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變電站遭遇潰壩洪水影響的數(shù)學模型研究

文檔作者：張文超文檔來源：佛山電力設(shè)計院有限公司		更新日期： 2026年05月09日	點擊數(shù)：
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工程技術(shù)研究 2021 年第20期 220
變電站遭遇潰壩洪水影響的數(shù)學模型研究
張文超
佛山電力設(shè)計院有限公司，廣東 佛山 528000
摘　要：變電站設(shè)計中應(yīng)考慮由降雨引起的洪水，從而在設(shè)計中采取相應(yīng)的防護措施，以確保變電站建造和運行期間的
安全。文章就變電站遭遇潰壩洪水影響的數(shù)學模型展開了研究，以山塘附近某變電站為例，建立山塘潰壩洪水演進數(shù)學
模型，模擬洪水演進全過程，為變電站防、排洪工程措施提供技術(shù)依據(jù)。
關(guān)鍵詞：變電站；洪水；潰壩；數(shù)學模型
中圖分類號：TV122+.4 文獻標志碼：A 文章編號：2096-2789（2021）20-0220-02
1 研究內(nèi)容和技術(shù)路線
為緩解清城區(qū)江北地區(qū)的供電壓力，廣東電網(wǎng)有限責
任公司清遠供電局擬建設(shè) 110kV某變電站。電站站址東北
約 300m處為草頭陂山塘，由于變電站距山塘較近，山塘一
旦發(fā)生潰壩，其洪水將沿河谷向下游演進，潰壩洪水可能
威脅變電站的安全。因此，要根據(jù)草頭陂山塘的基本特性
資料、站址附近地形資料及地區(qū)洪水水文條件等，建立二
維數(shù)學模型，模擬草頭陂山塘土壩潰決的洪水過程，計算
出站址周邊的水位、流速等水力要素，為變電站的防、排
洪工程措施提供技術(shù)依據(jù)。此研究技術(shù)路線如下：
（1）收集基本資料，包括站址附近區(qū)域的水文氣象、
地形地貌資料及山塘的基本特性資料；
（2）現(xiàn)場考察，分析站址周邊地形，分析潰壩洪水可
能的演進線路；
（3）建立潰壩洪水演進數(shù)學模型，模擬洪水演進過程；
（4）分析潰壩洪水計算結(jié)果，提出站址的水深和流速分
布及特征值，為站址采取的防、排洪工程措施提供技術(shù)依據(jù)。
2 項目區(qū)自然概況
2.1 地形資料及集雨范圍
地形資料采用廣東省自然資源廳測繪的 5m分辨率的
DEM數(shù)據(jù)，高程采用1985年國家高程基準；根據(jù)地形圖繪
制出草頭陂山塘的集雨區(qū)范圍。根據(jù)計算，草頭陂山塘的
集雨區(qū)面積為 0.6km2。
2.2 流域自然地理概況
該變電站工程站址地處珠江三角洲平原與粵北山區(qū)，
兼有山區(qū)、丘陵、平原等地貌。站址兩邊丘陵都存在開挖
取土的情況，場地地表植被發(fā)育，分布灌木林、人工種植
果樹，山體上有較多的裸露巖土。站址內(nèi)自然標高約為
17 ～39m。站址南側(cè)約50m為蓮蟠路，蓮蟠路兩側(cè)建有民房；
東側(cè)地塊較為低洼，種植有部分農(nóng)作物，分布有魚塘。
2.3 水文氣象條件
（1）北江是珠江流域重要水系，有大燕河、文洞河、
筆架河、樂排河、迎咀河、銀盞河、高橋水等支流。
（2）氣候概述。該變電站工程站址氣候為以中亞熱帶
氣候為主的季風氣候，降水豐富，平均降水量為2200mm，
降水主要集中在每年的 4—9月。
（3）氣象要素特征值。站址南側(cè)約7km處有清遠氣象
站，故選用該氣象站作為變電站擬建站址的氣象參證站。歷
年最大年降水量為 2739.5mm（1997年），歷年最小年降水
量為1399.9mm（1963年），歷年最大一日降水量為640.6mm
（1982 年5月12日），最大1h降水量為141.4mm（1982年
5 月12日），最小相對濕度為8%（1976年1月12日），多
年平均雨日數(shù)為 213d。
3 潰壩洪水演進二維數(shù)學模型
3.1 基本控制方程及離散方法
（1）基本方程。描述潰壩水流運動的二維非恒定流方
程由水流連續(xù)性方程和水流沿 x 方向的動量方程及水流沿 y
方向的動量方程所組成 [1-2]。
（1）
（2）
（3）
式中：t 為時間；n 為曼寧糙率系數(shù)；x、y 分別為直角坐
標系的橫、縱坐標，m；u、v 分別為 x、y 方向的流速分量，
m/s ；z、h 分別為（x，y）處的水位與水深，m；
和 分別為 x、y 方向的水流運動阻力。
（2）數(shù)值解法。模型空間離散是使用單元中心有限體
積法設(shè)計及計算模擬。空間離散是由連續(xù)離散細分成非重
疊的單元，在水平面上非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格是用三角形單元組成
的。矢量參數(shù) u、v 位于單元中心上，在方程離散時使用。
節(jié)點上變量的計算是通過與該點相連的三角形中心和邊中
