淺析面板對土石壩潰壩過程的影響

馬鐵成,崔 忠,陳 杰

(1.新疆維吾爾自治區農牧區水利規劃總站,新疆烏魯木齊830000;2.新疆水利水電勘測設計研究院,新疆烏魯木齊830000)

土石壩(又稱當地材料壩或填筑壩)是最為常用的一種壩型。截止目前,我國已建各類水庫8.7×104多座,這些水庫在防洪、灌溉、供水、發電、改善生態環境等方面發揮了巨大的作用,社會、經濟、環境效益顯著,是我國防洪保安工程體系與水利基礎設施的重要組成部分,其中土石壩是最普遍采用的一種壩型。大壩在防洪和興利方面發揮了巨大的效益,可是一旦失事或決口,將給人民的生命財產和國家經濟建設帶來巨大損失;對下游將造成毀滅性的災難,大水過后,地表土被一掃而光,土地連莊稼都不能種。據統計,全世界失事大壩的總數已超過15×104座。

為了較清楚的研究土石壩潰決后對下游的影響,因此,有必要對土石壩潰決過程進行分析。土石壩在我國占有很大比例,而近年來作為土石壩一種的面板壩發展較快,在我國應用也越來越多,面板壩與傳統的土石壩區別則是在迎水面增加鋼筋混凝土面板、瀝青混凝土面板等防滲體,本文就是否增加面板防滲體作為研究對象,對比這兩種工況下的潰壩過程。

1 潰決過程分析

土石壩潰決缺口的形成過程是水、土兩相介質相互作用的過程。潰壩原因主要是洪水漫頂和基礎管涌、滲漏。土石壩的潰決雖然屬于逐漸潰決類型,但由于引起潰壩的水流往往沖擊能力極強,從缺口開始到基本形成穩定的潰決斷面時,整個時間過程非常短暫,為安全考慮常按瞬時潰壩處理。丘陵區或平原水庫壩長達幾千米,一般只潰主要部分,即為橫向局部潰壩。土壩抗沖能力很差,決口處將沖刷到壩的基礎,甚至形成局部沖刷坑[1]。

當土石壩上游面設置混凝土面板防滲后,特殊的結構使得其有特殊的潰決特點。由實際觀測資料發現,面板壩的潰決為局部潰壩形式[2-4];在潰決過程中,面板始終在不同程度參與擋水,從決口開始到基本形成穩定的潰決斷面,整個過程需要一段時間(超過0.5 h),因此可以看作逐漸潰壩;當潰口趨于穩定時,并未潰到底,而是留有一定高度的殘壩,壩前折斷面板仍能擋水,因此,面板壩潰決過程可以概括為局部逐漸未潰到底式潰壩模式。

面板壩潰決不同于混凝土壩潰決,其決口不是一次性形成的,而是隨潰決過程不斷擴展[5],因此,面板壩的破壞不僅取決于水流條件,而且也與壩體自身的抗沖、防滲性能以及面板的適應變形程度有關。當出現壩體滲漏,形成初期決口后,在溢流與滲流共同作用下,下游壩體受沖刷,面板折斷,以及下游壩坡局部塌落是面板壩潰決的主要方式。與一般土石壩潰決不同,面板破壞參與潰壩全過程,在潰壩下泄水流中面板的作用有似傾斜薄壁堰。面板下方被其復蓋的殘存堆石體雖未被水流直接沖刷,但隨壩體沖刷加深,壩體由上而下依次崩塌,面板從頂向下加深懸空,在庫水荷載下,面板相繼折斷塌落,面板潰口相應加深,溢流量隨之增大,壩體沖刷崩塌隨之加深,面板因此更加懸空塌落,如此循環加劇潰決,直至到庫水位降低較多,溢流量大大減小,沖刷和坍塌才減少,最終趨于穩定。

在潰壩趨于穩定之前,下泄流量大于入庫流量,庫水位隨潰決過程不斷下降,處在相對穩定時刻的面板頂高程未變,所以其上的水頭相應地減少。然而,在面板折斷的瞬時,面板頂突然降至新的高程,此時的堰頂水頭也就急驟增大。由此可見,潰決水流參數隨面板折斷的變化有一定的周期性或階段性。

2 潰決過程模擬計算

無面板防滲的土石壩潰口形成過程是水文學、水動力學、挾沙動力學和土力學等的綜合過程,是水、土兩相介質相互作用的過程。潰壩的過程是從水庫里通過壩體潰口泄出的水流,將通過沖刷和坍塌而導致潰口的擴大,這一過程將持續到水庫放空或者壩體能抵抗得住水流的進一步沖刷;潰口的形成歷時主要取決于外泄的水流對筑壩材料的沖刷,與壩高、筑壩材料、材料的密實程度及漫頂泄流狀況緊密相關;潰口在橫向、垂向同時發展變化,隨著時間的推移,由于斜坡失去穩定性導致的坍塌而引起壩頂部潰口逐漸擴大。

