基于HEC-RAS的闸坝溃坝洪水演进数值模拟分析

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水库是水资源调控措施的重要组成部分,给地方及国家带来了巨大的经济和社会效益。虽然随着筑坝技术愈发成熟,坝体安全性得到了很大的提高,相关部门也实施了相应的大坝监测、除险加固等措施,但是依然不能忽视大坝在超标洪水、战争、地震等极端情况下发生溃决。因此,需要防微杜渐、未雨绸缪,掌握大坝在极低概率下溃决时,溃坝洪水在下游的演进规律,有预见性的采取一系列措施以应对溃坝事故发生后带来的灾害,尽可能的降低溃坝洪水带来的损失。本文应用HEC-RAS建立了二维溃坝洪水演进模型,以高凤山闸坝为例,针对基于不同超标洪水及大坝溃口尺寸等条件制定的工况进行模拟,分析溃坝洪水在演进过程中的特性及其对上游水库、下游沿岸建筑设施及下游水利工程的影响;分别以溃口最终底部宽度、溃口最终高程、溃坝时坝前水位、入库流量四种参数为单一变量,设置不同工况进行模拟,分析了这四种参数对溃坝洪水的敏感性。主要的研究工作和所得成果如下:(1)结合HEC-RAS和Arc GIS软件,对研究区域的地形进行了处理,修正了DEM(Digital Elevation Model)地形数据中缺失的水下地形,并由土地利用类型数据对相应地类进行糙率赋值,制作了糙率图层。更高精度的地形数据和糙率的非单一取值提高了模型计算结果的精度。(2)通过谢任之的“统一公式”,计算了溃口宽度为260m、130m、87m时,分别在校核洪水位和正常蓄水位条件下的溃口流量过程。结果显示:计算所得溃口流量过程线规律符合溃坝水力学中的描述;瞬间全溃(溃口宽度为260m)时,溃口峰值流量最大,溃口流量越大,洪水排空时间越短;同一溃口宽度情况下,洪水水位越高,洪水泄空时间越短,同一洪水位情况下,溃口宽度越大,洪水排空时间越短。(3)运用HEC-RAS软件,建立了研究区域的溃坝洪水演进模型。按照不同溃口宽度、入库流量和溃坝水位拟定9种模拟工况,计算了溃坝洪水在下游的演进过程,并利用水量平衡法和流速分析验证了模型的可行性。(4)分别以溃口最终底部宽度、溃口最终高程、溃坝时坝前水位、入库流量四种参数为单一变量,设置不同工况进行模拟,分析了这四种参数对溃坝洪水的敏感性。结果表明:溃口最终底部宽度对洪峰流量大小及其对应水位的影响不大,对坝前水位的影响较大;溃口最终底部高程对洪峰流量的影响较大,当溃口底部高程增加0.21%,洪峰流量减小值达到了2.53%,但是其对坝前水位的影响甚微;起溃水位对洪峰流量和坝前水位的影响都非常小,几乎可以忽略不计;入库流量对溃口洪峰流量及其对应水位的影响很小,对坝前水位的影响较大。(5)在二维溃坝洪水演进模型计算结果的基础上,分析了溃坝洪水在下游的演进特性,以及溃坝洪水对上游库区及下游的影响。结果显示:洪峰流量的峰现时间为溃坝后的第19h50min,最大淹没水深为15m左右,洪水于第30h左右开始消退;工况F1时溃坝洪水淹没范围最大,为1371.01万m~2,其次为工况F4,淹没范围与工况F1相当,为1369.62万m~2;各工况下溃坝洪水在溃口所在断面处的流速最大,其中工况F1的溃口处流速最大,达到15m/s左右;溃坝洪水将对东岳镇、中保镇、止戈镇的多个村落造成危害,淹没居民点及大量农田,在联合调度正常响应的情况下,对下游约8km处的百花滩电站不会造成影响,但如果在极端非正常情况下,高凤山水库的溃坝洪水将对百花滩水库造成叠加洪水导致连溃的风险。
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