基于HEC-RAS的溃坝洪水及风险分析研究——以印度尼西亚淡水湖水库为例.pdf
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1、DOI:1016616/jcnki11-4446/TV20230903基于 HEC-RAS 的溃坝洪水及风险分析研究 以印度尼西亚淡水湖水库为例张 珍 吴 昊 唐 林(黄河勘测规划设计研究院有限公司,河南 郑州 450003)【摘 要】开展溃坝洪水风险研究是有效的防灾减灾措施之一,可科学量化洪水淹没范围、水深、流速等要素的空间分布特征。本文以印度尼西亚中苏拉威西省淡水湖水库为例,基于 HEC-RAS 构建二维非恒定流模型,设计三种历时的漫顶溃坝工况,模拟溃坝洪水发展过程,评估溃坝风险水平及其可能引起的生命损失。溃坝洪水及其风险研究对制定应急预案、提高工程管理水平具有重要指导意义。【关键词】溃坝
2、;HEC-RAS;风险等级;生命损失中图分类号:TV122+.4 文献标志码:A 文章编号:2097-0528(2023)09-014-05Dam breach flood and risk analysis based on HEC-RAS:A case study of freshwater reservoirs in IndonesiaZHANG Zhen,WU Hao,TANG Lin(Yellow River Engineering Consulting Co,Ltd,Zhengzhou 450003,China)收稿日期:2022-12-26作者简介:张珍(1990),女,硕士,工
3、程师,研究方向为工程水文及规划。Abstract:Conducting research on dam breach flood risks is an effective disaster prevention and mitigation measure,as itenables the scientific quantification of spatial distribution characteristics of elements such as flood inundation extent,waterdepth,and flow velocity.This paper tak
4、es freshwater reservoirs in Central Sulawesi Province,Indonesia,as a case studyand utilizes HEC-RAS to build a two-dimensional unsteady flow model.Three different scenarios of dam failure with varyingdurations are designed to simulate the development process of dam breach floods and evaluate the ris
5、k level and potentialloss of life caused by dam breaches.The study of dam breach flood and its associated risks plays a crucial role informulating emergency response plans and enhancing engineering management practices.Keywords:dam breach;HEC-RAS;risk level;loss of life 水库大坝作为水利工程拦洪蓄水的主要建筑物,具有供水、防洪、
6、发电等重要功能,大坝失事将对下游地区社会经济稳定、人民生命财产安全造成重大影响1。开展水库溃坝风险研究,可为大坝失事的早期预警、避险转移提供重要支撑,为管理部门制定工程安全应急预案提供技术参考,对科学防范水库溃坝风险,最大程度降低溃坝影响具有重要作用2。随着计算机技术和数值模拟方法的快速发展,溃41坝洪水的研究取得了较大进展,产生了多种计算模型3。其中 HEC-RAS 软件,因计算精度高、人机界面友好等优势,在洪水模拟中得到了广泛应用4-5。本文以位于印度尼西亚中苏拉威西省某工业园区的淡水湖水库为研究对象,采用分段模型法6,联合运用 HEC-RAS 和 ArcGIS 软件,模拟水库溃坝洪水,计
7、算淹没区内淹没水深、流速等特征要素,并据此探究淡水湖水库溃坝风险程度。研究成果可为淡水湖水库工程和工业园区运行管理、风险预警提供科学的参考依据。1 模型原理控制水流的物理定律是质量守恒定律和动量守恒定律,以下将其称为连续性方程和动量方程7-8。1 1 连续性方程假设流动不可压缩,连续性方程的微分形式为ht+(hu)x+(hv)y=q(1)式中:t 为时间;u、v 分别为 x、y 方向的速度分量,m/s;h 为水深,m;q 为源/汇通量,m2/s,源为正,汇为负。1 2 动量方程ut+uux+vvy=-gHx+vt2ux2+2uy()2-cfu+fv(2)vt+uvx+vvy=-gHy+vt2v
8、x2+2vy()2-cfv+fu(3)式中:t 表示时间;x、y 分别表示笛卡儿坐标系的横竖坐标轴;u、v 分别表示 x、y 方向上的流速分量,m/s;g 为重力加速度,m2/s;vt为水平方向运动黏度,m2/s;cf为底部摩擦系数;H 为水深;f 为科式力参数。模型采用四点隐式有限差分格式对非线性方程进行离散求解,运用 Newton-Raphson 迭代法进行计算。2 溃坝洪水模拟2 1 工程概况淡水湖水库工程位于印度尼西亚中苏拉威西省Bokulu 河下游,主要建筑物包括主坝、副坝、溢洪道、导流洞、供水钢管等,主坝、副坝均为黏土心墙堆石坝。坝轴线总长 523m,其中主坝坝顶长度 261m,最
9、大坝高37m;副坝坝顶长度 237m,最大坝高 11m。工程等别为等,工程规模为中型,主要建筑物级别为 3 级。永久建筑物按 50 年一遇洪水设计,1000 年一遇洪水校核。淡水湖水库工程大坝溃坝洪水潜在影响区为河道左岸下游的 Sambalagi 村及右岸工业园区。2 2 溃坝洪水过程根据入库洪水过程线、水库水位库容曲线、溢洪道泄流能力曲线等边界条件,按照宽顶堰流量公式计算溃坝洪水9-11。本文研究工况为超标准洪水引起的漫顶溃决,假定溃坝触发条件为漫顶即溃,即水库水位超过坝顶高程,坝体开始出现溃决。假定淡水湖水库初始水位为正常蓄水位,当遭遇 PMF 超标准洪水时12,水库首先通过溢洪道泄流,随
10、着水库水位逐渐抬升至坝顶高程,触发溃坝条件,坝体开始逐渐溃决13-14。假定溃口发生在主坝中部,溃口发展采用线性时间模型模拟,形状为倒梯形,在溃坝时段内发展到最终的溃口形状。假定溃口最终底宽度为主坝长度的 1/3,溃口高度为 1/2主坝坝高,溃口两侧坡角按 60考虑。2 3 模型构建2 3 1 地理模型地理建模依据的基础数据为 1 1000 地形图和园区总体规划图。园区建成后,河道右岸原始地形地貌将发生较大变化,为尽可能反映未来下垫面情况,将园区建成后地形刻入原始地形图,创建了新的地理模型。2 3 2 模型范围及网格剖分通过初步试算确定模型范围15,模型计算面积约1 11km2。二维模型计算网
11、格采用非结构化网格进行剖分,其中对左右岸道路区域进行局部加密处理。加密区域空间步长为 2m2m,其他区域空间步长为 20m20m,二维网格共生成 5566 个,最大网格 691 08m2,最小网格 3 45m2。51张 珍等/基于 HEC-RAS 的溃坝洪水及风险分析研究 以印度尼西亚淡水湖水库为例 2 3 3 边界条件和初始条件模型上边界为淡水湖水库大坝 PMF 出流过程线,下边界设定为正常水深。模型初始条件假定为干燥状态。2 3 4 下垫面糙率下垫面糙率值与区域土地利用类型密切相关。根据卫星影像及现场实勘,下游区域地形地貌主要为低矮林地,糙率取 0 04 0 0616。2 4 模拟结果由于
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