不同工況下梯級土石壩潰決模型對比研究

趙 丹

(撫順縣水利水電工程移民局，遼寧 撫順 113118)

在我國已建的大壩中，土石壩占據著重要的地位，其數量約93%左右，發生潰壩事故的概率較大[1]。國內外在對不同工況下的梯級土石壩潰壩問題的研究較少，因此運用數值模擬的方法對其進行風險分析及機制的研究具有積極的現實意義。目前，國內外在對土石壩的數值模擬研究中，所建立的潰壩模型主要包括參數模型及機理模型兩類。Vridud等通過試驗研究認為剪應力和侵蝕率的關系在特定的狀態下存在一定的線性關系[2]。在對土石壩的潰壩模型試驗研究中，主要涉及潰壩洪水及潰壩機理的研究。邵東琛分析了壩體的上游坡度、所用材料的微觀粒徑及壩高等因素，對不同工況下的潰壩過程進行了研究，分析并總結了該壩體潰決的規律[3]。江德軍在利用相關水槽的試驗中對梯級土石壩的連續潰決過程進行了研究[4]。

本文以上寺水庫為例進行土石壩潰決模型對比研究。上寺水庫位于渾河支流蓮島河中游，壩址以上流域面積48km2，河道平均比降6‰，渾河流域北高南低，最高海拔295m。上寺水庫為小(1)型水庫，設計洪水標準為50年一遇。水庫土石壩為粘土心墻壩，高程為145m，防浪墻為1.8m，壩頂寬度為60m，溢洪道凈寬度為36m，最大泄洪量720m3/s。考慮到該土石壩存在一定風險，于2014年7月進行人工開挖泄洪，泄洪槽深為12m，坡度1∶1.5，泄洪當日12時，下泄最大流量達到647m3/s，水位自142.3m下降至118.6m，至次日8時完成泄洪過程，整個過程的參數均有數據記錄，為本文的研究提供了較好的基礎條件。

1 土石壩潰決模型的對比分析

在對水庫的梯級土石壩潰決模型研究中，潰壩模型主要包括機理模型和參數模型兩類。

(1)Hec-Ras模型，是針對一維恒定流、非恒定流的水力模型，主要包括河水泥沙的沉積計算、模擬恒定流動態及對水質的測定分析等功能[3]。其中，對于大壩采用Inline Structure功能進行描述，對壩體的參數進行設置等。

(2)Dambrk模型，是一維非恒定流動力演算的潰壩洪水模型。該模式主要包括管涌及漫頂損壞兩種，在漫頂破壞模式下，該模型最為常用。

(3)Mike21 HD模型。Mike21可以模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及環境，其中的水動力模塊(HD)可以模擬湖泊、河口和海岸地區的水位變化及由于各種力的作用而產生的水流變化，可以求解動態流的連續方程和動量守衡方程，本文主要采用能量方程法對潰壩模型進行研究。

(4)堰塞壩潰決參數快速評估模型。該模型主要根據大量的數據統計分析建立的模型數據庫。可以從與壩體相關的一些物理參數中計算出大壩的潰決數據。表1為典型堰塞壩案例的計算結果。

(5)Breach模型。該模型是1997年開發的一種針對潰壩問題的軟件計算模型，目前已運用到很多現實案例中[5]。并且，對于壩體的要求簡單，在目前的梯級土石壩模型中應用很廣。

表1 典型堰塞壩案例計算結果

(6)Db-Iwhr模型。該模型是2015年開發的一種針對潰壩問題的計算模型，包括對堤壩潰口的垂直侵蝕、堤壩潰口的流水速率、堤壩潰口的橫向擴張等進行了詳細的計算[6]。計算方法較簡便，計算結果準確且精度較高。

2 試驗結果與分析

由相關文獻記載，該水庫大壩存在著潰決的風險。本文通過利用各種影響因素進行綜合分析，采用六種模型對遼寧上寺水庫大壩參數進行統計及分析，在獲取相關數據的基礎上得出對比分析的結果。

2.1 Hec-Ras模型輸入參數及計算結果

采用Hec-Ras軟件模型對上寺水庫大壩潰決過程進行數值模擬分析，其中需要輸入的物性參數見表2。

表2 Hec-Ras模型所利用的計算參數

計算的結果指標主要有堤壩潰口處水的流量及水庫中水位的變化，其變化過程見圖1所示。

圖1 水庫中水位的計算值與實測值曲線

該Hec-Ras軟件模型中沒有計算潰口的特有方程公式，因此需要預先在軟件模型建立時設置好堤壩潰口的時序變化程序。該計算結果受到影響的因素較多，對堤壩潰口的寬度、深度、水庫的流速等信息參數不能得到計算結果[7]。

2.2 Dambreak模型輸入參數及計算結果

模擬了上寺堰塞壩爆發過程，計算結果包括堤壩中水量的流量線、潰壩口水量的流量線，潰壩口的底部寬度變化及水庫中水流的流速變化等。水庫中水位的計算值與實測值曲線具體如圖2所示，計算模擬的潰壩口水流量與實際流量曲線如圖3所示，計算模擬的潰壩口水流速與實際流速曲線如圖4所示。

