小井溝水庫圍堰潰決洪水演進預測分析

李先明，王占軍

（1.中國水務投資有限公司，北京 100053；2.南京水利科學研究院 大壩安全與管理研究所，江蘇 南京 210029）

水庫大壩 （圍堰）潰決后破壞性極大[1]，往往帶來巨大的生命財產損失和生態環境破壞。因此，預測分析水庫大壩 （圍堰）潰決洪水演進過程，可采取工程措施提前切斷洪水傳播路徑或采取非工程措施減少洪水對下游的損害[2]，對防洪減災具有重要意義。鑒此，本文選用適宜的高精度二維潰壩數學模型，計算施工圍堰在遭遇超標洪水時漫頂造成圍堰潰決后二維潰壩洪水演進過程，以期提高小井溝水庫工程對施工期間洪澇災害或突發緊急情況的應急反應能力。

1 工程概況

小井溝水庫位于岷江左岸一級支流越溪河干流上。越溪河流域水系呈羽狀分布，干流全長239 km，河道縱坡比降0.18%，流域面積2667 km2。水庫正常蓄水位429.00 m，100年一遇設計洪水位429.00 m，2000年一遇校核洪水位430.75 m。水庫總庫容1.6595億m3，為Ⅱ等大 （2）型工程。大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高87.6 m，壩頂寬8.0 m。上游圍堰為土石圍堰，堰頂高程381.50 m，頂寬10.0 m，上、下游邊坡坡比均為1∶1.8。下游圍堰為粘土心墻土石圍堰，頂高程353.50 m，頂寬6.0 m。圍堰迎水面和背水面坡度均為1∶1.5。

2 圍堰潰決分析

2.1 潰決主要因素分析

根據小井溝工程自然條件及樞紐布置特點，施工期上游圍堰采用土石圍堰，潰決主要因素如下:

（1）超標準洪水。按照小井溝工程2012年度度汛方案，圍堰施工期間如遇水位迅速上漲，在水位接近填筑面2.0 m且繼續上漲趨勢時，擬在圍堰填筑面上游側搶修一道寬1 m、高2 m的編織袋裝土(編織袋內裝防滲土料)臨時擋水子堰，防止洪水漫堰。但遇超標準水位，上游水位持續快速增長，則可能會引起圍堰潰決。

（2）人工破堰。如水位繼續上漲，擬在水位接近編織袋擋水堰頂高程0.5 m且有繼續上漲趨勢時，采取破堰處理，人工破堰可能引起圍堰潰決。

（3）工程質量。就一般土石圍堰而言，若存在施工質量問題，則可能出現由工程質量差引起的潰決，如管涌等。考慮到本工程的施工圍堰在上游側敷設復合土工膜1層，且復合土工膜嵌入兩側岸坡防滲槽內，寬40 cm，防滲槽內設φ22，L=1.5 m錨桿，注M20砂漿，錨入岸坡基巖1 m，伸入混凝土內50 cm，插筋2排，間距1.5 m；土工膜兩側噴20 cm厚C20混凝土；下部與戧堤粘土斜墻相接；則該圍堰因管涌引起的潰決的可能性較小。

故，本次潰決分析選擇超標準洪水引起的潰決。

2.2 潰決方式及潰口流量過程計算

根據小井溝樞紐設計洪水成果5%洪峰流量990 m3/s，調洪計算成果顯示，相應的庫水位分別為388.7 m，已經超過382.0 m。根據設計條件，當水位上升至382 m高程且有繼續上升趨勢時，采取破堰措施。為安全考慮，此時上游圍堰破堰為爆破形式，形成的潰壩洪水采用全潰的方式進行計算，且潰決時不利時機為同時遭遇洪水洪峰時。

由于圍堰下游坡度大，基本為急流，可以按照下游水位流量關系計算壩下水位。根據寬頂堰出流公式[3]計算所得潰口流量過程如圖1所示。

圖1 上游圍堰如潰決其潰口流量過程

3 潰壩洪水演進模型及其驗證

為安全起見，考慮研究小井溝水庫施工圍堰在遭遇超標洪水時漫頂造成圍堰潰決后潰壩洪水波演進過程。施工圍堰潰壩洪水演進的區域大部分位于山谷，該山谷底坡大且蜿蜒曲折，有大洪水取直的可能，選用適宜的高精度二維潰壩數學模型計算，以更好地了解潰壩洪水演進過程及產生的危害。

