基于HydroInfo的溃坝数值模拟研究与应用

闫琪琪，金 生

(大连理工大学建设工程学部，辽宁 大连 116024)

我国大坝集中建成于20世纪50—70年代，受经济、技术等条件限制，所施行的建设标准低，其间所建水库工程质量较差。在后期运营过程中由于管理不足、缺乏维护，我国病险水库问题突出[1]。水库工程在提供防洪保护和经济效益同时，坝体安全也关系着下游的生命财产安全。洪水计算分析是水库应急管理预案制定的重要依据。为了能够把损失降至最低，提前获得溃坝洪水的淹没时间、淹没范围，以及重要位置的淹没水深等水情信息则是进行与灾害争抢时间的重要一步，同时也是洪水计算的核心部分。在汛期对存在失事风险的水库进行溃坝计算，对于考虑影响范围和安排避险措施显得尤为重要[2]。

溃坝是一种非恒定不连续波运动，其流动复杂性引起众多学者的竭力研究，得到了大量的成果。试验是研究溃坝问题最直接的工具，其源头可追溯到19世纪中叶法国圣维南做的溃坝试验。随着数学模型的发展和计算机计算性能的提高，通过溃坝洪水问题的数值模拟进行风险分析成为主流的研究方法。溃坝问题研究的持续发展，也相应出现了一些软件和程序，如Hec-Ras，DAMBRK、MIKE、HydroInfo、Flow- 3D、FLUENT等。2009年，郑力等采用Flow- 3D及FLUENT两种模拟软件对溃坝进行数值模拟并提出适用性[3]。2012年，沈洋等利用MIKE软件模拟了金牛山坝体溃决后下游洪水演进过程[4]。2018年，Issakhov等通过MIKE 3与Flow- 3D建立三维模型，并针对下游干湿初始条件进行对比分析[5]。HydroInfo软件能够较好地模拟模型尺度下的溃坝问题[6]，但探讨溃坝整体模型在工程实例上下游洪水演进的运用较少。基于此，本文基于某水库实际地形、调洪过程进行洪水演进模拟分析，根据库水位测点加强模型可靠性，建立全溃、半溃工况下的洪水演进过程。

某水库工程建成于1974年。为实现城区供水在2001年进行了扩建，2003竣工。扩建后库容为2.8688亿m3，坝顶高程加高至83.1m，坝段总长346m。水库集水面积为692 km2，下游流域面积为211.67km2。扩建工程增加了库容，也增加了溃坝的风险；同时该流域易突发暴雨，主要集中于7、8月份，容易形成特大洪水。在坝体运行过程中，加强大坝管理和水库调度，建立溃坝应急预案也成为避险的操作依据。为了准确为预案的制定提供淹没时间、淹没范围、历时、淹没水深等数据支持，采用HydroInfo水利信息系统[7]搭建英那河流域水动力模型，实现半溃、全溃工况的模拟计算。

1 模型控制方程

溃坝的破坏主要体现在溃坝洪水在下游推进中的水位和流速值较大，其垂向尺度与水平尺度相差较大，仍属于平面大范围的自由表面流动[8]，引入静定假设，简化基本守恒方程。由于整体模型溃口处水深较大，溃口地形对流量变化较大，为减小计算误差，采用Reynolds平均三维浅水方程[9]。

连续方程：

(1)

x,y方向上的动量方程：

(2)

(3)

水位η演化方程:

(4)

在垂直方向上采用Euler-Lagrangian垂向分层动网格及平面非结构化网格，模型采用Vertex-Centered方式的非结构化有限体积方法对方程进行离散求解[10]。

2 模型建立与应用

2.1 模型建立

模型采用坝体上下游整体计算，模型区域从水库入口至下游入海口，地形采用已有实测地形，计算区域如图1所示。模型采用非结构化三角形网格离散，为保证计算速率，垂向分2层。计算域内生成72140个结点，142935个单元，如图2所示。水库入库流量采用实测洪水流量同比放大至2000年一遇洪水量，下游设置海口水位3m，由平均潮位确定。糙率根据工程经验以及相关文献[11]，水库内糙率取0.025，下游河道糙率采用0.04，河道两侧糙率采用0.08。