圖2 水庫中水位的計算值與實測值曲線

圖3 計算模擬的潰壩口水流量與實際流量曲線

模型類別體積V1寬度W高度H水庫容積V2β1β2β3β4β5三參數模型全參數模型21.09622.384321-0.724-1.762-1.8130.714-0.6590.661-1.896-87.210.671-2.802

圖4 計算模擬潰壩口水流速與實際流速曲線

2.3 Mike21 HD模型輸入參數及計算結果

利用Mike21 HD模型對上寺水庫大壩潰決過程進行數值模擬分析，輸入物性參數見表3。

表3 Mike21 HD模型所用的主要輸入參數

計算結果主要有堤壩潰口底部高程、堤壩潰口水面的寬度、堤壩潰口的流量、水庫中水的流速及水位等。水庫中水位的計算值與實測值曲線如圖5所示，堤壩潰口底部高程的計算值與實測值曲線如圖6所示。

圖5 水庫中水位的計算值與實測值曲線

圖6 堤壩潰口底部高程的計算值與實測值曲線

結果顯示，通過利用該模型計算出來的最大洪水流量為672.5m3/s，與實際值的誤差為6.1%，洪水出現的時間節點和實際值比較接近。堤壩潰口的底部高程、水庫水位和實際測量值相差不大[8]。但是，堤壩潰口水面的寬度值則與實際值偏差較大，原因在于Mike21 HD模型沒有充分考慮潰口側面的石壁損壞情況，導致計算出的數值不能準確的表示出其變化的趨勢。

2.4 潰決參數快速評估模型輸入參數及計算結果

利用三參數模型和全參數模型對上寺水庫大壩潰決過程進行數值模擬分析，需要利用的輸入物性參數見表4。

計算結果主要有堤壩潰決時間、潰口的最終底部寬度、潰口最終的頂部寬度、潰口最終的深度及潰壩洪峰流量等，見表5。

表5 水庫大壩潰決過程計算結果

從表4中可以看出，利用全參數模型計算的數值較三參數模型更加準確。其中，峰值流量的計算結果與實際數值相差不大，相對誤差小于1%。計算的堤壩潰決時間和實際數值相差2.5h。在堤壩的潰口參數計算中，潰口最終的深度值和頂部寬度值相比其他參數指標而言沒有過大的偏差，潰口的最終底部寬度值在兩個參數模型中相差較大[9]。

2.5 Breach模型輸入參數及計算結果

利用Breach模型對上寺水庫大壩潰決過程進行數值模擬分析[10]。輸入物性參數見表6。

表6 Breach模型的主要輸入參數

計算結果主要有堤壩口底部高度及寬度變化過程、水庫水位線的控制及堤壩口水流量控制線等。水庫水位的計算值與實測值曲線見圖7，堤壩潰口底部高程的計算值與實測值曲線見圖8。

圖7 水庫中水位的計算值與實測值曲線

圖8 堤壩潰口底部高程的計算值與實測值曲線

用Breach模型對整個堤壩潰壩過程進行了比較完整的計算和分析，不過仍存在一些計算過程復雜、不確定性因素較多的問題。結果顯示，該模型計算出的潰口流量為635.2m3/s，潰口流量和出現的時間與實際值有較大偏差。同時還可以看出，堤壩口底部高度、水庫水位值與實際測定情況相比有些許不同，并且呈現不斷降低的趨勢，而且堤壩口底部寬度的變化形式與實際情況的很大相同之處，就是在數值上有比較大的偏差。

2.6 Db-Iwhr模型輸入參數及計算結果

利用Db-Iwhr模型對上寺水庫大壩潰決過程進行數值模擬分析，輸入物性參數見表7。

表7 Db-Iwhr模型的主要輸入參數

計算結果主要有堤壩口底部高度及寬度變化過程、水庫水位線的控制、水庫水流速及堤壩口處水流量的控制線等。水庫水位計算值與實測值曲線見圖9，堤壩潰口底部高程的計算值與實測值對比見圖10。

圖9 水庫中水位的計算值與實測值曲線

圖10 堤壩潰口底部高程的計算值與實測值曲線

Db-Iwhr模型與其他幾種模型的不同之處，主要在于不需要對潰壩的初始及最終尺寸參數進行設置，運用相關的理論可以對其現實的堤壩進行模擬計算得出結果。結果顯示，模擬計算的潰壩洪峰水流量為752.8m3/s，和實際值相差不大。且計算的流量變化曲線和實際的情況比較相一致，僅水流量數值略顯偏大。流速變化基本與實際情況一致，最大速度6.25m/s，接近測量值6.14m/s。峰值流量過后，測得的儲層水位和河道底部高程緩慢降低，直到恒定。模擬值顯示持續下降，是因為模型未考慮壩斷裂過程后期的砂沉積。在達到突破寬度測量值的高峰后迅速下降，達到最大值后模擬破裂寬度保持不變。

3 結論

以上寺水庫的大壩潰決問題為研究對象，分別采用了Hec-Ras、Dambrk、Mike21 HD、Breach、Db-Iwhr以及潰決參數快速評估等六種模型對不同工況下的梯級土石壩連潰過程進行數值模擬分析，并著重比較了每個模型的計算準確性。根據計算精度，最終選取Db-Iwhr模型作為土石壩潰決的計算模型。本文研究結果對梯級土石壩潰決模型選擇具有一定應用價值。

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