摘" 要：水库大坝的溃决通常引起巨大的灾难，特别是在考虑大坝安全应急响应中，溃坝洪水预测研究尤为重要。为研究溃坝洪水带来的影响，以韶关市仁化县高坪水库为例，基于HEC-RAS软件构建了水库溃坝水动力模型，模拟了水库遭遇千年一遇校核洪水且溢洪道闸门无法开启条件下因漫顶发生溃坝的工况计算，分析了溃坝后下游淹没水深及淹没范围。提出了基于HEC-RAS软件进行水库溃坝洪水分析的技术方案，供技术人员参考，可运用到水库防灾减灾工作中，快速分析计算水库的溃坝淹没范围。
关键词：HEC-RAS软件；溃坝；洪水淹没范围
中图分类号：TP39" 文献标识码：A" 文章编号：2096-4706（2024）23-0149-04
Analysis of Reservoir Dam Break Flood Based on HEC-RAS
—Taking the Gaoping Reservoir in Renhua County as an Example
ZHONG Jianqun， LI Weitian， PENG Haibo
（Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower， Guangzhou" 510635， China）
Abstract： Dam break usually causes huge disaster. Especially in considering dam safety emergency response， dam break flood prediction research is particularly important. In order to research the impact of dam break flood， taking Gaoping Reservoir in Renhua County， Shaoguan City as an example， this paper constructs a hydrodynamic model of reservoir dam break based on HEC-RAS software， simulates the working condition calculation of dam break due to overburden under these conditions that the reservoir encounters the check flood once in a thousand years and the spillway gate could not be opened， and analyzes the downstream submerged depth and submerged area after the dam break. It puts forward technical scheme of reservoir dam break flood analysis based on HEC-RAS software for reference of the technical personnel， which can be applied to the disaster prevention and reduction work of reservoir to quickly analyze and calculate the dam break submerged area of reservoir.
Keywords： HEC-RAS software; dam break; flood submerged area
0" 引" 言
水库大坝的溃决通常引起巨大的灾难，特别是在考虑大坝安全应急响应中，溃坝洪水预测研究尤为重要。因此溃坝洪水分析与编制溃坝洪水风险图可为溃坝后洪水演进，影响范围及人口，财产损失、应急转移疏散等提供决策支持。本文以韶关市仁化县高坪水库为例，利用HEC-RAS软件建模，假定水库1 000年一遇校核洪水且溢洪道闸门无法开启情况下，分析溃坝后下游淹没水深及淹没范围，并制作溃坝洪水风险图。
1" 技术和方法
1.1" HEC-RAS软件及模型介绍
