李程纯子，程伊文

（1.河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州 450000；2.中国南水北调集团江汉水网建设开发有限公司，湖北 武汉 430000）

0 引言

近年来，在全球气候变化背景下，极端气象事件频发，2021年入汛以来，南水北调中线工程沿线遭受特大暴雨洪水，河南段沿线发生防洪堤冲毁、渠道滑塌、截流沟冲毁等多处险情，郭家咀、常庄等143 座水库出现不同程度的险情，特别是郭家咀水库紧邻南水北调中线工程总干渠，在郑州“7·20”特大暴雨期间发生漫坝险情，一度严重威胁下游南水北调中线工程安全。南水北调中线工程作为国之重器，开展南水北调左岸水库溃坝影响分析，对采取一定措施保障南水北调中线供水安全是十分必要且迫切的。

文章选取南水北调中线左岸水库常庄水库作为研究对象，利用MIKE FLOOD 建立一、二维耦合模型对南水北调左岸常庄水库的溃坝进行模拟，模拟溃坝洪水对南水北调中线工程的影响，从而采取一定工程措施，尽量消除溃坝洪水对总干渠的影响，保障总干渠的供水安全。

1 工程概况

常庄水库位于淮河流域颖河水系贾鲁河支流贾峪河下游，坝址在郑州市西南陇海西路与西三环交叉口西贾峪河入贾鲁河处上游2.40 km 处，东经113°33′，北纬34°44′。常庄水库溢洪道泄洪闸距离南水北调总干渠1.15 km，下游贾峪河倒虹吸穿总干渠，孔口净尺寸6 孔×4 m×4 m，100 年一遇设计洪峰流量417 m3/s，300 年一遇校核洪峰流量为556 m3/s。

常庄水库总库容1 708 万m3，控制流域面积82 km2，原规划是一座以防洪、灌溉为主，兼顾养鱼等综合利用的中型水库。由于位置重要，随着郑州市的城市发展，供用水矛盾日益突出，经上级批准，1984 年水库调整为以防洪为主、兼城市应急供水的大型管理水库。水库设计洪水标准为100 年一遇，校核洪水标准为5 000 年一遇，主要建筑物为2 级。正常蓄水位130 m，设计洪水位131.34 m，校核洪水位135.07 m，水库枢纽主要建筑物有主坝、副坝、溢洪道、输水洞，水库特征参数见表1。

表1 水库特征参数表

2 模型构建

2.1 模拟方法

MIKE FLOOD、MIKE11、MIKE 21 为丹麦DHI 公司开发的MIKE ZERO 系列软件中的子软件，MIKE FLOOD 将一维和二维模型进行耦合，耦合成一个整体的水力学模型。MIKE11 模块用于一维河道内洪水演进过程的模拟；MIKE 21 模块可模拟河流、湖泊、河口、海湾、海岸及海洋的水流演进过程，并可充分考虑水体密度、泥沙、分布式糙率系数、风场、冰盖、局部排水抽水、降雨蒸发等各种因素影响。

常庄水库溃坝对总干渠的影响，需模拟水库下游贾峪河溃坝洪水演进过程，同时考虑贾峪河倒虹吸穿总干渠的过流能力，因此，本次采用MIKE 11 模拟贾峪河倒虹吸穿总干渠的洪水演进过程，MIKE 21 模拟溃坝洪水演进过程，采用非结构化三角形网格进行剖分，控制网格边长5 ～50 m、网格面积50 ～1 500 m2，为准确描绘地形，对重要堤防如填方公路、南水北调防护堤等绘制控制线加密网格，共计剖分网格16.95 万个，最终结果可输出任意时刻任意点、断面和面上的淹没水深、到达时间、流速等各种风险要素。MIKE FLOOD 软件MIKE 11 和MIKE 21 模型文件通过耦合线进行连接。

2.2 主要参数

根据《水工设计手册》和《水力计算手册》，大坝的溃决方式一般从规模上分为全溃和局部溃；从时间上分为瞬时溃或逐渐溃。溃决方式主要决定于坝的类型、坝的基础以及溃坝原因。常庄水库位于丘陵与平原的过渡区，大坝为均质土坝，土料以低液限粉土为主。土坝的溃坝原因主要是洪水漫顶、基础渗漏和管涌，一般属于逐渐溃坝，但由于溃坝洪水流冲击力很强，整个时间过程非常短暂，为安全起见，一般可按瞬时溃坝处理。丘陵区或平原水库坝长较长，一般只溃主要部分，即为横向局部溃坝。土坝抗冲刷能力很差，已有实际资料证明决口处将冲刷到坝的基础甚至形成局部冲刷坑。文章模拟常庄水库溃坝类型从时间上确定为瞬时溃，从规模上确定为局部溃。

