基于HEC-RAS的沥青混凝土心墙坝溃坝洪水过程模拟分析

白明龙，张永红，李正原，卢 斌，谢兴华

(1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；2.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024)

0 引言

水库大坝作为水利工程拦洪蓄水的主要建筑物，对其溃坝风险研究至关重要。了解大坝溃坝的可能性和影响，可制定科学的防灾预案，提高公共安全，减小潜在危险；评估溃坝对水库下游沿岸地区社会经济的影响，为政策制定和发展规划提供依据。同时，通过研究发现工程问题，提出改进建议可以促进未来水利工程的安全可靠建设。溃坝风险研究是确保水利工程安全的必要步骤。目前针对均质土石坝[1-2]、粘土心墙坝[3]、面板坝[4-6]以及重力坝[7-8]等坝型的溃口研究相对较多，而沥青混凝土心墙坝作为一种刚发展不久的新坝型[9]，研究相对有限。本文以某水电站的沥青混凝土心墙坝为研究对象，考虑心墙对于溃口发展的影响，采用HEC-RAS软件模拟水库溃坝洪水，计算大坝溃决后的溃口流量和坝前水位，并对计算结果进行分析，确定各参数对于溃口流量的影响规律，为该水库下游沿岸地区的溃坝洪水预警提供参考依据。

1 沥青心墙坝的溃决过程分析

沥青混凝土心墙坝的心墙具有良好的防渗性能、变形适应能力和裂缝自愈能力。相对于一般土石坝的区别主要在于心墙采用了沥青混凝土材料，沥青混凝土相对于一般的防渗材料如粘土、沥青、土工膜等具有更高的强度。王廷等人[10]的实验研究结果表明，水库水位超过坝顶后，下游坝壳遭漫顶水流冲刷，形成初期小冲沟逐渐演变为大沟壑，包含阶梯状“陡坎”。沟壑不断向上游扩展，最终达坝顶。下游坝壳高程降低，沥青混凝土心墙断裂，但上游坝壳未崩塌，继续挡水。溃坝水流循环侵蚀上游坝壳，呈逐渐发展的局部溃坝。通过观察溃坝过程，在沥青混凝土心墙坝的溃决过程中，形成的溃口呈现台阶型，参照面板坝溃决流量计算方法[6]，认为沥青混凝土堆石坝的溃坝下泄水流类型为堰流。

以1979年7月27日1时党河水库副坝溃坝为例，由于暴雨导致的库水位上升，党河水库副坝的混凝土面板堆石坝发生溃决，由于沥青心墙顶有一段4～5m宽的缺口，在漫坝水流冲刷作用下很快形成初期决口。1时52分至2时，决口不断扩大，副坝溃决。副坝自坝顶冲刷深达25m，溃口上口宽96m、下口宽20m。估算瞬时最大溃坝流量2500m3/s。党河水库的溃坝案例也说明了沥青混凝土心墙坝的溃坝过程为逐渐发展的局部溃坝。

2 工程概况

以我国西南部某大(Ⅱ)型水电站主坝为例，模拟其沥青混凝土心墙坝的溃决。该电站位于四川省大渡河干流上，为大渡河上一梯级电站。该电站以发电为主，无航运、防洪、灌溉、供水等任务，发电流量1115.2m3/s。汛期运行水位2075.00m，设计洪水位2077.44m，正常蓄水位2078.00m，校核洪水位2080.30m。其主坝为沥青混凝土心墙坝，坝高97m，坝顶高程2083.00m，坝顶长379m，坝顶宽10m，上游坝坡1∶1.8，下游坝坡1∶1.7。

2.1 计算原理

本文采用HEC-RAS一维非恒定流模块进行溃坝模拟。HEC-RAS是由美国军事工程中心研发的水文水资源工程软件，主要用于河流流域的水文和水力分析，包括水流模拟、河道几何评估、泥沙输移等。一维非恒定流模块的控制方程基于一维水动力学原理，描述了水流在河道中的时变特性。该模块采用了以下基本方程：

(1)连续性方程

一维连续性方程表达了单位宽度河道中水体的质量守恒。其数学表达式为：

(1)

