基于DAMBRK的官地水电站溃坝洪水模拟研究

范 鸿 杰

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

0 前 言

近年来，随着气候条件的变化，极端气候时有发生，江河堰塞湖、大坝溃决偶有发生，给下游人民生命和财产安全造成了重大损失。2018年7月，老挝南部阿速坡省桑片-桑南内（Xe-Pian Xe-Namnoy）水电站发生溃坝事故，导致50亿m3的洪水下泄，造成数人丧生、数百人失踪，洪水泛滥造成6 600多人流离失所，该电站所在的萨南赛县被困，10个地势较低的村庄受灾，其中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。

根据相关法律法规、国家防总及四川省防汛抗旱指挥部下发的有关文件要求，对水电站水库溃坝洪水进行分析计算，预估溃坝洪水给下游沿江居民、集镇、村庄、交通等带来的影响，研究采取相应的防减灾措施，最大限度降低大坝溃决导致的损失。

本文结合雅砻江官地水电站实际情况，采用基于参数的DAMBRK溃坝模型，该模型主要利用最终溃口宽度、溃口形成历时等关键参数，以及溃口发展通过起溃至溃口最终形成的时变过程来进行模拟。该模型计算相对简便，物理机制明确，同时对溃坝洪水存在影响的关键要素把控较好，应用广泛。

1 官地水电站概况

官地水电站位于四川凉山州西昌市和盐源县交界的打罗村境内，系雅砻江下游水电规划五级开发的第三个梯级，坝址距西昌市约30 km。电站上游与锦屏二级水电站尾水衔接，下游距二滩坝址约145 km。官地水电站属日调节水库，正常蓄水位1 330.00 m，总库容7.6亿m3，回水长58 km。

官地水电站主要任务是发电，无供水、灌溉、防洪等综合利用要求。电站主要由混凝土重力坝、泄洪消能建筑物、引水发电建筑物等组成，最大坝高168.00 m，电站装机2 400 MW。工程等别为一等大（1）型工程，大坝设计防洪标准为500年一遇，校核防洪标准为5 000年一遇。

官地水库的运行方式为：汛期（6～9月），坝前水位降至汛期排沙运用水位1 328 m运行；非汛期（10月～翌年5月），水库进行日调节，坝前运行水位在1 328 m（汛期排沙运用水位）至正常蓄水位1 330 m之间。

2 模型方法

DAMBRK模型是美国国家气象局NWS的溃坝洪水预报模型，该模型由弗雷德（Fread）于1988年开发。DAMBRK溃坝洪水计算数学模型是非恒定流动力演算模型，利用一维圣维南方程组演算水库出流及流经下游河槽的溃坝洪水，程序可以根据溃口最终形状和溃坝历时计算出因溢洪道以及大坝失事形成的坝址处的溃坝洪水过程线。

DAMBRK溃坝洪水计算模型由三部分组成：溃口几何形态及溃口形成历时；坝址下游受河道地形影响的洪水演进过程；溃口泄流过程、上下游水位、库容及入库流量。

2.1 溃决口门模拟

依据溃口形成历时，将溃决分为瞬溃和渐溃，其中溃决历时不大于10 min的溃决称为瞬溃，大于10 min的溃决称为渐溃，其中重力坝和拱坝主要考虑为瞬溃，土石坝一般考虑为渐溃。官地水电站的挡水建筑物为一座坝高168 m的混凝土重力坝，其溃决按瞬溃考虑，溃决历时取为0.1 h。

2.2 溃坝泄流过程计算

溃口处下泄流量包括泄水建筑物泄流和溃口出流两部分。当库水位高于坝顶高程时为漫顶溃决，溃口处下泄流量按宽顶堰公式计算；当库水位低于坝顶高程时，则按拟定溃决形态进行计算，采用宽顶堰公式或孔口出流公式进行计算。由于上下游水位和溃口尺寸是随时间进行变化的，因此溃口处的泄流量为非恒定流。

2.3 溃坝洪水向下游演进计算

模型采用圣维南方程组计算溃坝洪水波向下游的演进，即：

式中，Q为流量；q为侧向入流或出流；H为水位；A为主河槽过水面积；A0为滩地非主流区过水面积；X为顺水流方向距离；t为时间；Sf为摩阻比降；Se为局部损失比降；g为重力加速度。

