潰壩洪水計算中計算工況的合理選擇

許增培

(四川省水利水電勘測設計研究院，成都，610072)

1 前言

隨著經濟社會的發展，興建水利工程逐漸成為保障民生及水安全的重要戰略，隨著水庫大壩的興建，潰壩現象也時有發生，據統計，1954年-2006年我國共發生3498座潰壩案例[1]，其中絕大多數為土石壩，且潰壩原因多為漫頂潰壩及因質量問題而導致工程各部位管涌破壞。當前潰壩計算主要采用模型試驗和數值模擬的方法進行分析[2]，目前模擬潰壩計算的軟件主要有HEC-RAS、MIKE11、BREACH等一維、二維水力學計算軟件[3-5]，不同工況條件下計算所得潰壩流量差異較大，選擇適當潰壩計算工況能有效地提高應急預案的經濟合理性，當險情發生時能有效降低下游損失[6-8]。

2 工況設置思路

2.1 基礎資料收集

基礎資料收集是潰壩計算的前提條件，其中水庫資料包括水位庫容關系、水庫大壩泄流設施；水文資料則包含各頻率設計洪水過程，潰壩計算中往往需要更高的重現期洪水；地形資料以作為潰壩計算洪水演進基礎資料；工程形象面貌則包含水庫當前各部位狀態，有助于了解在當前工程各項設施的運行情況；施工進度計劃可以初步了解施工期的大壩在汛前所建成的形象面貌；工程管理資料則能夠對水庫發生險情時制定處置計劃提供參考依據。

2.2 調洪分析

調洪分析目的在于判斷大壩潰壩的類型，主要考慮是漫頂潰壩還是管涌潰壩。分別分析在下泄通道暢通、完全堵塞、部分暢通情況下，上游來流不同頻率洪水時，調洪計算可能達到的最高水位，若該水位超過當前壩體壩頂高程，則會發生漫頂情況，反之不會發生漫頂。當設計洪水重現期越大，壩前水庫也越高，發生漫頂的可能性也更大，但如果采用設計洪水重現期過大則其發生的概率極小，此情況下考慮漫頂潰壩顯然是不合理的。如何界定洪水重現期是否合理，與大壩承擔的任務及設計標準有關，若洪水重現期遠大于其校核洪水重現期，按此計算顯然是不合理的，因此則不考慮漫頂潰壩。

2.3 工況設置

在制定應急預案中，通常以最危險工況作為推薦，在同等壩前水位，同樣潰口樣式下，因管涌潰壩歷時比漫頂潰壩更久，所以漫頂潰壩所得的潰壩流量相比管涌潰壩大得多，因此通過分析如可能發生漫頂，則可僅計算漫頂潰壩工況而不考慮管涌潰壩工況。如通過分析不會發生漫頂，則僅考慮其管涌潰壩，同時還需根據壩體設施布置情況考慮管涌發生的條件，即管涌時壩前水位及管涌開始發展的高程。

圖1 潰壩計算技術路線

3 案例分析

3.1 工程概況

某水庫是一座以灌溉、防洪、城鄉生活及工業供水等綜合利用的水利工程，該工程總庫容1.6656億m3，設計壩型為瀝青混凝土心墻壩，最大壩高104.8m，壩頂高程654m，設計洪水重現期100年，校核洪水重現期2000年。工程設無壓泄洪洞，底板高程598m，弧形閘門控制；兩孔溢洪道，底板高程633.5m，采用WES實用堰。該工程處于建設期，導流洞正常運行，底板高程562m。

2019年汛前形象面貌：大壩整體填筑至610m，超過上下游圍堰高程，導流洞正常運行，泄洪洞及溢洪道未施工完成，不具備泄流條件，未提前蓄水。

2020年汛前形象面貌：大壩整體填筑至653.85m，超過上下游圍堰高程，導流洞正常運行，泄洪洞及溢洪道按施工進度計劃基本完工，但本汛期暫不考慮其參與泄洪，庫內未蓄水。

3.2 調洪分析

收集水庫水文資料，該水庫各頻率洪水特性如表1。

表1 各頻率洪水特性

由于水庫處于建設期，庫內未蓄水，5%頻率壩址處汛期(5-10月)徑流為23.2m3/s，相應導流水位約1.75m，對應水位為563.75m，相應庫容為90萬m3；2019年汛前大壩整體填筑至610m，相應庫容4373萬m3；2020年汛前大壩整體填筑至653.85m，相應庫容17484萬m3，施工期最多可容納洪水庫容17394萬m3。