HEC-RAS软件是一个由美国工程水文中心开发，用于河道水力计算的程序[1]，目前支持一维/二维水动力，一维动床输沙等模型，具备耦合水工建筑物（坝，堤，堰等）的能力。HEC-RAS软件免费开放给公共领域，保持稳定的开发进度。HEC-RAS软件的二维水动力学模型，模型精度高，模型构建要求简单，在水利设计，溃坝评估，桥梁涉水设计，泵站调度等方面具有广泛的应用。
本案例采用HEC-RAS软件的二维非恒定流计算模块进行水库溃坝模拟[2]。HEC-RAS软件在进行水库溃决模拟时，需要建立上游库区、坝体以及下游淹没区的联合模型，并输入水位库容曲线、大坝溃决参数以及下游河道边界条件等。HEC-RAS二维水动力学模型采用浅水方程（即Navier-Stokes方程的二维简化形式）。
连续方程：
（1）
动量方程：
（2）
式中，H为水面高程，单位：m；h为水深，单位：m；为流速，单位：m/s；R为水力半径，单位：m；q为旁侧入流单宽流量，单位：m3/s；g为重力加速度，单位：m/s2；υt为水平方向运动黏度，单位：m2/s；cf为河床底部糙率；f为科里奥利系数[3]；k为垂直方向单位矢量；n为糙率。
溃口出流假设为宽顶堰进行计算，计算方程为：
（3）
式中，Q为流量，单位：m3/s；ε为堰流侧收系数；m为流量系数；B为宽顶堰宽度，单位：m；s为淹没系数；Zi，Zi+1为堰前和堰后水位，单位：m。
1.2" 溃口参数计算方程介绍
HEC-RAS软件中水库大坝是线性结构，溃口预测模块可以选择手动输入或采取软件内部集成的溃口尺寸回归方程输入相关参数预测溃口。在溃坝模拟中针对任何大坝，大坝溃口的位置、大小和溃决时间这三个参数的计算是非常重要的。通常采用Froehlich（1995a）、Froehlich（2008）、MacDonald and Langridge-Monopolis（1984）、Von Thun and Gillette（1990）和Xu and Zang（2009）经验模型进行溃坝模拟[4-10]。
本案例将采用Von Thun and Gillette回归方程进行溃口参数计算，该模型基本情况如下。
计算溃口平均宽度的方程：
（4）
其中：Bave为均溃口宽度，单位：m；hw为溃口底部的水深，单位：m；Cb为系数，是水库规模的函数，如表1所示。
溃口形成时间与溃口底部的水深的函数关系：
tf = 0.02hw+0.25（耐腐蚀） （5）
tf = 0.015hw（易腐蚀） （6）
其中：tf为溃口形成时间，单位：h；hw为溃口底部的水深，单位：m。
溃口形成时间与溃口底部的水深和平均溃口宽度的函数：
（耐腐蚀） （7）
（易腐蚀） （8）
其中：Bave为平均溃口宽度，单位：m。
1.3" 土坝漫顶溃坝原理
历史上，所有类型的大坝都曾发生过溃决，但绝大多数发生溃决的是土坝。大坝类型通常根据筑坝材料和建设形式进行分类：土石坝、混凝土拱坝、混凝土重力坝、心墙坝、支墩（重力坝和拱坝的混合体）、钢材、木材和复合材料。
本次研究的高坪水库为均质土坝，一般来说，在土坝的溢流破坏过程中，水头侵蚀过程首先会从坝堤下游一侧开始。当水越过坝顶时，坝顶就像一个宽顶堰。坝头将被侵蚀回大坝中心，并随着时间的推移而变宽。当堰头开始切向坝顶时，堰顶长度会变短，适当的堰流系数会趋向于一个尖顶堰值。当坝头切口到达坝顶上游侧时，可能会发生坝顶的整体破坏，水力控制段的作用将非常类似于尖顶堰。水头将继续侵蚀上游的堤坝，同时也会侵蚀下游的大坝，同时变宽。在此过程中，实际的堰流系数开始向宽顶堰流系数回归。当下切角到达天然河床标高时，决口处于拓宽阶段，适宜的堰系数多在宽顶堰值范围内。
2" 高坪水库溃坝模拟
本次高坪水库的溃坝模拟基于HEC-RAS软件的二维水动力学模型，首先输入地形数据、上游库区范围、设置坝顶高程、坝长等坝体参数确认坝体，确认下游计算网格大小、糙率及淹没区计算范围，建立上游库区、坝体以及下游淹没区的联合模型，然后确认模拟工况，采用Von Thun and Gillette回归方程输入溃坝时上游水位及入库流量、水位库容曲线等相关参数预测溃口的位置、大小及溃决时间，根据模拟结果可知溃口处流量过程、典型断面处的沿程溃坝演进流量、水库溃坝直接冲击或淹没的范围，淹没范围内的相关淹没指标等，并制作溃坝洪水淹没图。下文为具体模拟过程。
2.1" 工程概况