3 实例分析

3.1 研究区域

官地水电站坝址以下雅砻江穿行于崇山峻岭之间，两岸人烟稀少，沿岸集镇和村庄分属于一市和四县，在官地电站坝址到二滩坝址之间的雅砻江沿岸。

由于官地水电站下游约145 km为已建成的二滩水电站，且二滩水电站的溃坝洪水计算专题报告已审查通过，故官地水电站的溃坝洪水计算范围确定为：官地水电站坝址至二滩水电站坝址约145 km的二滩库区。

3.2 模型构建及方案设定

溃坝洪水计算范围涉及官地水电站及下游长约145 km的雅砻江河段，官地坝址至二滩坝址雅砻江干流共布设有计算横断面54条，断面平均间距约2.69 km，支流鳡鱼河汇口以上35.1 km布设有计算横断面17条，断面平均间距约2.06 km（见图1）。河道糙率往往是多种因素共同作用的一个综合值，一般通过实测资料率定。在溃坝洪水演进河道内间断有几组实测资料，其中包括厂房尾水、水文站实测水位流量关系曲线和二滩库尾部分水边线测量成果，根据这些资料率定河道综合糙率。溃坝洪水计算时，参照水力学中糙率取值，计算出河段内各级流量的糙率取值在0.05～0.075之间。

通过计算得到沿程各断面最高水位、洪峰流量及峰现时间等成果。泸宁站及小得石站的计算流量过程与实测流量过程的比较见表1，两站的计算和实测的流量过程线见图2。

图1 概化河流网格示意

表1 泸宁站及小得石站的计算值与实测值比较

图2 泸宁、小得石两站计算值与实测值流量过程线

从表1和图2可以看出，在长达370 km的河道上进行验算，计算值和实测值的峰现时间和洪峰流量的相对误差均小于10%，表明该模型模拟效果较好。

根据分析，官地水电站可能出现重大险情的主要因素有：超标准洪水、特大暴雨、发生超设计标准地震、工程隐患、地质灾害、上游大体积漂移物堵塞泄洪建筑物、战争或恐怖袭击、管理因素、上游锦屏一级水电站溃决导致官地大坝溃决。通过分析官地库区地质条件、工程管理以及库区环境，综合考虑官地大坝可能溃决的原因为：发生超过抗震设防标准的地震、战争或恐怖袭击。

根据官地大坝溃坝原因、溃口尺寸、入库流量以及初始水位等因素，拟定了4个溃坝方案，其中因超标准地震导致溃坝的方案有3个，因战争或恐怖袭击导致溃决的方案有1个。各方案计算参数见表2。

表2 官地水电站溃坝洪水计算方案及参数

3.3 结果与分析

根据拟定的方案，经模型计算，各溃决方案坝址处下泄最大流量见表3，官地坝址以下沿程的洪峰流量及最高水位出现时间分别见图3～6。

表3 官地水电站各方案坝址处溃坝洪水最大流量

图3 不同溃决方案坝址处流量过程线

图4 方案F1、F2、F3、F4溃决方案下游沿程最大水深

图5 不同溃决方案下游沿程最高水位出现时间

图6 方案F1、F2、F3、F4下游代表断面流量过程线

（1）成果合理性检验。方案F3为全溃方案，溃决时库水位为1 330 m，入库流量2 670 m3／s，相应库容约7.29亿m3，大坝全部溃决12 h后水位降低至1 252.97 m，相应库容为0.87亿m3，12 h内上游来水量为1.15亿m3。根据官地库容差值和上游来水量计算得12 h内溃坝泄水总量为7.58亿m3，溃坝程序计算的溃坝泄水总量为7.52亿m3，12 h内二滩坝址水位由1 200.00 m降至1 199.41 m，二滩库容减小0.46亿m3，且12 h内二滩水库下泄水量为7.92亿m3，除库容减小部分，二滩坝址处泄水量为7.46亿m3，上游来水量、电站溃坝库容变化、溃坝洪水程序计算泄水总量和大坝下游洪水演进洪量之间基本保持平衡。

