基于MIKE11 闸坝式电站溃坝洪水数值模拟

刘 娜，杜志水，王 盼

（西北勘测设计研究院，陕西 西安 710065）

0 引言

S 水电站工程为河床式电站，大坝为混凝土重力闸坝结构，工程属二等大（2）型；枢纽布置从左至右依次为安装间（2 孔表孔）、电站厂房坝段（6 孔溢流表孔）、4 孔泄洪闸、垂直升船机坝段（泄洪闸）和右副坝（1 孔表孔）等建筑物。主要建筑物按百年一遇洪水设计，相应洪水流量30000 m3/s，千年一遇洪水校核，相应洪水流量38100m3/s。电站坝址处多年平均流量732m3/s，正常蓄水位217.30m，相应库容1.76 亿m3，装机容量270 MW。电站可能因遭遇超标准洪水、强烈地震、地质灾害等情况，存在溃坝的可能，一旦发生溃决，将对下游电站、集镇等重要设施及沿江两岸居民点的安全产生影响。因此，在电站运行当中，需对电站溃坝洪水进行分析计算，并就溃坝洪水对下游重要设施及居民点的影响进行分析评估。

1 溃决模型

大坝建设通常情况下是能够而且是必须确保安全。但是，由于某些偶然因素或特殊原因，例如遭遇超标准洪水、强烈地震、地质灾害、战争或恐怖事件、设计与施工质量及运行管理不当等，引起水库溃坝。大坝发生溃决时，库区水量将倾泻而出，造成下游水位陡涨陡落，形成非恒定流，包括坝址上下游河道的水流波动称为溃坝波[1]，它是一种断波，会带来极强破坏性和极大危险性，将给下游淹没地区居民生命安全和财产安全产生巨大损害，造成的损失难以估计。因此，自19 世纪70 年代开始研究溃坝洪水理论，该理论属于洪水水力学的范畴，但溃坝洪水波往往发生于大坝和地方的突然溃决时段，其流量、水位在极端时间内急剧变化，波形在传播过程中发生间断，流态急剧变化[2]，其分析计算需要采取特殊的方法作特殊处理。

在20 世纪中后期，溃坝模型研究取得了很大的进展，产生了如美国的DAMBRK、荷兰的MIKE 系列、丹麦的DHI 等一系列能进行溃坝洪水计算的模型，同时在我国也于20 世纪70 年代[3]开始了系统研究溃坝数值模型。

本文采用MIKE11 水动力学溃坝模块对研究区域进行电站溃决过程数值模拟计算，为下游人口密集地区人员的撤离和制定应急处理措施提供科学依据。

MIKE11 软件[4]由一维水动力HD、溃坝DB、维对流扩散AD 等模块组成，其中水动力模块（HD）是核心和必备模块，该模块采用Abbott-Ionescu 六点隐式格式求解一维非恒定流Saint-Venant（圣维南）方程组[5～6]，具有稳定性好、计算精度高的特点，在处理大坡降河流水动力模拟问题时具有同类软件中最出色的稳定性。水动力模块是基于垂向积分的物质和动量守恒方程，即一维非恒定流圣维南方程组来模拟河流或河口的水流状态。1871 年，St.venant 首先提出了描述具有自由表面的浅水体渐变非恒定水流运行规律的圣维南方程组：

连续性方程：

运动方程：

式中：x 为流程；Q 为流量；Z 为水位；g 为重力加速度；B 为河宽；t 为时间；q1为侧向单位长度注入流量；A 为过水断面面积；R 为断面水力半径；β 为动能修正系数；n 为糙率系数。

对于溃坝计算，MIKE11 提供了两种数值计算方法，分别是基于能量方程和美国气象局DAMBRK 方程的溃坝数值分析模型。MIKE11 DB 模型是基于能量的算法，是一种基于物理机制的模拟方法。其中《DAMBRK》溃坝模型[7]在国际上比较通用，我国于20 世纪80 年代中期也引进了该模型，应用也比较广泛，曾用国内板桥水库的溃坝实例[8]进行过验证，表明它的结构性能较好，适应性强。

