基于HEC-RAS 的水库大坝二维溃坝洪水影响研究

张雅楠

（惠州市华禹水利水电工程勘测设计有限公司，广东惠州 516025）

0 引言

随着我国基础建设水平快速提升，水库数量已经超过10 万座，虽然为人们的生活带来了便利提条件，但是一旦水库出现溃坝将会对下游人民的生命财产安全产生严重威胁，因此，确定溃坝洪水对于水库安全运行来说非常重要。当前HEC-RAS 在其中的运用范围较广，其能够准确计算出水库供水的溃坝范围以及洪水深度等参数，为洪水灾害的预警和控制工作提供参数以及技术支持。

1 HEC-RAS 在水库大坝二维溃坝洪水模拟中的运用原理

HEC-RAS 能够完成二维非恒定河流水力计算，属于集成软件，该软件中包含图形用户界面、水力学分析组件以及数据存储管理系统等，其中确保能够准确计算非恒定流。水库大坝是我国基础设施建设的重要组成部分，但是当前其发生溃坝的概率逐渐上升，水库一旦发生溃坝将会产生非常严重的后果。HEC-RAS 最初由美国陆军工程兵团水文工程中心研发，已经成为当前分析洪水模拟的主要软件。其在实际运用的过程中具有计算精度高的优势，并且免费开发，这也是其得到广泛运用的主要原因。但是当前在国内HEC-RAS 的运用仍然有待提升，相关人员可以充分利用HEC-RAS 对土石坝的溃决机制进行分析，通过模拟的方式提前预警大坝失事问题，为抗洪抢险提供信息参数，提高应急预案制定的准确性。在二维非恒定流水力计算过程中，主要采取质量守恒和动量守恒原理，利用以上定律通过偏微分方程的方式完成表达，HEC-RAS 中计算方程主要为Navier－Stokes 对二维流体的运动情况进行描述分析。这一过程中设定流动不可压缩，根据质量守恒方程的非定常微分形式完成计算。

2 HEC-RAS 对水库大坝二维溃坝洪水的影响

2.1 工程概况

本水库的控制流域面积为64km2，总库的容量为1385 万m3，工程等级为Ⅲ级，其中永久性水工建筑物的级别为3 级，洪水标准的设计根据100 年一遇的洪水设计，根据2000 年一遇的洪水完成校核。正常蓄水位为96m，洪水位为98.21m，校核洪水位为99.78m，水库设计参数如表1 所示。

表1 水库大坝设计参数

2.2 建立模型

（1）初始条件。上游水库的初始条件就是水库的起溃水位，利用整体模型方法，其中上游边界条件为2000 年一遇的校核洪水入库流量过程，将自由出流边界作为下游边界条件，该种情况下洪水如果流到下游位置，则处于自由出流状态。将无滑移边界条件作为闭边界条件，闭边界与外界进行水量交换工作，因此法向流速为0[1]。图1 为P=0.05%情况下校核洪水入库流量过程线。

图1 P=0.05%校核洪水入库流量过程线

（2）糙率的确定。糙率是完成洪演进模拟计算中的关键参数，在对其进行计算的过程中可以使用RAS Mapper，在土地覆盖糙率值中赋予二维网格，土地覆盖类型不同，确定糙率范围，将HEC-RAS 二维建模用户手册以及《明渠水力学》等作为查询对象，根据水库的实际情况确定与其相互吻合的糙率值范围，具体如表2所示。

表2 不同土地覆盖的糙率范围值

2.3 工况计算

根据上述内容能够看出水坝主要材料为混凝土心墙坝，属于土石坝，土石坝通常为逐渐溃坝，为了确保安全，在分析主坝溃坝形式的过程中使用瞬间溃坝形式。浆砌石重力坝为刚性坝，该种类型的大坝通常为瞬间溃坝形式。在对水坝主坝溃口尺寸进行预测能够看出，Von Thun＆Gillete 方程中预测的土石坝溃口尺寸最大，为了保证安全性，将主副坝瞬间全部崩溃，溃口顶宽435.00m，溃到底后起溃水位为校核洪水位99.78m，遭遇2000 年一遇校核洪水该种情况作为最危险工况[2]。水库一旦出现溃坝事故，其中可能会存在各种突发问题，例如，泄洪建筑物无法正常运行等，增加溃坝产生的危害，并且与其他类型的大坝相比，土坝的溃坝概率较高，所以在工况2 中采取主石坝全崩溃方案，并对主石坝溃口尺寸进行预测得到最终的溃口尺寸，将其作为工况3，具体工况如表3 所示。