3.1 基本方程

連續方程

動量方程

式中，H、Z為水深和水位，m；u、v為x、y向的流速，m/s；ρ為水體密度，kg/m3；c為謝才系數。

3.2 定解條件

（2）邊界條件:上游邊界以潰決流量作為其邊界條件，下游采用無反射邊界條件。

3.3 數值方法

為保證良好的計算精度，采用二階FDS格式的有限體積法計算二維潰壩洪水演進過程。

3.4 計算區域及網格

潰壩洪水演進計算區域應包含主要敏感點及洪水出路。本工程主要敏感點主要為施工圍堰下游山谷旁的村莊、零散民居等。故，計算區域包括施工圍堰以下至征遠村的380 m等高線以下所有區域。采用三角形網格剖分，共布置計算節點90855個，控制單元174276個。由于山谷狹窄，地形變化大，網格采用均勻間距20 m布置 （見圖2）。

圖2 計算區域及網格布置

3.5 計算參數

本模型計算參數根據工程實際情況并參考以往研究資料確定。主要參數為糙率n，由于該工程潰壩洪水演進水流流勢急，大部分為急流，該參數不敏感。根據工程附近的實際情況，山谷糙率采用0.028～0.036，河道糙率取0.026。潰壩洪水水流湍急，非線性特性極強，模型計算時間步長取0.01 s。

3.6 模型驗證

模型驗證計算采用二維、平底、無摩阻、局部潰壩問題。模擬區大小為200 m×200 m，初始壩址水位為10 m，相應壩下水位為5.0 m。潰壩缺口為75 m寬 （見圖3），潰決瞬間形成一激波向下游傳播同時有一負波向上游擴散。計算區劃分為40×40個矩形單元，計算時步長為0.2 s。潰壩7.2 s后與基于N-S方程的三維模型模擬結果以及Fennema和Chaundry的計算結果進行了對比驗證 （見圖4和圖5）。驗證結果表明，本模型可滿足計算要求。

4 淹沒范圍預測分析

圖3 潰壩驗證計算區域

圖4 潰壩7.2 s后與三維模型水面對比

圖5 潰壩7.2 s后典型斷面水深對比

由潰壩洪水演進數值模擬得到20年一遇洪水條件下圍堰潰決時潰壩洪水演進水深等值線過程 （見圖 6）。

圖6 遭遇20年一遇洪水潰決時洪水演進淹沒水深過程

圖6中，x、y分別為緯、經度方向的坐標。潰壩洪水的模擬時間為潰壩后4 h，其間天然洪水洪量約1406萬m3，上游圍堰水位達到382.00 m時庫容約1200萬m3，合計潰壩洪量約2606萬m3。計算得4 h潰壩洪水約向下游演進29.5 km，平均演進速度2.0 m/s，按平均水面寬100 m計算，平均水深約8.7 m。

由圖6可以看出，該工程下游底坡陡，河谷狹窄，槽蓄量不大，造成的潰壩洪水具有演進快、水深大的特點。遭遇20年一遇洪水圍堰潰決時下游4 h后最大淹沒水深顯示 （見圖6e），圍堰潰決時下游有較多的民房將被沖毀，但只要破堰前提前組織民眾撤離，能有效避免人員傷亡。

5 結語

本文選用高精度二維潰壩數學模型，計算了小井溝水庫施工圍堰遭遇超標洪水時漫頂造成圍堰潰決后二維潰壩洪水演進過程，得到20年一遇超標準洪水條件下圍堰潰決時潰壩洪水演進水深等值線。4 h潰壩洪水約向下游演進29.5 km，平均水深約8.7 m，圍堰潰決時下游有較多的民房將被沖毀。但只要破堰前提前組織民眾撤離，能有效避免人員傷亡、減少下游損失。

［1］解家畢，孫東亞.全國水庫潰壩統計及潰壩原因分析［J］.水利水電技術， 2009， 40（12）:124-128.

［2］黃凌，孫月峰，李穎.水庫潰壩洪水數值模擬與防洪管理對策研究［J］.天津大學學報: 社會科學版， 2011， 13（2）:116-120.

［3］吳持恭.水力學［M］.3版.北京:高等教育出版社，2003.