（2）影响分析。官地水电站大坝至下游二滩水电站坝址的145 km河段，属高山峡谷地貌，峰谷相对高差大，河谷深窄，是典型的山区河流。官地坝址至省道S307金河大桥15 km的河道两岸有官地电站大盐池营地、打罗村、打罗水文站、金厂坝居民点；金河大桥至德昌县与西昌市交界处的烂坝村河段约26 km，环河两岸无通车公路，基本无人烟；烂坝村至米易县白坡乡共77 km，河段左岸为德昌县道X095乡村土路，沿雅砻江两岸有零星居民点分布；白坡乡至二滩坝址共35 km河段左岸有县道德盐路，沿雅砻江两岸有零星居民点分布。

从图3可以看出，官地水电站大坝溃口处流量不同方案下均呈现溃坝时刻流量陡增陡减的规律。四个方案的溃决洪峰流量介于142 000～188 000 m3／s，其中溃口处洪峰流量方案4最小和方案1最大。此外各溃坝方案下坝址到下游60～80 km的河段内溃坝洪峰流量衰减较快，如方案1坝址处洪峰为188 000 m3／s，洪峰传播至下游棉花村时洪峰衰减为 75 000 m3／s，平均每公里减小约 1 676.6 m3／s；而从河流下段棉花村到二滩坝址之间流量衰减相对减缓，如方案1棉花村处最大流量为75 000 m3／s，洪峰传播至二滩坝址时流量衰减为28 200 m3／s，平均每公里减小约605.4 m3／s。4个方案中，方案3由于溃口洪峰相对较小，下游二滩水库运行水位较高，受河道阻碍作用更强，导致沿程洪峰流量衰减最快。由图4可知，各方案在官地坝址附近河段沿程水位均存在水深骤降现象，对库岸稳定会造成不同程度的影响，60 km以后至二滩坝址河段沿程水位则主要受到二滩坝前运行水位控制；各方案沿程最高水位出现时间逐渐增大，增率接近，其中方案1～方案3沿程最高水位出现时间在3.8～4.7 h之间，方案4最高水位出现时间在9.3 h内。

为分析溃坝对下游居民点、水利工程及桥梁的影响，本文分析比较了各方案下，下游金河大桥、棉花村、白坡乡和二滩坝址的流量过程线。从图6中可以看出当官地大坝发生溃决后，各方案金河大桥处洪峰介于90 200～129 000 m3／s之间，其中以方案4最小，方案1最大；峰现时间比官地坝址处晚26～33 min，其中方案3峰现时间最晚，方案2峰现时间最早。洪峰流量从上游至二滩坝址沿程逐渐减小，如各方案溃坝洪峰在白坡乡洪峰降低到26 500～62 700 m3／s，而到二滩坝址洪峰降低到2 500～28 200 m3／s。

综上，从官地坝址至二滩坝址沿程各断面洪峰逐渐衰减，峰现时间逐渐增大，因此距离官地坝址越近的下游沿岸居民受到溃坝洪峰的影响最大。其中，方案1由于溃口处洪峰最大，导致下游沿程洪峰以及最高水位也较大，对下游造成的危害最大；而方案4由于溃口处洪峰最小，沿程洪峰以及最高水位均较小，峰现时间相对较长，对下游造成的危害最小。从工程安全性的角度考虑，建议在编制溃坝应急预案时，以方案1作为参考方案，重点分析对下游近坝区域居民点、白坡乡的危害，以减小官地水电站大坝溃决带来的严重后果。

4 结 论

本文以官地水电站大坝及下游河道为例，考虑不同溃决因素、边界条件、溃口尺寸的组合，采用DAMBRK溃坝模型论证了不同溃坝工况下对下游沿岸居民点及涉河建筑物的影响。结果表明，因超标准地震、战争或恐怖袭击导致的大坝溃决对下游危害相对最大，在编制水库大坝溃坝抢险应急预案时，建议参考超标地震导致的溃坝方案1进行预案影响分析及应急转移路线设计。

溃坝模拟计算结果表明，溃决初始水位、入库流量等边界条件对溃口洪峰大小有不同程度影响，由于官地水库库容较大，溃决初始水位的高低对溃口洪峰大小起到了决定性作用，官地入库流量对溃口洪峰大小影响微弱。