上游潰壩引發(fā)庫(kù)區(qū)土石壩梯級(jí)連潰的模擬研究

關(guān)志偉

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

上游潰壩出現(xiàn)的短時(shí)洪峰會(huì)對(duì)下游緊鄰水庫(kù)的御洪能力構(gòu)成嚴(yán)重威脅。本文基于案例潰壩過(guò)程，以單庫(kù)非恒定流潰壩數(shù)理模擬計(jì)算的方式，對(duì)上游潰壩洪水涌入下游緊鄰的梯級(jí)水庫(kù)以及下游緊鄰水庫(kù)調(diào)水御洪防范庫(kù)壩連潰進(jìn)行模擬，為防范上游潰壩引發(fā)緊鄰庫(kù)區(qū)土石壩梯級(jí)連潰的工程技術(shù)應(yīng)用提供研究和技術(shù)參考。

1 非恒定流數(shù)理方程

明渠的非恒定流一維圣維南方程組：

式中：x為空間坐標(biāo)；f為時(shí)間坐標(biāo)；h為水深；g為重力的加速度；Q為單位流量；A為過(guò)水截面的面積；S0為渠底比降；Sf為阻力坡降，Sf=Q|Q|/K2；K 為流量模數(shù)[1]。

2 土石壩梯級(jí)連潰及洪水演進(jìn)模擬

（1）工程概況

該工程壩體橫河向?qū)捈s611.8 m，順河長(zhǎng)約803.4 m，壩高82.1 m，總體積約2037萬(wàn)m3，蓄水量最大可達(dá)3.16億m3。壩的頂面約寬300 m，左側(cè)高點(diǎn)高程793.9 m，中部高點(diǎn)高程752.2 m，右側(cè)高點(diǎn)高程775.0 m。上游壩坡長(zhǎng)200 m，坡比1∶4。下游坡長(zhǎng)300 m，坡比1∶2.4。堰塞壩項(xiàng)部寬約300 m，坡度在0°～5°間相對(duì)平緩。

（2）下游土石壩梯級(jí)連潰

上游壩發(fā)生潰決以后，洪流經(jīng)過(guò)河道涌入下游的梯級(jí)水庫(kù)，引發(fā)水庫(kù)水位兇猛上漲，當(dāng)洪水漫過(guò)下游壩頂時(shí)，壩頂漫流過(guò)程啟動(dòng)，漫流流速加大到Vc臨界值后，壩頂沖刷開始，潰壩過(guò)程啟動(dòng)，隨即發(fā)生下游土石壩連潰。

案例潰壩洪水在9：00開始涌入下游水庫(kù)，水庫(kù)水位在14：05漫過(guò)高程465 m的壩頂，14：40沖刷流速Vc達(dá)到3.0 m/s，大壩此時(shí)開始發(fā)生潰決。案例壩體潰決模擬計(jì)算基本參數(shù)，具體見表1[2]。

表1 案例壩體潰決模擬計(jì)算基本參數(shù)

通過(guò)單庫(kù)非恒定流潰壩數(shù)理模型，計(jì)算案例潰決的流量、水位及潰口演變曲線，具體見圖1和圖2。

圖1 案例潰決的流量及水位變化曲線

圖2 案例潰決的潰口演變曲線

通過(guò)模擬計(jì)算，案例壩于14：48開始進(jìn)入潰決過(guò)程，于22：06洪峰流量出現(xiàn)，達(dá)到8159.9 m3/s，此后流量漸次降低，直到下一日15：26潰決過(guò)程才結(jié)束，潰決過(guò)程整整持續(xù)了24.6 h，最終形成潰口高程為387.4 m，寬度為144.6 m[3]。

（3）潰壩下游洪水演進(jìn)模擬

依據(jù)案例潰壩的實(shí)測(cè)流量過(guò)程對(duì)潰壩下游洪水演進(jìn)模擬，潰壩的實(shí)測(cè)流量過(guò)程，具體見表2。

表2 案例潰壩的實(shí)測(cè)流量過(guò)程表

模擬計(jì)算的各參數(shù)取值：時(shí)間步長(zhǎng)取60 s，空間權(quán)重系數(shù)取0.4，時(shí)間權(quán)重系數(shù)取0.75，通過(guò)模擬計(jì)算，獲得案例潰壩致洪水涌入下游水庫(kù)的洪峰流量過(guò)程，具體曲線見圖3。

圖3 案例潰壩致洪水涌入下游水庫(kù)的洪峰流量過(guò)程

計(jì)算結(jié)果揭示，案例潰壩過(guò)程約持續(xù)14 h。上游堰塞壩潰決始于06：00，潰決洪峰流量在12：30達(dá)到6500 m3/s。洪峰于09：00涌入下游水庫(kù)，14:24出現(xiàn)洪峰流量，峰值在6325.4 m3/s。

