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华润电力大吉林河水库的溃坝洪水分析

时间:2020-07-29 来源:东北水利水电 本文字数:2499字
作者:王晓鹏,刘玉龙 单位:辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司

  摘    要: 文章对大吉林河水库进行溃决分析,根据溃决型式,采用一维、二维耦合的方法构建模型进行洪水影响分析,并模拟出溃坝流量过程和洪水向外的扩散演进过程,为大吉林河水库大坝安全管理及避险转移安置提供理论支撑及经验借鉴。

  关键词: 大吉林河水库; 耦合数学模型; 洪水影响分析;

  1、 概述

  大吉林河是内蒙古自治区的一条内陆河流,流域面积为3 832 km2。华润电力大吉林河水库位于内蒙古西乌珠穆沁旗境内,坝址位于大吉林河中游,坝址以上控制流域面积为1 802 km2。水库建设的任务是在确保下游生态用水的前提下,适度为工业供水。水库校核洪水位1 069.10 m,设计洪水位1 068.61 m,汛期限制水位1 068.00 m。大吉林河在吉仁高勒镇政府附近穿越S307省道,水库下游12 km处为吉仁高勒镇,如果水库发生溃坝,将对下游牧区、公路和乡镇造成一定影响。

  2 、大坝溃决分析

  水库的溃决形式一般从规模上分为全溃和局部溃决;从时间上分为瞬时溃和逐渐溃。大吉林河水库坝体为黏土心墙土石坝,根据坝型特点,导致大坝发生溃决的主要原因应该是超标准洪水造成的洪水漫顶以及坝体、坝基渗透破坏造成的土坝坝体破坏。

  土坝溃坝决口长度,采用《水力学计算手册》中根据黄河水利委员会水利科学研究院实际资料分析求得的计算公式,经计算当水库漫顶溃坝宽度为140 m。公式如下:

  式中:W为溃坝时蓄水量,万m3;B为溃坝时坝前水面宽度或坝顶长度,m;H为溃坝时水头或溃坝时坝前水深,m;K为与坝体土质有关的系数,对粘土K值约为0.65,壤土K值约为1.3。

  3 、溃坝洪水分析

  3.1、 计算方法

  溃坝洪水采用DHI Water and Environment的MIKE模型系列进行洪水分析。大坝下游的洪水演进过程采用非恒定流计算,且需要模拟溃坝后水流的平面运动情况,因此河道内计算采用一维非恒定流模型,河道外采用平面二维模型。
 

华润电力大吉林河水库的溃坝洪水分析
 

  1)一维模型。MIKE11河流模型采用的是水动力学模型,即明渠不稳定流隐式格式有限差分解。其差分格式采用了六点中心隐式差分格式,其数值计算采用传统的“双扫”算法。

  2)二维模型。大坝外平面模拟采用MIKE FLOOD中的二维模块计算非恒定流,模型依据的是描述水流运动的二维非恒定流方程组。

  3)一、二维计算模块耦合连接。MIKE FLOOD模型耦合连接一、二维模块计算。在一维模块中添加设置溃坝建筑物,采用侧向大坝建筑物方式耦合连接一维与二维模块。

  溃坝部分计算采用能量方程,一维模块提供溃口位置河道侧水位,二维模块提供溃口位置坝后水位,两侧水位按照模型时间步长进行实时更新,互相影响,并维持模型的总水量守恒。

  4)溃口模型。在MIKE11溃坝模型中溃口处的水流可以通过能量方程来计算,也可以通过NWS溃坝计算方法计算。计算采用能量方程模拟计算溃口处的水流运动。

  3.2、 模型构建

  1)流量边界条件。构建一维二维耦合模型,上游一维利用库容曲线作为溃坝模型上游条件。

  溃坝考虑当发生不可抗力因素时,大坝漫顶溃坝,起溃水位为1 071.3 m。为准确模拟下游在极端工况下的洪水淹没情况,当水库水位漫顶后,按照计算溃坝宽度瞬时全溃,坝下按照无水考虑。溃坝流量由模型根据库容及下游水位变化情况进行计算。

  2)地形边界。下游为二维平面地形,地形网格为20 m×20 m。

  3)下游水位边界。下游边界为省道307北侧的大吉林河,本文模型有两处入大吉林河位置,水位分别为1 036.5 m及1 048.3 m,作为模型的下边界。

  4)平面糙率。计算区域的曼宁值反映区域内不同地物对水流的阻力作用,通过对保护区内地物地类的分析,根据相关资料确定。洪泛区糙率见表1。

  表1 洪泛区糙率表
表1 洪泛区糙率表

  5)其他参数。此次模拟计算不考虑保护区内降雨及渗漏的影响。

  4 、溃坝洪水及下游淹没影响综合分析

  模型计算起溃水位为1 071.3 m,为坝顶高程;设计溃口底高程为1 062 m,为下游河道平均高程;溃坝宽度为140 m,采取瞬时全溃的溃坝型式。

  经模型计算,最大溃坝流量约4 850 m3/s。受地形条件影响,溃坝后洪水迅速散漫扩散,由东西两条河流进入下游河流,下游河道内无其他支流汇入,大部分洪水受公路阻隔缓慢汇入左侧河流。水库溃坝洪水不同时间影响范围见图1。

  图1 水库溃坝洪水影响范围
图1 水库溃坝洪水影响范围

  水库下游至307省道淹没范围内,共有牧民32户,主要分布在沿河两岸。大吉林河水库一旦溃坝,将对下游地区造成一定影响和损害。水库溃坝后,洪水将会在8 h后抵达镇政府附近。307省道平均高于地面高程1.0~1.5 m,有一定的阻水作用,受307省道控制,溃坝洪水不会对吉仁高勒镇政府所在地居民产生影响,但溃坝洪水对下游牧民及水库进场公路会产生淹没影响。

  5 、结语

  水库溃坝为较为极端情况,为偏安全考虑,计算采取瞬时全溃的溃坝型式。水库溃坝后洪水迅速散漫扩散,由东西两条河流进入下游河流,坝下牧区淹没损失严重,洪水传播8 h后抵达307省道,大部分洪水受公路阻隔不会影响到下游吉仁高勒镇。

  上述采用的区域地形图为20 m×20 m网格高程点,与实际地形存在一定误差,洪水影响分析方案及模型概化方式仍有待进一步完善。当地政府应结合在洪水影响分析的基础上,根据溃坝洪水的淹没范围,通过对受淹居民地位置、人口数量、设施、道路和安置区域等信息的综合分析,制定水库溃坝洪水影响区域内避险转移方案。

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  原文出处:王晓鹏,刘玉龙.大吉林河水库溃坝洪水影响分析[J].东北水利水电,2020,38(07):45-46+68.
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