高坪水库位于仁化县西北部红山镇境内，属于锦江（浈江一级支流）支流塘村水系，塘村河发源于红山镇清水江的黄泥洞，流经伍渡到达高坪水库，再经过塘村，在小水口汇入锦江，总流域面积257 km2，河流长度为47.1 km，河床坡降9.34‰，天然落差994 m。高坪水库坝址以上集雨面积124 km2，河流长度19.44 km，河流坡降为24.31‰，是一宗以供水为主，结合防洪、灌溉、发电于一体的综合性水利工程，总库容7 286.2万立方米，是中型水库，工程等别为Ⅲ等，主要建筑物工程级别为3级，设计洪水标准为五十年一遇，校核洪水标准为一千年一遇。高坪水库是仁化县工矿企业用水、生活用水及灌溉用水的供水水源，负责整个仁化县城和几个重要国家工矿企业供水，设计灌溉面积24.667 km2，多年平均发电量2 678万千瓦时，是整个仁化县工农业发展的基础命脉。
2.2" 资料收集与分析
本次收集了高坝水库的工程特性表、库容与水位关系表、千年一遇校核洪水的入库流量过程、下游计算范围糙率等数据用于溃坝模拟。
工程特性表为保证此次溃坝模拟的时效性，采用最新安全鉴定初步成果的相关特征参数如校核洪水位375.92 m（珠基），坝顶高程378 m（珠基），坝顶长度242 m，坝顶宽度12 m等参数，通过此工程特性表在HEC-RAS软件构建高坪水库的坝体模型。水位-库容关系表中水位376 m（珠基）时7 280万立方米，水位378 m（珠基）时库容改为 7 920万立方米等。根据《韶关市仁化县高坪水库2021年水库调度运用计划》，确认千年一遇校核洪水的入库流量过程。糙率数据采用2020年Globeland30提供的30 m地表产品土地利用分类数据。地形采用2015年广东省政务版分辨率5 m的DEM数据。
2.3" 设置模拟工况
本次建模模拟高坪水库发生1 000年一遇校核洪水，且溢洪道闸门无法开启，水库发生漫顶导致溃坝的情况。
高坪水库的上游，采用千年一遇校核洪水的入库流量作为上游边界条件。设置下游计算网格大小为30 m。高坪水库下游河道为塘村水，在小水口汇入锦江水库（大型水库）库区，因此下游计算边界设在小水口下游锦江水库库区内，基本情况如图1所示。
为模拟最不利情况，在最高水位（即坝顶高程）时叠加最大入库流量，上游水库水位初始条件为378米，最大入库流量取32小时后的入库流量1 863.51 m3/s作为初始条件输入。
2.4" 溃口参数计算
溃坝方式为漫顶，溃坝触发条件为水位达到坝顶高程后触发，溃决为逐步溃决，溃决情况为全部溃坝，即全坝长（即整个大坝）都溃到坝基的情况。溃口底高程设置为315 m（考虑模型计算稳定性，在坝基高程上加一个5 m值），根据Von Thun and Gillette方程，hw为起溃水位378.7 m（坝顶高程）与溃口底部高程（坝基高程+5米）315米之差，由tf = 0.02hw+0.25 = 1.52可知溃决形成时间为1.52小时，由Bave = 2.5hw+Cb = 214.15（由表1可知，Cb取54.9）可知溃口平均宽度为214.15 m，按照溃口0.5（H：V）坡度计算，溃口底宽182 m，溃口位置为大坝正中间，堰流系数采用1.44，溃口剖面图如图2所示。
2.5" 模拟结果
2.5.1" 溃口流量过程
根据模拟结果，溃口处流量过程如图3所示，最大流量48 709 m3/s。
2.5.2" 洪水淹没图
根据模拟结果，高坪水库溃坝洪水淹没图如图4所示，主要受影响区域为董塘镇塘联村，城口镇厚塘村。
3" 结" 论
本文基于HEC-RAS软件的二维水动力学模型，根据仁化县高坪水库的实际情况建立了上游库区、坝体以及下游淹没区的联合模型，并设置模拟工况，采用Von Thun and Gillette回归方程进行溃口参数计算，模拟了高坪水库遭遇1 000年一遇校核洪水且溢洪道闸门无法开启情况下，溃坝后的溃口流量过程及下游淹没水深、淹没范围，并制作了高坪水库溃坝洪水淹没图。
文章提出基于HEC-RAS软件进行水库溃坝洪水分析的技术方案，读者后续可参考此思路，在洪水防御期间，快速分析计算某水库的溃坝淹没范围，指导现场避险转移工作，减少生命财产损失。
参考文献：
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作者简介：钟建群（1996—），女，汉族，广东梅州人，助理工程师，本科，研究方向：水利信息化。