表3 工况计算概述

2.4 计算结果

（1）溃口流量过程。在计算过程中需要建HEC-RAS几何数据模型，在水库大坝下游二维模拟区的位置设置多节多边形，确定糙率相关参数之后输入库容曲线以及大坝参数。其中，水库边界条件通常用入库洪水过程线表示，二维区域中边界条件可以用水位-流量关系图表示。在利用差分法计算非恒定流方程过程中，要先确定初始时刻中各个断面的水位位置以及流量，假设初始时刻为恒定风均匀流速，利用Newton-Raphson 计算，当前河道几何断面的形状固定，因此，能够确定末端水位情况。完成初始条件加速时间、计算公差等参数之后，计算非恒定流，在此过程中计算单元格与计算时间步长相互一致，控制空间以及时间的步长，利用这种方式提高解决方案的有效性，在完成多次测试之后，科学选择计算单元格尺寸以及计算时间步长，确保最终计算结果的准确性[3]。在不同工况中，溃口流量过程线也不同，瞬间溃口的尺寸越大，初始下泄的流量越大，其过程线的变化速度也较快，因此，在溃口尺寸较小的情况下，流量过程线的变化速度越慢。在上述3 种工况中，一分钟之内溃口的下泄流量都处于快速上升状态，并且都达到了流量最大值。其中，第三种工况流量达到顶峰之后，下泄流量的变化速度变慢，当20min 时，以上3 种工况的下泄流量分别为140.19m3、146.57m3、128.64m3。通过这一数据也能够看出在20min 之内水库的水量基本能够排泄完毕。虽然以上3 种工况的下泄流量存在差异，但是水库水量完全排泄需要的时间基本相同。

（2）溃口下游局部流态分析，在上述3 种工况的条件下流速的变化较为均匀，并且流向科学并没有发生混乱等现象，整体上看规律性较强，并没有出现发散的情况。其中局部流速在2～15m/s 处于正常合理的范围。另外，水库初始溃口越大的情况下，在一分钟之后溃口附近出现的淹没面积则越大，但是溃口附近的流速越小[4]。图2 至图4 为3 种工况条件下溃坝1min 后溃口下游局部流态。

图3 工况2 溃坝1min 后溃口下游局部流态

图4 工况3 溃坝1min 后溃口下游局部流态

（3）溃坝洪水淹没水深分析，在此过程中将淹没水深分为11 个的等级，工况不同的条件下溃坝洪水最大淹没面积和相同水深等级中，对应淹没面积较为相似。

（4）淹没水深风险分析，根据《洪水风险图编制导则》中的内容能够看出淹没水深在0.5m 以上属于危险区域范围，所以在淹没水深风险划分过程中，从0.5m作为最初等级，将其划分为4 个等级进行分析，分别为0.5～1.0、1.0～2.0、2.0～3.0、＞3.0。在本次研究的工况中，模拟结果显示最终淹没水深的分布情况并不存在较大差异，与水库越近的位置水深等级越高，因此其中存在的风险就越大，以工况1 为例，水深在0.5m 以上的情况下淹没面积达到5435.82 万m2，在总淹没面积中的占比为81%[5]。

（5）溃坝生命损失分析，在计算溃坝生命损失的过程中使用Dekay＆McClelland 方法完成估算，其中包含溃坝洪水严重等级、风险人口以及报警时间等，在此基础上建立了相应的模型：

式中：LOL——生命损失；PAR——风险人口；F——溃坝洪水严重程度；WT——警报时间。

生命损失程度系数直接显示出溃坝导致的生命损失严重程度，系数越大则表示产生的生命损失越严重，根据损失严重程度模型，洪水临界水深为0.3m 的情况下，工况1、2、3 中风险人口的数值分别为4356人、48432 人、48327 人，上述3 种工况中产生的风险人口数量并没有存在较大差异，最终得到的计算结果基本相同，所以仍然将工况1 作为研究对象，对溃坝生命损失情况进行评估。在没有预警时间的情况下，导致人员伤亡的预估人数为210 人；预警时间为1h，导致的人员伤亡人数明显下降，因此，在预警时间为1h 的情况下能够大幅度降伤亡人数的数量；而在预警时间为3.5h 的情况下则不会导致人员伤亡。由此能够看出，预警时间越长导致的生命损失越少，生命损失严重程度系数越小[6]。

3 结语

综上所述，利用HEC-RAS 对水库溃坝进行模拟研究其产生的影响，确定水库溃坝可能导致的生命损失，为预警、人员疏散以及抗洪抢险提供重要的数据信息参数，最大程度上降低水库溃坝产生的不良影响，提高应急预案设计的准确性与科学性。HEC-RAS 在实际运用的过程中能够有效提高水库的安全性，促进其在当今市场环境中能够得到持续发展。