溃坝洪水分析及影响研究——以陕北地区瑶镇水库为例

刘 涛

(陕西省延安市行政审批服务局，陕西 延安 716000)

溃坝分析是非防洪工程措施的一项基础内容，主要评估分析由遭遇超标准洪水或突发溃坝等极端事件造成的洪水淹没范围及程度，为下游防洪安全和应急管理等工作提供支撑，特别是对于陕北地区久旱地区遭遇极端天气造成溃坝洪水研究意义深远[1]。为此，选择陕北地区瑶镇水库，利用先进溃坝分析技术，假定水库遭遇50 a一遇洪水和500 a一遇洪水情况下右岸与非溢流坝连接的副坝段溃坝，对溃坝洪水及影响进行评估及分析，充分发挥洪水演进分析在防洪减灾工作中的作用。

1 工程概况

瑶镇水库位于榆林市神木县瑶镇乡境内秃尾河干流上游瑶镇村附近，枢纽距榆神二级公路约17 km，距神木县城约50 km，神木至尔林兔公路从坝肩通过。是一座以城镇供水为主，兼顾农业灌溉、生态用水等综合利用的中型水库。工程规模属于Ⅲ等工程，主要建筑物为二级建筑物设计，次要建筑物为四级。工程于2003年9月建成，控制流域面积770 km2。工程拦河坝由主坝及副坝构成，河床段布置32 m长的溢流坝段，左岸接74 m长非溢流重力坝段，右岸接194.5 m长副坝，副坝为沙坝。冲沙洞和引水洞为内径2.0 m和1.0 m的钢筋砼圆形断面，设计坝高为27.9 m，坝顶高程为1 163.4 m，坝顶宽度4 m，总库容1 060万 m3。水库所在流域图见图1。

图1 水库所在流域示意图

2 方法及模型建立

2.1 方法构思

通过分析遭遇50 a一遇洪水和500 a一遇洪水，右岸与非溢流坝连接的副坝段溃坝，利用GIS技术对瑶镇水库及下游防护区地形矢量和影像文件进行处理、校验与转换，生成DEM模型；基于河流水力模拟系统，构建水库下游防护区二维水流数值模拟模型[2][3]，对溃坝洪水过程进行水力模拟计算，获得不同工况下下游典型断面或代表点的淹没水深、洪水流量和流速、洪水抵达时间等水力要素，基于GIS平台，将这些要素叠加到瑶镇水库及下游防护区的电子地图上，形成溃坝洪水演进过程分析结果。

表1 工况情况表

2.2 模型建立

2.2.1 地形矢量和影像资料处理

将河道网格模型与拼接描点的高程数据和卫星地形图高程数据结合[4][5]。创建perioritize scatter aera数据网格，优先使用地形图描点数据和卫星图高程数据进行interpolte，生成mike二维高程网格即计算模型。

2.2.2 平面二维数学模型建立

模型是基于三向不可压缩和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程，并服从于Boussinesq假定和静水压力的假定[6-7]。

二维非恒定浅水方程组为：

(1)

(2)

(3)

式中：t为时间；x，y为笛卡尔坐标系坐标；η为水位；d为静止水深；h=η+d为总水深；u、v分别为x，y方向上的速度分量；f是哥氏力系数，f=2ωsinφ，ω为地球自转角速度，ω为当地纬度；g为重力加速度；ρ为水的密度；sxx、sxy、syy分别为辐射应力分量；Txx、Txy、Tyx、Tyy为水平粘滞应力项，S为源汇项，us、vs为源汇项水流流速。

(4)

Tij为水平粘滞应力项，包括粘性力、紊流应力和水平对流，这些量是根据沿水深平均的速度梯度用涡流粘性方程求得。

(5)