2 溃坝洪水案例计算及分析

2.1 计算方案

根据电站入库流量过程、枢纽布置、结合上、下游电站运行方式以及溃坝成因等因素，参考相关资料统计：土石坝一般是渐溃，历时稍长，一般为0.5 h～2.0 h；拱坝和重力坝一般为瞬间溃决，溃坝时间很短，本次计算假定溃决时间为30 s。拟定溃坝计算方案，见表1。

表1 溃坝水电站拟定不同溃坝计算方案表

2.2 计算条件

采用已有相关技术成果和水文站实测资料，结合模型计算范围内地形、地貌和地物调查结果，初选糙率参数，再利用选用的率定年份洪水过程模拟，率定河道糙率为0.040～0.050，少数河段糙率达到0.060。

上边界条件为入库流量过程，下边界条件为给定最下游横断面水位流量关系曲线。

2.3 计算结果及分析

根据拟定的方案，采用MIKE11 DB 模块溃坝计算，不同溃坝方案在溃坝坝下、A 镇代表断面、B 镇代表断面、下游电站坝下和A 水文站断面处的最大洪峰流量及最高水位见表2、图1，溃坝方案3 各代表断面溃坝水位、洪水过程线见图2。

计算结果表明：方案1、方案2 相应坝址处溃坝最大洪峰流量分别为13649 m3/s、29960 m3/s，洪水演进到A 镇、B 镇、下游电站坝下和A水文站断面洪峰流量732 m3/s～17709 m3/s，最高洪水位分别为203.81 m、2202.74 m、176.10 m、171.42 m；考虑溃坝发生突然，下游电站未采取预泄措施，一直按732 m3/s 下泄流量，而溃坝洪水相对较大，故下游库区水位不断抬高，下游电站坝前水位持续抬高，但未超过下游电站坝顶高程，下游电站下泄流量始终维持在732 m3/s，下游坝址下游水位各断面水位无变化。方案3、方案4 相应坝址处溃坝最大洪峰流量分别为40485 m3/s、42462 m3/s，两个方案溃坝洪最大峰流量相差较小，分别较千年一遇洪水洪峰流量38100 m3/s 增大2385 m3/s 和4362 m3/s，洪水演进到A镇、B镇、下游电站坝下和A水文站断面洪峰流量39916 m3/s～42064 m3/s，最高洪水位分别为221.99 m、210.48 m、203.43 m、199.14 m。

表2 溃坝后特征断面最大洪峰流量和最高洪水位成果表

图1 溃坝最高水位、洪峰流量沿程变化图

图2 溃坝方案6 各代表断面溃坝水位、洪水过程线

3 结语

（1）溃坝水电站为低水头河床式电站，坝型为混凝土重力闸坝，100 年一遇洪水设计（相应洪峰流量30000 m3/s），1000 年一遇洪水校核（相应洪峰流量为38100 m3/s）。参考有关资料，拟定计算溃堰历时30 s，根据电站高度、材料、施工质量等因素将溃坝形式分为全溃和局溃。

（2）电站正常蓄水位运行发生溃决时，由于下游电站坝顶高程较正常蓄水位高约13.5 m，即使未采取预泄措施，坝前水位也不会超过下游电站坝顶高程，不会造成下游电站发生漫顶溃决险情，但下游电站库区水位抬高会对沿程居民点、城镇可能会造成一定影响，尤其是距离溃坝坝址较近A 镇及沿河居民点，不会对下游电站坝下游造成影响。

（3）溃坝电站和下游电站敞泄运行时，因溃坝电站入库流量为超标准洪水，坝前水位超过校核水位坝体失稳引起大坝瞬时溃决。由于溃坝电站特殊的枢纽布置，整个河床均布有泄洪建筑物以及溃口与泄洪建筑物位置重合，方案5和方案6 所计算的溃坝洪水实际是电站原敞泄流量和溃决后增加流量之和。溃坝电站为低水头河床式电站，超标准洪水敞泄运行时，坝址上、下游水位差较小，溃口大小对溃坝最大洪峰流量影响不大，溃坝最大洪峰流量较坝址洪峰流量增加不多。

基于MIKE11 DB 模块模拟S 电站溃坝洪水，分析电站正常运行与超标准洪水运行下，考虑上、下游电站运行方式，模拟的溃口流量过程及下游洪水演进过程，分析代表断面洪峰流量及洪水位，为下游人口密集地区人员的撤离和制定应急处理措施提供科学依据。