二维水动力模型在水库溃决模拟中的应用

二维水动力模型在水库溃决模拟中的应用

溃决洪水演进机理水库洪峰坍塌引起的洪水给下游带来了巨大的生命和财产损失，这是典型的洪水灾害。我国经过几十年持续的水利水电开发建设,已拥有水库大坝8.7万座,在许多水系上已经形成梯级水库群。其中大多数水库已经运行较长时间,构成一类潜在的溃决洪水灾害。目前单个水库坝体溃决为重点关注问题,研究较多,溃坝洪水演进机理逐渐被人们所认识。与单坝溃决相比,梯级水库溃决涉及的水文、地质和坝体性能等边界条件更复杂,溃决机理还认识不清晰。受计算手段的限制,相应的研究成果有限。由于梯级水库溃决诱发的洪水对下游生命财产造成的损失远大于单库溃决,因此研究梯级水库溃决的洪水影响显得尤为重要。随着计算机性能的提高、数值离散技术的发展和溃坝洪水数值模型不断取得突破,梯级水库溃决分析已成为可能。本文应用非恒定平面二维水动力数学模型,模拟福建省闽江富屯溪上游北溪支流清溪河上的高家、霞洋梯级水库溃决情况,分别考虑高家、霞洋梯级水库同时溃决和接连溃决两种溃坝时机,研究梯级坝溃决洪水演进过程和对下游的影响,并分析评价坝体溃决时坝址处峰值流量的计算结果和精度。通过研究分析确定水库大坝溃决的洪水水位过程和洪水淹没区域等重要参数,为溃坝洪水预警和灾害评估提供参考。1模型计算网格基本控制方程采用浅水二维动力学方程,可以表述为如下的守恒形式:式中:U为守恒量向量;t为时间;q为源汇项;Uq为源汇流在x方向的水流流速;Vq为源汇流在y方向的水流流速,Vq=9.8m/s2。为更好地模拟天然河道边界,本文计算网格采用非结构三角形网格。对于某一个单元而言,模型基本变量h、u和v存储在单元中心,地形高程则存储在单元节点上,从而保证了地形在各单元界面处的连续变化。模型计算边界条件包括开边界和固壁边界两大类。其中固壁边界即无滑移边界条件,处理方式为固壁单元界面法向流速为0,切向流速与相邻内部单元相等,相应界面通量为0。开边界条件包括3种,即流量边界、水位边界以及自由出流边界。2坝体扩展高效管理研究溃坝洪水的传统方法一般是采用经验公式法,先计算溃坝峰值流量,然后用概化模型推求溃坝流量过程,并进行洪水演进。此类方法无法研究溃坝洪水的物理机理,不能考虑坝体、河道等复杂的边界条件。采用本文模型能够准确模拟溃坝之初的复杂水流过程,解决传统方法的不足。现以高家和霞洋梯级水库为例,研究分析梯级水库溃决洪水影响。2.1重要大型水库总库容及流域高家水库位于福建省闽江富屯溪上游北溪支流的清溪河上游,距光泽县城40km。该水库是一座以灌溉和发电为主、兼有防洪作用的重要中型水库,总库容3840万m3,坝址以上流域面积180km2。坝型为浆砌石单曲拱坝,坝高42.5m。霞洋水库位于高家水库下游4km,是一座以发电、防洪为主,兼有养殖的重要中型水库,总库容4068万m3,坝址以上流域面积249km2。坝型为砌石空腹重力坝,坝高48.6m。2.2坝前、坝体下游水位本文应用数值模型研究天然河流梯级坝溃决洪水过程,且考虑了强降雨对溃坝洪水过程的影响。坝体溃决前两座水库均满库,即坝前水位均已达到坝顶高程。高家水库初始坝前水位为423.3m,霞洋水库初始坝前水位为396.2m,两库之间及坝体下游水位根据实测水面线高程给定。初始流速为0。计算区域长约50km,其中高家水库以上约3km(详见图1)。采用37357个网格单元对计算区域进行离散。2.3坝体溃决波波在各种溃坝问题中,大坝溃决机理由于涉及水文、地质、坝体材料性能、施工质量等诸多因素而变得尤为复杂。水库溃坝主要原因为:坝基渗透破坏、坝体渗透破坏、超标准洪水、地震、水库联溃、泄洪闸开启故障等。溃坝类型分为三类:瞬间全溃、瞬间部分溃及逐渐溃。瞬间溃坝是溃坝的一种重要形式,主要发生于刚性坝(如砌石拱坝、砌石重力坝)。大坝溃决后,水库蓄水突然下泄,造成下游水位陡涨和库水位陡降,形成溃坝波。该波是一种断波,水流的一些物理参数在断面上产生间断。