3 溃坝洪水分析

3.1 演进过程

以50 a一遇洪水为例，分别分析洪水到达瑶镇、红石峁、野林托拉、花坨湾、榆商高速的顺序演进过程。溃坝发生2 min后洪水到达瑶镇，7 min50 s时瑶镇水位达到最大值1 160.57 m，溃坝发生11 min50 s后洪水到达红石峁，20 min40 s时红石峁水位达到最大值1 134.28 m，溃坝发生28 min20 s后洪水到达野林托拉，51 min40 s时野林托拉水位达到最大值1 129.2 m；溃坝发生34 min40 s后洪水到达花圪台湾，1 h0 min10 s时花圪台湾水位达到最大值1 090.9 m；溃坝发生58 min40 s后洪水到达榆商高速，由于榆商高速距离下游坝址采兔沟非常近，水位不断增加，在计算时段结束即1 h12 min15 s时，水位达到1 064.4 m。

由图2流速变化过程线，可以看出每个监测断面流速存在明显的洪峰效应，流速基本呈先上升后下降趋势。瑶镇地区，在溃坝发生7 min左右，溃坝流速达到13 m/s；且在花圪台湾附近由于河道的束窄作用，使得该处流速在溃坝的阶段均处于5 m/s以上；在榆商高速附近流速存在波动，主要原因是洪水受到下游采兔沟水库的拦截，使得洪水从采兔沟坝址涌向上游榆商高速的过程，造成流速在减小后存在增大现象[8]。

图2 特征断面处溃坝洪水流速随时间变化过程线

3.2 水深及淹没范围分析

溃坝发生后不同时段，不同位置的水深及淹没，如图3所示。溃坝发生后6 min40 s，由于河道的拐弯和最大溃坝洪水的叠加，使得瑶镇附近将受到最大程度淹没；溃坝导致采兔沟坝址附近的水深增加最大达到8 m左右。

图3 溃坝后1h06min40s洪水深分布图

3.3 流速矢量分布

3.3.1 流速分布

断面平均最大流速出现在瑶镇下游主河床部位，最大流速为14 m/s，各部位流速及流速矢量分布见图4。

图4 溃坝后1h13min55s时洪水流速分布图

3.3.2 矢量分布

通过溃坝后下游流速矢量分布分析，首先在靠近岸边处流速方向发生较大的改变，主要引起原因是岸坡对水流的顶冲作用，其次，在岸坡拐弯弧度大且河谷狭窄，易导致增大流速和产生漩涡，流速矢量分布见图5～图9。

图5 6min40s瑶镇洪水流速矢量分布等值线 图6 20min40s时红石峁村洪水流速矢量分布

图7 51min40s时野林托拉洪水流速矢量分布 图8 1h40s时花圪台湾洪水流速矢量分布

图9 1h13min55s时榆商高速流速矢量分布

4 综合评估和影响分析

4.1 溃坝洪水影响范围及综合评估

工况1，50 a一遇洪水，副坝全溃。由于副坝所在地区地势较高，溃坝发生时，首先对副坝后地势产生冲击，随后溃坝主流涌入主河道内与瑶镇接壤的锦界乡也将受到洪水淹没影响；红石峁地区由于地形较高基本不会被洪水淹没。花圪台湾附近由于河道的拐弯和顶冲大部分处在淹没区；榆商高速不仅受到溃坝洪水演进过程的影响，同时还将受到洪水逆行波的影响。

本次计算，各监测断面最大淹没水深统计如下。溃坝发生6min40s时瑶镇地区最大水深将达到11 m，有房屋处的地区淹没水深在1～2 m左右；溃坝发生20min40s时红石峁地区最大淹没水深约9 m，地势较高的有房屋地区的基本不会被淹没；溃坝发生第51min40s时野林托拉最大淹没水深约9 m，房屋部分受到淹没，淹没水深在1 m左右；溃坝发生第1h40s时，花圪台湾处最大淹没水深6 m。

从淹没流速看来，各监测断面处的房屋处在较高地区，淹没流速均小于2 m/s，但由于被淹没地区的房屋对水流的顶冲作用，流速分布比较复杂，流速矢量在岸坡附近均存在环流和绕流。