3 基于不同工況的連潰模擬分析

3.1 有預(yù)警工況

為了避免下游水庫(kù)大壩連潰，當(dāng)案例上游在06：00開始潰壩時(shí)，下游緊鄰的梯級(jí)水庫(kù)立即開閘泄水，以常規(guī)蓄水位461 m起調(diào)水位，模擬計(jì)算緊鄰的梯級(jí)水庫(kù)大壩能否發(fā)生漫頂及至連潰。緊鄰的梯級(jí)水庫(kù)預(yù)警調(diào)水泄洪過(guò)程模擬計(jì)算，所得曲線具體見圖4。

圖4 緊鄰的梯級(jí)水庫(kù)預(yù)警調(diào)水泄洪過(guò)程

圖4 揭示，從06:00開始，緊鄰的梯級(jí)水庫(kù)開始預(yù)警泄洪，原461 m的水位開始下降；上游潰壩洪水在09:00涌至水庫(kù)，由于此時(shí)的潰壩來(lái)水其流量較比泄流量還小，故水庫(kù)水位仍然處于降低過(guò)程中；但在11:25以后，潰壩來(lái)水量開始大于調(diào)節(jié)泄流量，水庫(kù)水位不再降低而開始逐漸升高；水庫(kù)水位在14:35上漲至高程465 m的壩項(xiàng)，迅速出現(xiàn)洪水漫頂；在15:18漫頂流速達(dá)到3.0 m/s，水庫(kù)大壩自此開始潰決[4]。

緊鄰的梯級(jí)水庫(kù)潰決過(guò)程、流量及水位變化曲線，模擬結(jié)果具體見圖5。

圖5 緊鄰的梯級(jí)水庫(kù)潰決過(guò)程、流量及水位變化曲線

圖5 曲線結(jié)果揭示，緊鄰的梯級(jí)水庫(kù)大壩于15:18開始潰決，洪峰出現(xiàn)在在22:52，洪峰流量達(dá)7830.7 m3/s，此后逐漸降低，并于第二天15:58結(jié)束。模擬結(jié)果顯示，在超級(jí)潰決流量面前，提前預(yù)警泄流只能起到推遲緊鄰的梯級(jí)水庫(kù)潰壩時(shí)間的作用，并不能完全阻止下游緊鄰的梯級(jí)水庫(kù)發(fā)生連潰。

3.2 增大泄流能力工況

工況為下游緊鄰的梯級(jí)水庫(kù)下游增設(shè)一條特別泄洪洞，在原有基礎(chǔ)上加大泄流能力。增設(shè)特別泄洪洞的緊鄰的梯級(jí)水庫(kù)泄流曲線見圖6[5]。

圖6 增設(shè)特別泄洪洞的緊鄰的梯級(jí)水庫(kù)泄流曲線

下游緊鄰的梯級(jí)水庫(kù)無(wú)預(yù)警，也就是上游潰壩發(fā)生后，洪水于9:00流至緊鄰的梯級(jí)水庫(kù)，水庫(kù)即時(shí)開始放水調(diào)洪，以此工況計(jì)算緊鄰的梯級(jí)水庫(kù)大壩能否發(fā)生潰壩。增大泄流能力后緊鄰梯級(jí)水庫(kù)預(yù)警調(diào)水泄洪過(guò)程，模擬計(jì)算曲線見圖 7。

圖7 增大泄流能力后緊鄰梯級(jí)水庫(kù)預(yù)警調(diào)水泄洪過(guò)程曲線圖

圖7 顯示，緊鄰梯級(jí)水庫(kù)在09:00開始放水泄洪，這時(shí)的來(lái)水流量較泄流量小，故水庫(kù)水位自461 m高程開始降低；在12:15以后，上游來(lái)水量開始高于水庫(kù)泄流量，此時(shí)水庫(kù)水位開始上升；水庫(kù)水位在16:10上漲至高程465 m的壩頂，大壩出現(xiàn)洪水漫頂；至17:36時(shí)達(dá)到最高水位465.7 m，但來(lái)水流量與水庫(kù)泄流量基本相當(dāng)，并且此時(shí)壩頂洪水流速仍較沖刷起動(dòng)流速要小，所以大壩不會(huì)發(fā)生潰決。需要指出的是，雖然此工況下緊鄰梯級(jí)水庫(kù)不發(fā)生壩體潰決，但就土石壩而言，一般不允許壩頂過(guò)水，如果有漫頂溢流發(fā)生，則意味土石壩還是存在潰壩隱患。由此可見，僅僅增大緊鄰梯級(jí)水庫(kù)的泄流能力，還不足以抵御上游潰壩后給下級(jí)緊鄰梯級(jí)水庫(kù)帶來(lái)的連潰風(fēng)險(xiǎn)[6]。