若考慮導流洞完全堵塞，對于2019年汛前，上游即使來10年一遇洪水，洪量為7620萬m3，壩前水位也將超過610m高程，從而導致漫頂；但對于2020年汛前而言，上游即使來500年一遇洪水，洪量17219萬m3也比可容納庫容17394萬m3要小，即導流洞完全堵塞，2020年汛前即使來500年一遇洪水，也不會漫頂。

同樣，通過考慮導流洞正常下泄和部分(50%)下泄條件下，再進行調洪計算分析，可得以下結果，如表2、表3。

表2 導流洞正常下泄調洪計算結果

表3 導流洞部分下泄調洪計算結果

從調洪結果可以看出，在導流洞正常運行條件下，200年一遇洪水壩前最高水位611.16m，超過2019年汛前壩高610m，發生漫頂潰壩，而5000年一遇洪水壩前最高水位628.16m，遠低于2020年汛前壩高653.85m；在導流洞部分下泄(50%)條件下，5000年一遇洪水，壩前最高水位也只有635.86m，同樣不會發生漫頂。故2020年汛期潰壩計算若考慮漫頂潰壩顯然是不合理的，因此僅考慮管涌潰壩。但對于2019年汛期潰壩計算而言，在導流洞正常運行下，上游來200年一遇洪水，壩前水位都會漫頂，因此，考慮其漫頂潰壩是合理的。

3.3 工況設置

從以上分析可以得出，2019年汛期潰壩數值模擬應考慮漫頂導致的潰壩，而2020年汛期潰壩數值模擬則僅考慮管涌導致的潰壩。

2019年汛前考慮為漫頂工況，當上游來200年一遇洪水時，壩前最高水位611.16m，比壩頂高程高1.16m，通過采取必要的搶護措施可以避免漫頂，因此考慮更危險的情況，即上游來500年一遇洪水，導流洞正常泄洪，水位上升至610m開始漫頂潰壩，導致大壩全潰，潰壩歷時4h。

2020年汛前考慮為管涌工況，當壩前水位上升至溢洪道高程后可以通過采取必要的措施宣泄洪水，因此考慮壩前最高水位與溢洪道底板齊平，此高程相當于上游來2000年一遇洪水，導流洞部分下泄調洪后壩前最高水位，即壩前水位633.5m，大壩管涌全潰，起潰高程為潰口中心607m，潰壩歷時相比漫頂更長，取6h。

3.4 計算結果

通過設置工況，潰口采用速算的方法，潰口發展呈S型曲線分布，以潰口流量經驗公式估算法進行計算，下游河道洪水傳播采用一維圣維南方程組進行計算。

(a)壩址處 (b)壩址下游21km處

(a)壩址處 (b)壩址下游21km處

從計算結果可以看出，2019年漫頂全潰洪峰流量11622m3/s，2020年管涌全潰洪峰流量9852m3/s，2020年潰壩洪峰流量較2019年減小1770m3/s，這與隨著壩體加高，壩體防洪水平相應提高一致。此外可以看出，管涌潰壩歷時長，洪量大，洪水坦化效果相比漫頂潰壩更弱，因此管涌潰壩對下游的影響范圍更遠，同時因其歷時較長，對于下游也有更多的預警時間。

通過計算結果分析可以看出，2019年度汛預案中應著重做好上游水情預報以及下泄通道下泄能力的定期檢查，而2020年度汛預案中則更應著重對壩體本身的監測，防止發生壩體滲漏導致管涌破壞。對于下游的避洪轉移方案，因管涌破壞流量坦化弱，洪水影響范圍廣，因此應考慮下游更遠范圍內的避洪轉移方案。

4 結論

本文提出了通過調洪分析來確定潰壩計算工況的方法，通過對比分析某水庫2019年和2020年汛期潰壩洪水計算工況的差異，從對比結果中可以看出，采用本文中的方法能有效保證潰壩工況設置的合理性，做到制定應急預案時具有針對性，符合當前實際情況，做到經濟合理。