工况2，五百年一遇洪水，副坝全溃。本次计算工况，各监测断面最大淹没水深统计如下。溃坝发生3min55s时瑶镇地区最大水深约为10.5 m，较工况1增大并不明显，流速增大约2.5 m/s，淹没范围有房屋处的地区淹没水深在1～2 m左右较工况1增大不显著；溃坝发生17min50s时红石峁地区最大淹没水深约8.5 m，工况1、2在瑶镇地区有房屋地区的地势，淹没范围较大；溃坝发生第41min30s时野林托拉最大淹没水深约10.4 m，有房屋部分受到淹没，淹没水深在1 m左右，比工况1淹没水深大；溃坝发生第1h40s时，花圪台湾处最大淹没水深10.4 m。工况2较工况1在平顺河道地区淹没水深小，但淹没流速大，弯曲河段淹没水深大，淹没流速也较大。工况2较工况1淹没范围增加，尤其是溃坝后1h10min45s时采兔沟坝址上游两支流(袁家沟、黑龙沟)处倒灌淹没范围比工况1大。

从淹没流速分布来看，基本规律与工况1相似，但工况2在采兔沟坝址及上游库区一定范围内溃坝洪水涌向上游。

4.2 对下游水库影响分析

本次模拟，以采兔沟水库设计洪水水位1 082.11 m作为模型水位控制边界条件，在水位低于设计洪水时，水库不会下泄洪水，当洪水高于设计水位时全断面下泄洪水。计算结果如表2。

表2 各工况下采兔沟水库坝址处水位

由计算结果可以看出，采兔沟水库在初始水位为1 056 m时，本次模拟的不同工况对应水位区间范围为1 064～1 066.2 m，瑶镇水库溃坝发生对采兔沟水库安全产生影响较小。由采兔沟库区监测断面水深变化看，溃坝波传播至采兔沟水库后，由于采兔沟水库库容较大，库区形成的水面消波作用明显，上游溃坝造成的溃坝波在采兔沟水库内影响的水位波动范围均在1 m范围之内，对坝体结构无实质性威胁。但由于溃坝后采兔沟水库入库流量增加，库区水位上涨较为明显，且瑶镇至采兔沟区间，河床坡度较大，使得溃坝发生时瑶镇水库库容在较短时间内均下泄到采兔沟库区内。因此，其他不同时刻初始库容溃坝工况，可依据采兔沟水库水位～库容关系，将瑶镇水库库容与采兔沟库容进行叠加，而初步得到瑶镇水库溃坝时采兔沟库水位的预测值。

5 结语

(1)从淹没范围上看，受溃坝洪水影响最大的地区是瑶镇地区。导致秃尾河水流在大洪水条件下下泄受到地形限制，野林托拉、花圪台湾地区水位受到控制段弯道限制，此部分地区水深和流速均较大。

(2)从流速分布上看，水流最大流速均在主河道区域，被淹没的居民区范围内流速一般小于2 m/s，野林托拉所在监测断面流速最大达到10.4 m/s，最大流速在花圪台湾监测断面达到11 m/s，像花圪台湾和红石峁地区，由于地形限制，河道曲率半径较小，河谷相对狭窄，此部分地区砖混结构物难以承受洪水冲蚀，且岸坡受到强烈冲刷作用，需提前预警并转移该地区人员。

(3)从淹没面积上看，五百年一遇洪水淹没范围与五十年一遇洪水淹没面积相比增加明显。河道中存在的滩地及相关节点，碍洪作用明显，野林托拉下游河道施工侵占河道现象严重，且此处河道狭窄，红石峁至野林托拉段形成滞洪区。

(4)本次模拟采兔沟水库初始水位为1 056 m，以采兔沟水库设计洪水水位1 082.11 m作为模型水位控制边界条件，在水位低于设计洪水时，水库不会下泄洪水，当洪水高于设计水位时全断面下泄洪水。两种工况下其对应水位区间范围为1 064～1 066.2 m，低于设计洪水位，因而瑶镇水库溃坝不会对采兔沟水库安全产生很大影响。