3.3 有預(yù)警并增大泄洪能力工況

工況為下游緊鄰梯級(jí)水庫(kù)同即增設(shè)泄洪預(yù)警也增大放水泄流能力。當(dāng)上游在06:00開始潰壩的同時(shí)，下游緊鄰梯級(jí)水庫(kù)即刻以增大的泄流能力實(shí)施放水泄洪。預(yù)警又加大泄流能力的御潰調(diào)洪過(guò)程的模擬計(jì)算，獲得御潰調(diào)洪過(guò)程曲線見圖8。

圖8 預(yù)警又加大泄流能力的御潰調(diào)洪過(guò)程

圖8 顯示，緊鄰梯級(jí)水庫(kù)在06:00開始御洪放水，原461 m的水庫(kù)水位開始降低；上游潰壩洪水在09:00涌入緊鄰梯級(jí)水庫(kù)，此時(shí)緊鄰梯級(jí)水庫(kù)的水位己被調(diào)節(jié)至457.2 m，凈降幅達(dá)3.8 m；此時(shí)潰壩上游來(lái)水流量仍較緊鄰梯級(jí)水庫(kù)的泄流量要小，因此水庫(kù)水位還在繼續(xù)下降；直至12:12時(shí)水庫(kù)455.1 m的最低點(diǎn)水位出現(xiàn)，此時(shí)水庫(kù)的流入流出量大致相當(dāng)；緊接著，上游潰壩來(lái)水流量開始大于泄流量，水庫(kù)的水位開始出現(xiàn)上升；不過(guò)來(lái)水量與泄流量在17:54出現(xiàn)第二次大致相當(dāng)，此時(shí)水庫(kù)水位升達(dá)463.4 m的最高點(diǎn)，仍低于壩頂，沒有漫壩現(xiàn)象發(fā)生。模擬計(jì)算結(jié)果揭示，上游案例潰壩發(fā)生時(shí)，下游緊鄰梯級(jí)水庫(kù)通過(guò)增設(shè)非常泄洪通道提高泄洪能力，并通過(guò)預(yù)警提前調(diào)整庫(kù)容，極大提高了緊鄰梯級(jí)水庫(kù)的上游潰壩洪水的疏解抵御能力，能夠有效防止緊鄰梯級(jí)水庫(kù)的壩體連續(xù)潰決。

4 總結(jié)

本文基于某水庫(kù)潰壩過(guò)程，以單庫(kù)非恒定流潰壩數(shù)理模擬計(jì)算的方式，對(duì)上游潰壩洪水涌入下游緊鄰的梯級(jí)水庫(kù)以及下游緊鄰水庫(kù)調(diào)水御洪防范庫(kù)壩連潰進(jìn)行模擬計(jì)算分析，主要研究結(jié)論如下：

（1）上游發(fā)生大壩突然潰決時(shí)，潰壩短時(shí)洪峰流量往往數(shù)倍乃至數(shù)十倍于下游緊鄰水庫(kù)的地區(qū)年平均流量，下游水庫(kù)水位可能因此引發(fā)水位超標(biāo)準(zhǔn)提高甚至庫(kù)區(qū)壩體漫頂，造成下游庫(kù)區(qū)土石壩連續(xù)潰決，從而釀成更大損失。

（2）在超級(jí)潰決流量面前，提前預(yù)警泄流只能起到推遲緊鄰的梯級(jí)水庫(kù)潰壩時(shí)間的作用，并不能完全阻止下游緊鄰的梯級(jí)水庫(kù)發(fā)生連潰。

（3）增大緊鄰梯級(jí)水庫(kù)的泄流能力，能夠控制庫(kù)區(qū)漫壩洪水流速維持在不發(fā)生危險(xiǎn)沖刷的指標(biāo)范圍，但不能確保庫(kù)區(qū)洪水不發(fā)生水壩漫頂，故僅增大緊鄰梯級(jí)水庫(kù)的泄流能力，還不足以抵御上游潰壩后給下級(jí)緊鄰梯級(jí)水庫(kù)帶來(lái)的連潰風(fēng)險(xiǎn)。

（4）下游緊鄰梯級(jí)水庫(kù)通過(guò)增設(shè)非常泄洪通道提高泄洪能力，并通過(guò)預(yù)警提前調(diào)整庫(kù)容，極大提高了緊鄰梯級(jí)水庫(kù)的上游潰壩洪水的抵御能力，能夠有效防止緊鄰梯級(jí)水庫(kù)的壩體連續(xù)潰決。