上游潰壩引發(fā)庫區(qū)土石壩梯級連潰的模擬研究

關(guān)志偉

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

上游潰壩出現(xiàn)的短時洪峰會對下游緊鄰水庫的御洪能力構(gòu)成嚴(yán)重威脅。本文基于案例潰壩過程，以單庫非恒定流潰壩數(shù)理模擬計算的方式，對上游潰壩洪水涌入下游緊鄰的梯級水庫以及下游緊鄰水庫調(diào)水御洪防范庫壩連潰進行模擬，為防范上游潰壩引發(fā)緊鄰庫區(qū)土石壩梯級連潰的工程技術(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 土石壩梯級連潰及洪水演進模擬

（1）工程概況

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

（2）下游土石壩梯級連潰

上游壩發(fā)生潰決以后，洪流經(jīng)過河道涌入下游的梯級水庫，引發(fā)水庫水位兇猛上漲，當(dāng)洪水漫過下游壩頂時，壩頂漫流過程啟動，漫流流速加大到Vc臨界值后，壩頂沖刷開始，潰壩過程啟動，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，水庫水位在14：05漫過高程465 m的壩頂，14：40沖刷流速Vc達到3.0 m/s，大壩此時開始發(fā)生潰決。案例壩體潰決模擬計算基本參數(shù)，具體見表1[2]。

表1 案例壩體潰決模擬計算基本參數(shù)

通過單庫非恒定流潰壩數(shù)理模型，計算案例潰決的流量、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

通過模擬計算，案例壩于14：48開始進入潰決過程，于22：06洪峰流量出現(xiàn)，達到8159.9 m3/s，此后流量漸次降低，直到下一日15：26潰決過程才結(jié)束，潰決過程整整持續(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）潰壩下游洪水演進模擬

依據(jù)案例潰壩的實測流量過程對潰壩下游洪水演進模擬，潰壩的實測流量過程，具體見表2。

表2 案例潰壩的實測流量過程表

模擬計算的各參數(shù)取值：時間步長取60 s，空間權(quán)重系數(shù)取0.4，時間權(quán)重系數(shù)取0.75，通過模擬計算，獲得案例潰壩致洪水涌入下游水庫的洪峰流量過程，具體曲線見圖3。

圖3 案例潰壩致洪水涌入下游水庫的洪峰流量過程

計算結(jié)果揭示，案例潰壩過程約持續(xù)14 h。上游堰塞壩潰決始于06：00，潰決洪峰流量在12：30達到6500 m3/s。洪峰于09：00涌入下游水庫，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

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

圖4 緊鄰的梯級水庫預(yù)警調(diào)水泄洪過程

圖4 揭示，從06:00開始，緊鄰的梯級水庫開始預(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，由于此時的潰壩來水其流量較比泄流量還小，故水庫水位仍然處于降低過程中；但在11:25以后，潰壩來水量開始大于調(diào)節(jié)泄流量，水庫水位不再降低而開始逐漸升高；水庫水位在14:35上漲至高程465 m的壩項，迅速出現(xiàn)洪水漫頂；在15:18漫頂流速達到3.0 m/s，水庫大壩自此開始潰決[4]。

緊鄰的梯級水庫潰決過程、流量及水位變化曲線，模擬結(jié)果具體見圖5。

圖5 緊鄰的梯級水庫潰決過程、流量及水位變化曲線

圖5 曲線結(jié)果揭示，緊鄰的梯級水庫大壩于15:18開始潰決，洪峰出現(xiàn)在在22:52，洪峰流量達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，在超級潰決流量面前，提前預(yù)警泄流只能起到推遲緊鄰的梯級水庫潰壩時間的作用，并不能完全阻止下游緊鄰的梯級水庫發(fā)生連潰。

3.2 增大泄流能力工況

工況為下游緊鄰的梯級水庫下游增設(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水庫泄流曲線見圖6[5]。

圖6 增設(shè)特別泄洪洞的緊鄰的梯級水庫泄流曲線

下游緊鄰的梯級水庫無預(yù)警，也就是上游潰壩發(fā)生后，洪水于9:00流至緊鄰的梯級水庫，水庫即時開始放水調(diào)洪，以此工況計算緊鄰的梯級水庫大壩能否發(fā)生潰壩。增大泄流能力后緊鄰梯級水庫預(yù)警調(diào)水泄洪過程，模擬計算曲線見圖 7。

圖7 增大泄流能力后緊鄰梯級水庫預(yù)警調(diào)水泄洪過程曲線圖

圖7 顯示，緊鄰梯級水庫在09:00開始放水泄洪，這時的來水流量較泄流量小，故水庫水位自461 m高程開始降低；在12:15以后，上游來水量開始高于水庫泄流量，此時水庫水位開始上升；水庫水位在16:10上漲至高程465 m的壩頂，大壩出現(xiàn)洪水漫頂；至17:36時達到最高水位465.7 m，但來水流量與水庫泄流量基本相當(dāng)，并且此時壩頂洪水流速仍較沖刷起動流速要小，所以大壩不會發(fā)生潰決。需要指出的是，雖然此工況下緊鄰梯級水庫不發(fā)生壩體潰決，但就土石壩而言，一般不允許壩頂過水，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，僅僅增大緊鄰梯級水庫的泄流能力，還不足以抵御上游潰壩后給下級緊鄰梯級水庫帶來的連潰風(fēng)險[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水庫同即增設(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，下游緊鄰梯級水庫即刻以增大的泄流能力實施放水泄洪。預(yù)警又加大泄流能力的御潰調(diào)洪過程的模擬計算，獲得御潰調(diào)洪過程曲線見圖8。

圖8 預(yù)警又加大泄流能力的御潰調(diào)洪過程

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

4 總結(jié)

本文基于某水庫潰壩過程，以單庫非恒定流潰壩數(shù)理模擬計算的方式，對上游潰壩洪水涌入下游緊鄰的梯級水庫以及下游緊鄰水庫調(diào)水御洪防范庫壩連潰進行模擬計算分析，主要研究結(jié)論如下：

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

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

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

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