HEC-RAS在二维溃坝模拟中的应用——以红旗水库为例

黄彬彬，葛立明，徐 娴，王 悦

(1.南昌工程学院鄱阳湖流域水工程安全与资源高效利用国家地方联合工程实验室，江西 南昌 330099；2.江西省地质矿产勘查开发局902地质大队，江西 新余 338000)

据2017年全国水利发展统计公报，中国现有水库98 795座，水库总库容约9 035亿m3[1]。大坝在国家基础设施中起着至关重要的作用，然而受年久失修等多种因素的影响，中国溃坝事故时有发生。据统计，1954—2018年，中国发生溃坝事故的水库有3 541座[2]。水库一旦失事，将给人民的生命财产造成巨大损失。

HEC-RAS是美国陆军工程兵团水文工程中心开发的水力计算程序，是用于生成和分析洪水模拟最常用的程序之一[3]。相较于MIKE，HEC-RAS在二维模型上起步较晚，但由于HEC-RAS免费开放，且计算精度较高，因此国外对于HEC-RAS的应用比较广泛，而国内对于HEC-RAS在二维溃坝模拟等工程领域方面却应用不多，且国内的相关参考资料较少[4]。本文采用HEC-RAS对红旗水库的溃坝进行模拟，研究了土石坝的溃决机理，同时模拟分析结果可为大坝失事的早期预警、人员疏散和抗洪救灾提供重要信息，为红旗水库制定水库大坝防洪减灾工作规划及水库大坝安全管理应急预案提供技术参考。

1 工程概况

红旗水库位于安徽省潜山市源潭镇境内，大沙河支流的鲁坦河上，东经116.64°，北纬30.83°，属长江流域菜籽湖水系。本文研究区域为红旗水库及其下游区域，包括潜山市源潭镇，桐城市青草镇、新渡镇、双港镇、双新经济开发区，以及怀宁县马庙镇、金拱镇等行政区域。研究区域地理位置见图1。

图1 研究区域地理位置

水库控制流域面积64 km2，总库容1 385万m3，兴利库容1 079万m3，工程等别为Ⅲ级，主要永久性水工建筑物级别为3级。洪水标准按100年一遇洪水设计，2 000年一遇洪水校核。水库正常蓄水位96.0 m，设计洪水位98.21 m，校核洪水位99.78 m。水库大坝相关参数见表1。

表1 水库大坝相关参数 单位：m

2 模型构建

2.1 数据来源

红旗水库洪水入库流量过程线由红旗水库管理所提供，水库P=0.05%校核洪水入库流量过程线见图2，其洪峰流量为2 590 m3/s。库容曲线根据库区地形图量算得到。地形数据来源于NASA，为分辨率9 m×9 m的DEM。利用ArcGIS对下载的DEM进行镶嵌和裁剪，从而得到研究区域内的DEM。坐标系采用CGCS2000 3 Degree GK CM 117E。

图2 P=0.05%校核洪水入库流量过程线

2.2 初始条件和边界条件

上游水库的初始条件为水库的起溃水位，坝址以下初始时刻为干河床。本文采用整体模型法。上游边界条件取红旗水库2 000年一遇的校核洪水入库流量过程。下游边界条件设为自由出流边界，洪水若传播到下边界则自由出流。闭边界条件一般取无滑移边界条件，闭边界不与外界进行水量交换，即法向流速为0。

2.3 确定糙率

糙率是洪水演进模拟计算中的一个重要参数[5]。本文通过RAS Mapper来实现土地覆盖中的糙率值赋值于二维网格，根据不同的土地覆盖类型，从HEC-RAS二维建模用户手册[6]、澳大利亚降雨和径流修正项目15：城市和农村洪泛区的二维建模(2012年11月)[7]以及《明渠水力学》[8]中查询相应的糙率范围值，并通过现场调查确定相应的糙率值，见表2。本文所采用的土地覆盖数据分辨率为30 m×30 m，来源于国家基础地理信息中心，见图3。

图3 土地覆盖数据

表2 不同土地覆盖类型下的n值

2.4 计算工况

红旗水库主坝为混凝土心墙坝(土石坝)，副坝为浆砌石重力坝。土石坝的溃坝形式通常为逐渐溃坝，从安全角度考虑，本文主坝溃坝形式采用瞬间溃坝。浆砌石重力坝属于刚性坝，刚性坝的溃坝形式一般为瞬间溃坝[9]。5种回归方程对土石坝溃口尺寸预测结果见表3。

通过以上对红旗水库主坝溃口尺寸的预测可以看出，Von Thun&Gillete(1990)方程在土石坝溃口尺寸预测上得出的溃口尺寸最大。为安全考虑，工况1的溃坝方案为红旗水库可能面临的最危险工况。由于在所有坝型中土坝的溃坝概率最高，远远高于浆砌石重力坝，因此工况2采用主坝(土石坝)全溃的溃坝方案。根据表3对红旗水库土石坝溃口尺寸预测结果，本文选取Von Thun&Gillete(1990)方程计算得到的溃口尺寸作为工况3(表4)。

表3 土石坝溃口尺寸预测结果

表4 计算工况描述

3 计算结果及分析

3.1 溃口流量过程

图4为3种不同工况下的溃口流量过程线。由图可知，瞬时溃口尺寸越大，初始下泄流量越大，初始下泄流量过程线变化越快，而溃口尺寸越小溃口流量过程线变化越缓慢。3种工况在1 min内溃口下泄流量都急剧上升并达到了溃口下泄流量最大值。相较于前2种工况，到达流量峰值之后工况3的溃口下泄流量变化却呈现缓慢下降趋势。20 min时，3种工况的溃口下泄流量分别为140.19、146.57、128.64 m3/s，由此可见水库的水量基本在20 min内排完。通过对比发现，虽然3种工况的下泄流量不同，但是水库水量排泄完所用时间基本相同。