式中，A—河道横截面的面积；V—流速；x—空间坐标；Qin、Qout—流入、流出的流量。

(2)动量方程

一维动量方程描述了水流动态行为。在HEC-RAS中，通常使用横向积分形式的动量方程，表示为：

(2)

式中，g—重力加速度；h—水位；f—摩擦系数。

通过对这些方程的求解，软件能够模拟河道中水位和流速随时间和空间的变化，从而更全面地了解水流的动态特性。

2.2 模型设置

本次采用HEC-RAS 6.0软件进行混凝土心墙坝的溃坝模拟，研究心墙坝溃坝发生以后大坝溃口流量过程和库水位过程，具体的技术路线如图1所示：

图1 本次溃坝模拟采用的计算流程

模拟流程主要包括以下几个步骤：①建立地形文件，收集并整理地形资料，包括河道中心线、河道横断面等参数，并将其输入地形文件；②将大坝坝体结构参数、泄水建筑物泄流能力参数和溃坝控制参数输入相对应的Inline Structure模型；③输入边界条件，包括流量、水位等信息，以建立一维非恒定流文件，为模拟提供基础数据；④最后进行计算，使用模型进行数值计算，模拟大坝溃决的过程。计算过程中考虑结构参数、泄流能力、溃坝控制等因素，以获得溃坝时的水流动态。

(1)地形模型设置

该水库为山区峡谷型水库，库区狭长，本次水库模拟采用输入库区深泓线及其横断面的方式来对库区进行建模，并在库区下游建立拦河坝、河道，以建立整个研究区域的地形模型。对于水库库区，采用HEC-RAS中的Crossing Section模块，通过沿河道方向的几十个实测横断面来描述整个水库的地形情况，得到该库区的部分模型，如图2所示。对于沥青混凝土心墙坝采用Inline Structure模块进行描述，其纵剖面如图3所示。这一模拟过程允许我们更全面地理解水库的地形特征，并考虑沥青混凝土心墙坝的具体结构，从而更准确地模拟水库的运行和可能的溃决情况。

图2 地形模型的建立(部分)

图3 沥青混凝土心墙坝纵剖面

(2)溃坝相关参数的设置

在HEC-RAS软件中，通过Inline Structure模块中的Dam Breach来实现溃坝模拟。与溃坝相关的参数包括溃坝历时、溃口宽度、溃口底高程、溃口坡度、溃口发展过程、溃坝原因等。

溃坝历时的确定：考虑到大坝的型式、坝高、筑坝材料、施工质量及溃决形式的不同，可能从几分钟到数小时不等。表1中列出了一些工程实际和设计溃决历时的收集数据。根据相关资料统计，土石坝一般是渐溃，历时稍长。例如青海省沟后水库混凝土面板坝[11]及类似的巴塘、瀑布沟水电站溃坝洪水分析计算报告中，设计溃决历时分别为2.0、2.0、3.0h。本工程为大渡河上的一等工程，从不利工况考虑，并参考梅世昂[12]等人的研究成果，本次拟定本水电站最短溃坝历时为1.57h。同时，为了分析溃坝洪水洪峰流量及其向下游的演进过程对溃决历时的敏感性，拟定了溃决历时为3.00h工况。即在计算过程中选取1.57h和3.00h两个溃决历时。

表1 部分工程实际和设计溃决历时统计表

溃口形态的确定：溃口形态描叙主要由3个参数确定，溃口最终底宽b、溃口底部高程hbm和溃口边坡坡比m。溃口形态示意图如图4所示。由于实际失事机制的不确定性以及计算参数不易确定等困难，通过模拟溃口细部冲刷、坍塌和扩展过程的精确模型还达不到实用要求。鉴于以上困难，目前采用的简化和广泛适用的方法是根据经验和其它失事大坝的数据给定溃口开始到最后溃口的尺寸与形状。根据大坝的整体结构、坝址周边的地质条件以及参考类似工程(沟后水库、党河水库)的实际溃坝参数的经验方法，给定了溃口开始到最后溃口的尺寸与形状。本工程选取的溃口底宽为20m、溃口底高程2025m、溃口坡比为1.4。