梯级水库溃坝过程中,由于受上游水库溃决洪水叠加和溃坝波影响,下游发生接连溃坝的可能性最大,也是破坏力最强的一种情况。本文分析考虑三种溃坝情况:①同时溃坝。高家水库、霞洋水库同时瞬间溃决。②接连溃坝。高家水库首先瞬间全溃,当高家水库溃决洪水波传播到达霞洋水库坝前时,霞洋水库随即瞬间全部溃决。③单独溃坝。霞洋水库单独瞬间溃决。2.4．计算结果比较采用经验计算公式和本文模型计算溃口流量,并进行精度评价,结果见表1。从表1可以看出:经验计算公式与本文模型计算结果比较接近,相差11.1%以内。相比之下,黄委会经验公式对坝址处峰值流量的计算与本文模型更接近,计算结果精度相对较高。相差的主要原因是:经验公式计算溃口流量时,一般只考虑坝体上下游水头差、溃口宽度等少数水力因素,而忽略如地形变化、入流等因素的影响,计算结果具有相当的不确定性。受数值离散方法限制,传统溃坝洪水计算方法无法模拟坝体溃决初始极端复杂的溃坝洪水过程,一般需要根据经验计算公式计算坝址处峰值流量,再进一步推求流量过程,该流量过程即作为模型入流边界进行洪水演进。本文模型准确模拟溃坝初始复杂的水流过程,无须通过经验计算公式提供入流边界,因此计算结果更可靠。2.5同级水库崩溃和洪水的影响2.5.1噬决洪水流量过程坝址处溃决洪水变化情况见表2、图2。随着坝体溃决,坝址处溃坝水流在短时间内即可达到一个峰值流量,随后流量呈下降趋势。霞洋水库溃坝流量下降过程并非表现为单一光滑的过程,而是呈现波动性下降过程,存在一个明显的“次峰值”流量,这与基于单一明渠情况下溃坝洪水过程的认识存在一定差异,说明天然河道中洪水演进过程会受到地形变化的影响。对比单个坝体与梯级坝体溃决洪水流量过程发现,坝体溃决初期,由于高家水库溃决洪水尚未传播至霞洋水库,因此单个坝体溃决洪水流量过程与梯级坝体同时溃决洪水流量过程基本一致。一旦上游溃坝洪水传播至霞洋水库,连接溃决洪水流量明显高于单个坝体溃决洪水流量。2.5.2完善坝体溃决水位变化研究3种溃坝情况下洪水传播到下游的杨梅坑、渡头、高家地、儒唐村等4个位置的洪水峰值达到时间、峰值水位和水位最大涨幅,详见表3、图3。从梯级坝体溃决后下游水位变化情况可知:当溃坝洪水到达时,下游不同位置的水位依次快速达到一个峰值,而后逐渐回落。相比之下,梯级水库溃决的峰值水位和水位涨幅明显高于单个坝体溃决情况。对梯级坝体溃决情况而言,其下游区域,同时溃决和接连溃决的水位差与洪水传播距离成反比;接连溃决与同时溃决相比,下游洪水水位存在延迟效应和渐进增强机制。2.5.3坝体溃决期洪水-高影响利用本文模型和GIS空间信息技术可以提供不同时刻的淹没范围。图4为3种情况下洪水淹没面积过程线。从图4可以看出,不论是单个坝体溃决还是梯级坝体溃决,溃坝洪水一般都要经历涨水和退水两个过程,淹没面积随时间逐渐增大而达到一个峰值,最大淹没面积接近20km2,随后缓慢减小。坝体溃决初期,单个坝体溃决情况(仅霞洋水库溃决)的洪水淹没面积与同时溃决情况的梯级坝体溃决情况基本一致,但随着时间延续,两者间的差异逐步显现,前者逐渐小于后者。梯级坝体溃决两种情况间的洪水淹没面积差异较小。3坝体噬决对坝体已塌过程的影响本文以福建省高家、霞洋梯级水库为例,应用能够有效捕捉复杂水流流态的平面二维水动力模型,通过单个坝体溃决、两个水库同时溃和接连溃等溃坝情况的分析,研究梯级水库溃决洪水的影响,得出如下结论:(1)在溃口峰值流量计算上,模型计算方法与经验计算公式方法的结果虽然比较接近,但是由于经验公式忽略了坝体溃决过程中一些因素的影响,其计算结果具有一定的不确定性,模型计算结果更可靠。(2)梯级坝体溃决对溃坝洪水的演进过程产生影响,与同时溃决情况相比,接连溃决情况下的洪水演进具有显著的延迟效应,其坝址处流量及下游的水位过程呈现渐进增强机制。(3)定性上,梯级坝体溃决洪水过程与单个坝体溃决洪水过程有很强的相似性,溃坝流量和水位在溃坝的短时间内即会达到一个峰值。定量上,梯级坝体溃