图1 计算区域三维视图

图2 计算区域网格图

图3 “803”库水位对比图

2.2 水库模型适用性验证

为避免水库地形数据造成的计算误差，同时验证水库模型库容在模拟一般洪水的准确性，以“803”洪水水库调洪过程进行水库适用性验证。2018年8月该流域受台风“海棠”影响，从8月3日17时到4日11时历时18h，共降雨348.6mm。其中最大1小时雨强为44.4mm；最大3小时雨强为115mm；最大单站1小时雨强为88.5mm，最大单站降雨量为414.5mm。以上数值除1小时雨强外，均是水库扩建以来的极值。本次降雨过程洪峰出现在4日9时，瞬时流量达6018m3/s，本次来水总量为1.95亿m3。结果(图3)与实测库水位拟合良好，可进行溃坝计算。

3 溃坝应用

3.1 溃坝工况

溃坝方案采用瞬时溃坝，下游无水。全溃工况，假设坝体整体坍塌，溃口高程取地形高程50.29m，溃口338m；半溃工况，假设坝体在工程接缝处的溢流坝段出现滑移坍塌，溃坝高程取原坝高59m，溃口142m。两种工况均采用校核洪水位81.2m为突发溃坝库水位。水库入库流量为“803”入库洪水过程线同比放大所得。

在图4中，全溃工况下库水位迅速下降，在溃坝发生20h后趋于稳定；半溃工况中在前6h变化较快，后逐渐趋于稳定。两工况坝址流量如图5所示，全溃工况最大坝址流量为82311m3/s，半溃工况最大坝址流量达24983m3/s。从图6、图7可以看出，全溃工况在2.2h达到淹没面积最大，最大值为64.82km2，淹没水量最大值为2.221亿m3；半溃工况于5.6h达到淹没水量最大，最大值为2.212亿m3，在6h达到淹没面积最大，最大值为60.096km2。两工况最大洪水淹没面积及时刻如图8、图9所示，前者洪水集中在上、中游，后者可以看出洪水主要分布在中、下游。在全溃工况洪水水量和淹没面积最高峰后，半溃工况淹没水量及淹没面积基本都在全溃工况之上。

3.2 特征点位水情

为直观地表达溃坝洪水对下游的影响，根据HydroInfo的计算结果后处理功能设置特征对比点，特征点位的设置能够为管理单位对下游进行有组织的部署提供数据参考。选取点位为下游重要村庄和建筑物(图10)，部分计算结果见表1—2。

图4 库水位过程线

图5 流量过程线

图6 淹没面积过程线

图7 淹没水量过程线

图8 全溃工况t=2.2h洪水淹没图

图9 半溃工况t=6.0h洪水淹没图

表1 全溃工况部分特征点结果

表2 半溃工况部分特征点结果

图10 特征点位置图

溃坝对下游村落和建筑物造成巨大威胁，在全溃工况中，阎磨房距离坝下最近，全溃工况中在0.08h洪水即可到达，在0.3h时水深高达17.97m；即使在半溃工况中也在0.16h到达，0.66h水深也达到9.18m。鹤大高速桥下在全溃时水深达到9.67m，流速最大为8.64m/s，已威胁到桥体安全。具离坝体较远的大沙岭，该村落地势平坦，距离海口较近，水深最高在2m左右，在半溃工况中于5h后到达，对村落威胁较小，但是滞水时间较长，对该地区从事海产品养殖的渔户造成很大的影响。

4 结论

基于某水库，利用HydroInfo建立了溃坝洪水模型，并通过“803”洪水水库调度过程进行模型验证分析。建立整体溃坝模型并对该水库全溃、半溃工况洪水演进过程进行数值模拟，得到溃口流量、水库水位变化、淹没范围、淹没时间以及下游特征点的重水情信息，可得到以下结论：

(1)HydroInfo能够准确地拾取地形数据并建立坝体上下游的整体模型，通过对两种工况结果分析可证明其合理性；软件的界面操作友好，能够便捷地建立模型并提取下游水情数据，适用于实际工程领域。

(2)全溃工况虽然发生几率较低，滞留时间短，但是其洪水流速较大，近坝址处村落的房屋和道路将会遭受巨大冲击，灾难性极大。半溃相对而言灾害性降低，给下游留出更多的反应时间，但是洪水滞留时间相对变长。对于两种溃坝工况，都应制定相应的应急预案。管理部门应以人为本，根据水位以及滞留时间对群众进行地势高点转移和救援。