2021 221 年第20期 發(fā)展與創(chuàng)新
心連線的凈通量進行，中心上的變量則是通過該三角形三
邊的凈通量計算而最終確定。最重要的跨邊界通量的計算
方式則是采用 Riemann求解。數(shù)學模型的時間差分格采用
顯式迎風格式，過程中使用動態(tài)時間步長，網(wǎng)格大小在保
證數(shù)學計算模型收斂的條件（CFL ＜ 1）下調(diào)整。
（4）
式中：Δt 為時間；Δx 和 Δy 分別為單元 x、y 方向上
的特征長度比例。
3.2 計算范圍及網(wǎng)格布置
計算范圍北邊界包含整個草頭陂山塘庫區(qū)，南邊界至
學賢路，東邊界包含廣東嶺南職業(yè)技術(shù)學院，西邊界至清
遠奧園。模型采用三角形網(wǎng)格，共布網(wǎng)格數(shù)為17.2萬個，
網(wǎng)格尺度為 5～10m。
3.3 邊界條件
草頭陂山塘的集雨區(qū)面積很小（僅0.6km2），計算中不
考慮降雨來流，僅考慮山塘蓄水在潰壩時的下泄。草頭陂
山塘庫容小于 10萬m3，因無詳細的水位庫容曲線，計算中
山塘的蓄水保守取 10萬m3。模型下游按自由出流邊界控制。
3.4 初始條件
上游草頭陂山塘的初始水位取山塘蓄水量為 10萬m3
的水位，高程28.8m，流速取0；壩址以下初始時刻陸地取
水深為 0。
3.5 計算參數(shù)
（1）計算步長。時間步長根據(jù)計算網(wǎng)格的大小、水
深、流速及實際計算的收斂性和穩(wěn)定性自動選取，范圍為
0.01 ～0.2s。
（2）糙率取值。糙率取值根據(jù)有關(guān)資料，山塘庫區(qū)取
0.014，陸地取 0.025～0.030。
3.6 計算工況
考慮草頭陂山塘遭遇特大暴雨，泄流能力不足導致洪
水漫頂潰壩的工況，其潰決形式分析如下：草頭陂山塘大
壩為均質(zhì)土壩，其潰壩形式為逐漸潰，對于逐漸潰壩而言，
需確定兩個參數(shù)，即潰口平均寬度和潰壩歷時。根據(jù)《水
力計算手冊》土壩潰壩決口長度的計算公式：
（5）
式中：b 為潰壩決口平均寬度，m；W 為潰壩時蓄水量，
萬 m3 ；B 為潰壩的壩前水面寬度、壩頂長度等，m；H 為潰
壩的壩前水深，m；K 為與壩體相關(guān)土質(zhì)的系數(shù)，黏土 K 值
大約為 0.65，土石 K 值大約為 1.3。
W B2H
1
2
1
為壩前水體的總量，K 值是反映壩體抗沖強度的
系數(shù)。對于草頭陂山塘，W 取對應(yīng)漫頂?shù)膸烊荩瑸?0萬m3 ；
B 取 77m；H 根據(jù)水面面積和庫容計算為5.8m；K 分別取
0.65、0.8 和1.0。由此分別計算出潰口平均寬度為8.3m、
10.2m和12.7m。根據(jù)以上公式計算結(jié)果、現(xiàn)場考察情況和
參考有關(guān)資料，取潰口的平均寬度為12m；土石壩一般潰壩
潰決時間為 30～60min，此次計算按偏安全原則取潰決時
間為 30min。
4 計算結(jié)果
4.1 壩址下泄流量
隨著潰口逐漸增大，壩址流量從0逐漸增大，潰壩后
27min，壩址流量達到最大值96.9m3/s，之后隨著山塘水位
降低，流量也迅速減小，最后逐漸接近于 0。
4.2 淹沒水深分布
潰壩后不同時刻的淹沒水深分布圖如圖 1所示。由圖
1 可見，擬建變電站站址處自始至終淹沒水深為0，草頭陂
山塘的潰壩洪水對擬建變電站站址不造成淹沒影響 [3]。
圖 1 潰壩水位分布云圖
4.3 站址附近最高洪水位
擬建變電站站址附近最高水位為 15.2～16.8m，低
于擬建變電站場平標高（21m），表明擬建變電站場平標高
選取合適，草頭陂山塘的潰壩洪水不會威脅變電站的正常
運行。
5 結(jié)論
文章采用二維數(shù)學模型方法，建立草頭陂山塘潰壩
洪水演進數(shù)學模型，模擬草頭陂山塘潰壩洪水的演進全過
程，得到以下結(jié)論：（1）草頭陂山塘潰壩后27min，壩址
流量達到最大值，最大流量為96.9m3/s。（2）草頭陂山塘
的潰壩洪水對擬建變電站站址不造成淹沒影響，站址附近
的最大淹沒水深約 1m；擬建變電站站址附近最高水位為
15.2～16.8m，低于擬建變電站場平標高。就防御草頭陂
山塘的潰壩洪水而言，擬建變電站場平標高選取合適。
參考文獻：
[1] 龔志浩,蔣曉紅.基于粒子群算法的低壓管灌系統(tǒng)水力計算方
法[J].排灌機械工程學報,2021,39(10):1046-1050.
[2] 長江水利委員會長江科學院.潰壩洪水模擬技術(shù)規(guī)程:SL/T
164—2019[S].北京:中國水利水電出版社,2020.
[3] 楊鵬鵬,胡進寶,張大燕.無人機技術(shù)在電力工程水文氣象勘測
中的應(yīng)用[J].電力勘測設(shè)計,2019(S1):1-3.
作者簡介：張文超，男，本科，高級工程師，研究方向為電力
工程勘測設(shè)計。

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