图4 溃口形态及发展过程示意图

溃口发展过程的确定：基于沥青混凝土心墙坝的溃坝机理，并结合大坝本身的结构特性，取大坝发生溃坝时溃口的发展过程如图5所示。

图5 渐溃溃口分段发展曲线

溃坝原因分析：主要包括地震、漫顶、管涌等各种原因导致坝体结构的破坏。大坝按1级建筑物设计，采用防洪标准较高；抗震设防标准满足规范要求，动力计算结果表明大坝由于地震导致坝体发生动力破坏的可能性极小。因此，本文仅考虑大坝由于漫顶和管涌导致的溃坝情况。

(3)非恒定流模型设置

本文采用一维非恒定流模型对沥青混凝土堆石坝溃坝洪水进行分析计算，具体设置如下：模型上游边界选取为上游的入库洪水资料，所选取的洪水过程线如图6所示。下游边界条件选取为给定最下游横断面水位流量关系曲线如图7所示。采用恒定流计算各横断面初始水位作为非恒定流计算的初始条件。此外，对模型精度影响较大的参数主要是河段糙率，本次采用已有成果取河段综合糙率为0.040～0.060。

图6 各重现期下的洪水流量过程线

图7 坝址位置的水位流量过程线

2.3 计算工况及参数

考虑大坝在实际运行过程中遇到的运行工况，拟定该水电站10种溃决计算方案，其中正常运用情景6种(情景1—6)，非常运用情景4种(情景7—10)。

正常应用情景：汛期限制水位(2075.00m)不同流量条件下发生管涌破坏(情景1—3)、正常蓄水位(2078.00m)发电流量条件下发生管涌破坏(情景4)、设计洪水位(2077.44m)遭遇千年一遇设计洪水条件下发生管涌破坏(情景5—6)。

非常应用情景：设计洪水位(2077.44m)遭遇万年一遇校核洪水条件下发生管涌破坏(情景7)、校核洪水位(2080.30m)遭遇万年一遇校核洪水条件下发生管涌破坏(情景8—9)、校核洪水位(2080.30m)遭遇5万年一遇超标准洪水条件下发生漫顶破坏(情景10)。

不同溃坝洪水计算方案及参数见表2。这些情景涵盖了大坝在不同水位和流量条件下可能面临的各种破坏情况，从而全面评估溃坝对周边地区的影响。

3 计算结果

3.1 各情景计算结果

根据一维非恒定流计算得到情景1—10的溃坝计算结果如图8—17所示。分别将情景1—9的溃口流量过程线和坝前水位过程线汇总绘制，如图18—19所示。

图8 情景1对应的溃口处水位流量过程线

图9 情景2对应的溃口处水位流量过程线

图10 情景3对应的溃口处水位流量过程线

图11 情景4对应的溃口处水位流量过程线

图12 情景5对应的溃口处水位流量过程线

图13 情景6对应的溃口处水位流量过程线

图14 情景7对应的溃口处水位流量过程线

图15 情景8对应的溃口处水位流量过程线

图16 情景9对应的溃口处水位流量过程线

图17 情景10对应的溃口处水位流量过程线

图18 情景1—9对应的溃口流量过程的比较

图19 情景1—9对应的水位过程的比较

对于发生管涌破坏对应的情景，从图18—19可以见，当溃坝发生后，溃口流量会先随着溃口的发展呈阶梯状增大达到最大值以后再缓慢减小。坝前水位随着溃坝过程的发生出现先平缓下降，再急剧下降，最后平缓下降。这一结果的产生是由于沥青混凝土心墙坝溃坝过程是逐渐发展的，初始阶段溃口面积小，其坝前水位与溃口底高程的差值小，溃口处的流速较慢，水库水位下降速度较慢。然后随着溃坝过程的发生，溃口由于洪水的冲刷不断下切，坝前水位与溃口底高程的差值不断增大，溃口处的流量不断增大，水库水位下降速度加快。最后由于大坝自身结构的原因，溃口基本不再下切，坝前水位与溃口底高程的差值随着库水位的下降不断减小，溃口处流量缓慢下降，从而水库水位的下降速率减小。