图4 溃口流量过程线

3.2 溃口下游局部流态

图5a—5c分别为工况1、2、3条件下溃坝1 min后溃口下游局部流态，黑色箭头表示水流流向，颜色的变化表示流速大小的变化。从流态图中可以看出各工况条件下流速值变化均匀，流向合理不紊乱，液态整体规律性强，无发散迹象，局部流速约为2～15 m/s，在合理范围内。此外，对比图5a—5c，发现水库初始溃口越大，溃坝1 min后溃口附近淹没面积越大。对比图5a与5b，发现水库初始溃口越大，溃坝1 min后溃口附近流速越小。

a)工况1

3.3 溃坝洪水淹没水深分布

为了更直观详细的展示淹没水深分布状况，本文将淹没水深分为11个水深等级，即小于0.5、0.5～1.0、1.0～2.0、2.0～3.0、3.0～4.0、4.0～5.0、5.0～10.0、10.0～15.0、15.0～20.0、20.0～25.0、大于25.0 m。由表5可以看出不同工况条件下的溃坝洪水最大淹没面积及相同水深等级下对应的淹没面积基本相同。本文以工况1为例，绘制溃坝洪水历时1、5、12、26 h的淹没水深分布图，见图6。通过表6可以看出，虽然3种工况的溃口大小不同，但溃坝洪水到达各镇区的时间基本相同。通过表7可以看出，各工况下溃坝洪水在各镇区的最大淹没面积基本相同。

表5 各工况下溃坝洪水最大淹没水深的淹没面积统计

a)历时1 h

表6 各工况下溃坝洪水到达各镇区历时统计 单位：min

表7 各工况下溃坝洪水在各镇区的最大淹没面积统计 单位：万m2

溃坝洪水淹没区域包括了源潭镇镇区、青草镇镇区、新渡镇镇区、双港镇镇区以及佛子庵、江凤形、江花屋、樟树、源潭村、梓树、横河埂、贾瓦屋、下胡老屋、柳林街、东畈、高壁脚、土楼、吴店、罗家老屋、方家小老屋、李圩、底园、高城屋、金庄、小屋、张家新屋、祠堂畈、永济村、邱寨、八亩坂、汪屋、刘湾、程老、王寨、彭家塝、朱家井、徐家河、沙圩、幸福、红星、上马、朱圩、邵家湾、老濠、五合村、毕畈村、上湾、李家圩、彭家湾、小河边、三保圩、双亭、郑圩村、雷濠、占圩、江家老屋、塘闸、黄湾、李老屋等村社的部分面积和209省道、206国道、G4212沪渝高速的部分道路段。

3.4 淹没水深风险图

据SL 483—2017《洪水风险图编制导则》[10]中规定，当淹没水深大于0.5 m时就是危险区域，因此本文淹没水深风险图划分从0.5 m开始，分别取4个水深等级，即0.5～1.0、1.0～2.0、2.0～3.0、大于3.0 m[11]。本文3种工况的模拟结果在溃坝洪水最大淹没水深分布上相差不大。因此本文以工况1为例绘制淹没水深风险图，见图7。从图中可以看出，越靠近水库，水深等级越大，风险越大。根据计算得到水深大于0.5 m的淹没面积为5 435.82万m2，占总淹没面积的81.66%。

图7 工况1的淹没水深风险图

3.5 溃坝生命损失评估

本文采用较为常用的Dekay&Mc Clelland法对红旗水库溃坝生命损失作初步估算[12]。美国垦务局Dekay和Mc Clelland对大量溃坝历史记录数据进行经验统计与回归分析后，在1993年提出了包含溃坝洪水严重程度、风险人口、警报时间与生命损失的模型。

L(p)=a+blnPAR+cWT+dF+eWT×F

(1)

对于生命损失严重程度系数的计算一般采用如下函数：

y=a(lgx)b

(2)

生命损失严重程度系数反映了溃坝造成的生命损失严重程度，系数越大，则生命损失越严重。根据模型模拟结果及分析，本文溃坝洪水严重程度F取0.5，参数b取0.1。参照国外的经验[13-14]，本文洪水临界水深取0.3 m，通过计算得到工况1、2、3条件下的风险人口分别为48 356、48 432、48 327人。由于3种工况下风险人口差别不大，计算得到的结果相同，因此本文以工况1为例进行溃坝生命损失评估。

由表8可知，提前预警时间为0时，即无预警时，人员伤亡人数达210人，当预警时间为1 h，人员伤亡人数明显降低，此计算结果对美国垦务局[15]提出的警报时间为60 min时可以充分减少死亡人数的理论相互印证，当预警时间为3.5 h，无人员伤亡。因此警报时间越长，生命损失和生命损失严重程度系数越低[16]。

表8 工况1条件下红旗水库溃坝生命损失评估结果

4 结语

本文以安徽省潜山市红旗水库为研究对象，利用HEC-RAS进行了水库溃坝模拟，绘制了淹没水深风险图，探讨了红旗水库溃坝生命损失。研究成果可为大坝失事的早期预警、人员疏散和抗洪救灾提供重要信息，为红旗水库制定水库大坝防洪减灾工作规划及水库大坝安全管理应急预案提供技术支撑。