰口處的流量不斷增大，水庫水位下降速度加快。最后由于大壩自身結構的原因，潰口基本不再下切，壩前水位與潰口底高程的差值隨著庫水位的下降不斷減小，潰口處流量緩慢下降，從而水庫水位的下降速率減小。

對于發生漫頂破壞對應的情景，從圖17可知，當高標準洪水來臨時，壩前水位先降落后上升，潰口流量在沒有潰壩時為0m3/s，當庫水位高于壩頂高程(2083m)以后發生潰壩，之后馬上達到洪峰流量22836.98m3/s。之后壩前水位和潰口流量過程類似于管涌破壞的情況。產生這一結果的原因是，當超標準洪水來臨時利用泄水建筑物排水，入庫流量小于泄水建筑物的排水能力，庫水位下降。隨著洪峰的到來，入庫流量大于泄水建筑物的排水能力，庫水位上升。當庫水位高于壩頂高程時發生了潰壩。

不同工況、不同計算情景下的計算結果見表3。由計算結果得出，在正常應用情景下發生管涌破壞時最大洪峰流量為30683.69m3/s(情景5)，最小洪峰流量為25850.10m3/s(情景6)。非正常應用情景下發生管涌破壞時最大洪峰流量為31385.10m3/s(情景8)，最小洪峰流量為22102.67m3/s(情景9)。非正常應用情景下發生漫頂破壞時的最大洪峰流量為22836.98m3/s(情景10)。

表3 潰壩洪水計算結果表

3.2 計算結果的討論

通過對3.1節計算結果進行對比分析，得到以下結論：

(1)初始運行水位的影響：初始運行水位越高，其潰口洪峰流量越大。比較情景7(初始水位2077.44m)和情景8(2080.30m)，情景8的洪峰流量(31385.10m3/s)大于情景7的洪峰流量(28575.24m3/s)。

(2)洪峰流量的重現期影響：洪峰流量的重現期越長，潰口洪峰流量越大。比較情景1(5年一遇)、情景2(20年一遇)、情景3(30年一遇)，三者隨著洪水重現期的增長，洪峰流量依次增加。對比情景5(千年一遇)和情景7(萬年一遇)，兩者也符合這一規律。

(3)潰壩歷時影響：潰壩歷時對洪峰流量具有較大影響。在正常應用工況下，比較情景5(潰壩歷時1.57h)和情景6(潰壩歷時3h)，情景5的洪峰流量(30683.69m3/s)大于情景6的洪峰流量(25850.10m3/s)。在非常應用工況下，比較情景8(潰壩歷時1.57h)和情景9(潰壩歷時3h)，情景8的洪峰流量(31385.10m3/s)大于情景9的洪峰流量(22102.67m3/s)。結果表明，其他條件相同時，潰壩歷時更短對應的洪峰流量越大。

(4)泄水建筑的泄流方式影響：泄水建筑的泄流方式對潰口流量也有很大影響。比較情景6和情景9，兩者的工況條件除了情景6的初始水位和洪水重現期較短以外相同。然而，情景6的洪峰流量(25850.10m3/s)卻遠大于情景9的洪峰流量(22102.67m3/s)。這表明泄水建筑物不同的泄水方式對潰壩流量有較大影響。

4 結論

本文采用HEC-RAS模擬了某水電站在超標準洪水、管涌等因素條件下潰壩潰口發展過程，重點關注瀝青混凝土心墻結構對潰口發展的影響。通過采用HEC-RAS軟件進行水庫潰壩洪水模擬，計算大壩潰決后的潰口流量和壩前水位，并采用單一變量對照法進行數據分析。以下是主要發現和結論：

(1)潰壩過程特點

瀝青混凝土心墻壩漫頂和管涌潰壩過程以漸進式潰決為主。潰口流量在潰壩發生后呈階梯狀增大，達到最大值后緩慢減小。壩前水位在潰壩過程中先平緩下降，然后急劇下降，最終平緩下降。

(2)洪峰流量及影響因素

不同情景下，管涌破壞時最大洪峰流量在正常應用情景為30683.69m3/s(情景5)，最小為25850.10m3/s(情景6)。在非正常應用情景下，最大洪峰流量為31385.10m3/s(情景8)，最小為22102.67m3/s(情景9)。漫頂破壞時的最大洪峰流量為22836.98m3/s(情景10)。

計算結果表明：初始運行水位越高，潰口洪峰流量越大。洪峰流量的重現期越長，潰口洪峰流量越大。潰壩歷時對洪峰流量具有顯著影響，較短的潰壩歷時對應較大的洪峰流量。泄水建筑的泄流方式對潰口流量有顯著影響，不同的泄水方式導致不同的洪峰流量。

這些發現為該水庫下游沿岸地區的潰壩洪水預警系統提供了科學的參考依據，有助于制定更有效的防災措施和應急預案。