对于发生漫顶破坏对应的情景，从图17可知，当高标准洪水来临时，坝前水位先降落后上升，溃口流量在没有溃坝时为0m3/s，当库水位高于坝顶高程(2083m)以后发生溃坝，之后马上达到洪峰流量22836.98m3/s。之后坝前水位和溃口流量过程类似于管涌破坏的情况。产生这一结果的原因是，当超标准洪水来临时利用泄水建筑物排水，入库流量小于泄水建筑物的排水能力，库水位下降。随着洪峰的到来，入库流量大于泄水建筑物的排水能力，库水位上升。当库水位高于坝顶高程时发生了溃坝。

不同工况、不同计算情景下的计算结果见表3。由计算结果得出，在正常应用情景下发生管涌破坏时最大洪峰流量为30683.69m3/s(情景5)，最小洪峰流量为25850.10m3/s(情景6)。非正常应用情景下发生管涌破坏时最大洪峰流量为31385.10m3/s(情景8)，最小洪峰流量为22102.67m3/s(情景9)。非正常应用情景下发生漫顶破坏时的最大洪峰流量为22836.98m3/s(情景10)。

表3 溃坝洪水计算结果表

3.2 计算结果的讨论

通过对3.1节计算结果进行对比分析，得到以下结论：

(1)初始运行水位的影响：初始运行水位越高，其溃口洪峰流量越大。比较情景7(初始水位2077.44m)和情景8(2080.30m)，情景8的洪峰流量(31385.10m3/s)大于情景7的洪峰流量(28575.24m3/s)。

(2)洪峰流量的重现期影响：洪峰流量的重现期越长，溃口洪峰流量越大。比较情景1(5年一遇)、情景2(20年一遇)、情景3(30年一遇)，三者随着洪水重现期的增长，洪峰流量依次增加。对比情景5(千年一遇)和情景7(万年一遇)，两者也符合这一规律。

(3)溃坝历时影响：溃坝历时对洪峰流量具有较大影响。在正常应用工况下，比较情景5(溃坝历时1.57h)和情景6(溃坝历时3h)，情景5的洪峰流量(30683.69m3/s)大于情景6的洪峰流量(25850.10m3/s)。在非常应用工况下，比较情景8(溃坝历时1.57h)和情景9(溃坝历时3h)，情景8的洪峰流量(31385.10m3/s)大于情景9的洪峰流量(22102.67m3/s)。结果表明，其他条件相同时，溃坝历时更短对应的洪峰流量越大。

(4)泄水建筑的泄流方式影响：泄水建筑的泄流方式对溃口流量也有很大影响。比较情景6和情景9，两者的工况条件除了情景6的初始水位和洪水重现期较短以外相同。然而，情景6的洪峰流量(25850.10m3/s)却远大于情景9的洪峰流量(22102.67m3/s)。这表明泄水建筑物不同的泄水方式对溃坝流量有较大影响。

4 结论

本文采用HEC-RAS模拟了某水电站在超标准洪水、管涌等因素条件下溃坝溃口发展过程，重点关注沥青混凝土心墙结构对溃口发展的影响。通过采用HEC-RAS软件进行水库溃坝洪水模拟，计算大坝溃决后的溃口流量和坝前水位，并采用单一变量对照法进行数据分析。以下是主要发现和结论：

(1)溃坝过程特点

沥青混凝土心墙坝漫顶和管涌溃坝过程以渐进式溃决为主。溃口流量在溃坝发生后呈阶梯状增大，达到最大值后缓慢减小。坝前水位在溃坝过程中先平缓下降，然后急剧下降，最终平缓下降。

(2)洪峰流量及影响因素

不同情景下，管涌破坏时最大洪峰流量在正常应用情景为30683.69m3/s(情景5)，最小为25850.10m3/s(情景6)。在非正常应用情景下，最大洪峰流量为31385.10m3/s(情景8)，最小为22102.67m3/s(情景9)。漫顶破坏时的最大洪峰流量为22836.98m3/s(情景10)。

计算结果表明：初始运行水位越高，溃口洪峰流量越大。洪峰流量的重现期越长，溃口洪峰流量越大。溃坝历时对洪峰流量具有显著影响，较短的溃坝历时对应较大的洪峰流量。泄水建筑的泄流方式对溃口流量有显著影响，不同的泄水方式导致不同的洪峰流量。

这些发现为该水库下游沿岸地区的溃坝洪水预警系统提供了科学的参考依据，有助于制定更有效的防灾措施和应急预案。