根據實測資料發現,當土石壩增加面板防滲后,根據原型觀測發現,混凝土面板呈現不規則倒梯形潰口,梯形兩側呈鋸齒形并且相互對稱,如圖1所示。在潰壩過程中,面板始終在不同程度參與擋水,并且面板不斷折斷,因此下泄流量是一個變化值。

圖1 面板斷裂示意圖

假設將整個潰壩過程分為5個階段,第一階段,1～5號面板折斷高程為圖1所示與1號面板齊平,第二階段2～5號面板折斷同2號面板齊平,依次類推。每階段歷時較短,計算瞬時潰壩最大流量[1]:

式中:QM為瞬時潰壩最大流量(m3/s);B為潰壩時壩前水面寬度或壩頂長度(m);b為壩潰決口平均寬度(m);H為潰壩時水頭或潰壩時壩前水深(m);h為決口處殘壩壩頂至水面的距離,也稱決口頂上水深(m);g為重力加速度(m/s2)。b值主要是由引起潰壩的水流沖刷能力與壩體材料抗沖能力相互作用的結果。

3 計算實例分析

某水庫壩址積水面積198 km2,水庫總庫容為330×104m3,庫區多年平均降水量311.8 mm,屬少水干旱區。河床縱向坡降平均約為1.65%,多年平均徑流量約為1.286×107m3,平均流量約為0.4 m3/s。壩址河谷寬20 m～50 m。水庫為鋼筋混凝土面板砂礫壩,最大壩高71 m,頂寬7 m,長265 m。上游坡1∶1.6,下游坡1∶1.5。面板頂高程3 277 m,面板頂端厚0.3 m,底部厚0.6 m。中部設面板9塊,每塊寬14 m,兩側設面板18塊,每塊寬7 m。潰壩后庫內存水約50×104m3。

將潰決過程分為五部分,具體如圖1所示,假設第一次面板折斷高度都為3 272.9 m,除1號面板外第二次折斷高度為3 265.5 m,依次類推,最后一次面板折斷僅5號板,高度為3 249.5 m。具體數據見表1。

不同面板折斷高度,下泄流量相應不同,具體關系見圖2。

由圖2可以看出,當面板第二次折斷時,下泄流量達到最大,通過表1不難發現,當面板第二次折斷時的高差最大為7.4 m,當面板突然折斷,潰口相應加深,溢流量隨之增大;即下泄流量與潰口突然加深程度有關。通過計算表明計算值與現場調查值較為吻合。

表1 面板依次折斷高程

圖2 面板高度與下泄流量關系

4 結 論

在有面板防滲的土石壩潰決過程中,其決口不是一次性形成的,而是隨潰決過程不斷擴展的,面板始終在不同程度參與擋水,從決口開始時刻到基本形成穩定的潰決斷面,整個過程需要一段時間[6]。當潰口趨于穩定時,并未一潰到底,而是留有一定高度的殘壩,壩前折斷面板仍能擋水。因此,面板壩潰決可以概括為局部逐漸未潰到底潰壩模式。本文使用的潰壩模型及模擬計算方法,能基本合理可行地模擬實際工程中的潰壩失事,其結果能夠為管理部門的正確決策提供一定依據。

使用本文模型進行潰壩計算,可為有關部門的預報、防汛決策提供一定依據,可在工程突發事故前,預測下游河道地區的群眾疏散高程,為潰壩洪災的搶險做充分準備。在突發情況下,也可采用瞬時潰壩模型進行應急計算。

[1]李 煒.水力計算手冊(第2版)[M].北京:中國水利水電出版社,2006:454-455.

[2]胡去劣,俞 波.面板壩潰決過程模擬計算[J].水動力學研究與進展,2000,15(2):169-176.

[3]李君純.青海溝后水庫潰壩原因分析[J].巖土工程學報,1994,16(6):1-14.

[4]漆富冬.溝后鋼筋混泥土面板砂礫石壩潰決原因初步分析[J].紅水河,1994,13(1):50-53.

[5]朱勇輝,廖鴻志,吳中如.土壩潰決模型及其發展[J].水力發電學報,2003,22(2):31-38.

[6]劉德峰,宰維東,謝 營.小型水庫大壩潰壩風險識別研究[J].水利與建筑工程學報,2010,8(3):138-141.