溃口宽度采用黄河水利委员会经验公式进行计算：

式中：b为溃口宽度（m）；W为水库库容（万m3）；B为坝顶长度（m）；H为坝高（m）；K为经验系数（取值1.00）。其中，b为溃口平均宽度，m；W为溃坝时蓄水量（104m3）；B为坝顶长度，m；H为坝前水深，m；K为与坝体土质有关系数（黏土类取0.65，壤土类取1.30）。经计算，最终溃口宽度184 m。

溃坝流量模拟：模拟常庄水库蓄水至溃坝的全过程，水库库区按实际水位～库容关系、溢洪道泄流关系构建，通过控制坝前水位设置溃坝初始时间。

2.3 模拟工况

结合土石坝溃坝实例统计分析结果，土石坝的溃坝原因主要有洪水漫顶、基础渗漏、管涌、水库调度管理、地震等特殊原因。近年来，在全球气候变化背景下，极端气象事件频发，水库遭遇超标准洪水、大坝质量问题和运行管理问题等都可能引起水库大坝溃决，南水北调工程左岸水库一旦溃坝，严重威胁下游南水北调中线工程安全。因此，结合水库工程实际，拟定2个逐渐局部瞬溃溃坝工况，分别为正常蓄水位溃坝、遭遇超标准洪水漫坝工况：①工况一；水库正常蓄水位遇地震溃坝工况，模拟常庄水库在正常蓄水位运行过程中遭遇地震导致大坝溃决工况，拟定溃口为底宽142 m 的矩形。②工况二；漫坝时溃坝工况，模拟水库遭遇超标准洪水漫坝导致的大坝溃决，拟定溃口为底宽184 m的矩形。

3 溃坝洪水对南水北调工程影响

根据不同的拟定工程，采用MIKE FLOOD软件构建的水力学模型进行计算，2个溃坝工况坝址下游贾峪河沿程断面洪峰流量、最高水位及溃坝洪水涌进总干渠洪量、最大流速见表2、表3。

表2 2个溃坝工况坝址下游贾峪河沿程断面洪峰流量、最高水位表

表3 2个溃坝工况坝址下游贾峪河沿程断面洪峰流量、最高水位表

①工况一，溃口宽度142 m，溃坝约22 min 后，洪水漫过总干渠左侧堤顶，洪水大量涌进总干渠，洪峰流量为24 ～1 400 m3/s，涌进总干渠洪量为3 560 万m3，总干渠左岸最高水位122.39 m，总干渠堤顶高程120.38 m，水位高于总干渠堤顶高程，总干渠存在漫堤风险，入总干渠最大流速0.81 m/s。②工况二，溃口宽度184 m，溃坝约12 min 内，洪水漫过总干渠左侧堤顶，洪水大量涌进总干渠，洪峰流量为94.70 ～4 946 m3/s，涌进总干渠洪量为1 480 万m3，总干渠左岸最高水位124.80 m，总干渠堤顶高程120.38 m，水位高于总干渠堤顶高程，总干渠存在漫堤风险，入总干渠最大流速2.51 m/s。

通过对洪峰到达南水北调时，洪水涌入南水北调的流场进行分析，由于该处南水北调为挖方渠段，地势低，洪水涌进南水北调流速大，可能对南水北调防洪堤、边坡、进出口闸室等将造成损毁，势必影响总干渠输水安全。

4 结论

文章基于MIKE FLOOD软件建立一维和二维耦合水动力学模型，模拟南水北调中线工程左岸常庄水库溃坝洪水的演进过程及对下游南水北调中线工程的影响，模拟结果显示，常庄水库在正常蓄水位遇地震和超标准洪水漫坝溃坝工况下，洪水大量涌进南水北调总干渠，水位高于总干渠堤顶高程，存在漫堤风险，且该处为挖方渠段，地势低，可能对南水北调防洪堤、边坡、进出口闸室等造成冲刷损毁，危及南水北调总干渠输水安全。因此针对溃坝洪水模拟和风险分析，需采取一定工程措施，如对常庄水库大坝进行加固，背水面采用防冲刷硬化防洪，降低溃坝风险；加高贾峪河倒虹吸进出口及上下游一定范围内的防护堤堤顶高程，并采用抗冲刷硬化防护等，尽量消除溃坝洪水对总干渠的影响；做好洪水预警预报，提前转移和安置淹没范围内人员和财产。