小井溝水庫(kù)圍堰潰決洪水演進(jìn)預(yù)測(cè)分析

李先明，王占軍

（1.中國(guó)水務(wù)投資有限公司，北京 100053；2.南京水利科學(xué)研究院 大壩安全與管理研究所，江蘇 南京 210029）

水庫(kù)大壩 （圍堰）潰決后破壞性極大[1]，往往帶來(lái)巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失和生態(tài)環(huán)境破壞。因此，預(yù)測(cè)分析水庫(kù)大壩 （圍堰）潰決洪水演進(jìn)過(guò)程，可采取工程措施提前切斷洪水傳播路徑或采取非工程措施減少洪水對(duì)下游的損害[2]，對(duì)防洪減災(zāi)具有重要意義。鑒此，本文選用適宜的高精度二維潰壩數(shù)學(xué)模型，計(jì)算施工圍堰在遭遇超標(biāo)洪水時(shí)漫頂造成圍堰潰決后二維潰壩洪水演進(jìn)過(guò)程，以期提高小井溝水庫(kù)工程對(duì)施工期間洪澇災(zāi)害或突發(fā)緊急情況的應(yīng)急反應(yīng)能力。

1 工程概況

小井溝水庫(kù)位于岷江左岸一級(jí)支流越溪河干流上。越溪河流域水系呈羽狀分布，干流全長(zhǎng)239 km，河道縱坡比降0.18%，流域面積2667 km2。水庫(kù)正常蓄水位429.00 m，100年一遇設(shè)計(jì)洪水位429.00 m，2000年一遇校核洪水位430.75 m。水庫(kù)總庫(kù)容1.6595億m3，為Ⅱ等大 （2）型工程。大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高87.6 m，壩頂寬8.0 m。上游圍堰為土石圍堰，堰頂高程381.50 m，頂寬10.0 m，上、下游邊坡坡比均為1∶1.8。下游圍堰為粘土心墻土石圍堰，頂高程353.50 m，頂寬6.0 m。圍堰迎水面和背水面坡度均為1∶1.5。

2 圍堰潰決分析

2.1 潰決主要因素分析

根據(jù)小井溝工程自然條件及樞紐布置特點(diǎn)，施工期上游圍堰采用土石圍堰，潰決主要因素如下:

（1）超標(biāo)準(zhǔn)洪水。按照小井溝工程2012年度度汛方案，圍堰施工期間如遇水位迅速上漲，在水位接近填筑面2.0 m且繼續(xù)上漲趨勢(shì)時(shí)，擬在圍堰填筑面上游側(cè)搶修一道寬1 m、高2 m的編織袋裝土(編織袋內(nèi)裝防滲土料)臨時(shí)擋水子堰，防止洪水漫堰。但遇超標(biāo)準(zhǔn)水位，上游水位持續(xù)快速增長(zhǎng)，則可能會(huì)引起圍堰潰決。

（2）人工破堰。如水位繼續(xù)上漲，擬在水位接近編織袋擋水堰頂高程0.5 m且有繼續(xù)上漲趨勢(shì)時(shí)，采取破堰處理，人工破堰可能引起圍堰潰決。

（3）工程質(zhì)量。就一般土石圍堰而言，若存在施工質(zhì)量問(wèn)題，則可能出現(xiàn)由工程質(zhì)量差引起的潰決，如管涌等。考慮到本工程的施工圍堰在上游側(cè)敷設(shè)復(fù)合土工膜1層，且復(fù)合土工膜嵌入兩側(cè)岸坡防滲槽內(nèi)，寬40 cm，防滲槽內(nèi)設(shè)φ22，L=1.5 m錨桿，注M20砂漿，錨入岸坡基巖1 m，伸入混凝土內(nèi)50 cm，插筋2排，間距1.5 m；土工膜兩側(cè)噴20 cm厚C20混凝土；下部與戧堤粘土斜墻相接；則該圍堰因管涌引起的潰決的可能性較小。

故，本次潰決分析選擇超標(biāo)準(zhǔn)洪水引起的潰決。

2.2 潰決方式及潰口流量過(guò)程計(jì)算

根據(jù)小井溝樞紐設(shè)計(jì)洪水成果5%洪峰流量990 m3/s，調(diào)洪計(jì)算成果顯示，相應(yīng)的庫(kù)水位分別為388.7 m，已經(jīng)超過(guò)382.0 m。根據(jù)設(shè)計(jì)條件，當(dāng)水位上升至382 m高程且有繼續(xù)上升趨勢(shì)時(shí)，采取破堰措施。為安全考慮，此時(shí)上游圍堰破堰為爆破形式，形成的潰壩洪水采用全潰的方式進(jìn)行計(jì)算，且潰決時(shí)不利時(shí)機(jī)為同時(shí)遭遇洪水洪峰時(shí)。

由于圍堰下游坡度大，基本為急流，可以按照下游水位流量關(guān)系計(jì)算壩下水位。根據(jù)寬頂堰出流公式[3]計(jì)算所得潰口流量過(guò)程如圖1所示。

圖1 上游圍堰如潰決其潰口流量過(guò)程

3 潰壩洪水演進(jìn)模型及其驗(yàn)證

為安全起見(jiàn)，考慮研究小井溝水庫(kù)施工圍堰在遭遇超標(biāo)洪水時(shí)漫頂造成圍堰潰決后潰壩洪水波演進(jìn)過(guò)程。施工圍堰潰壩洪水演進(jìn)的區(qū)域大部分位于山谷，該山谷底坡大且蜿蜒曲折，有大洪水取直的可能，選用適宜的高精度二維潰壩數(shù)學(xué)模型計(jì)算，以更好地了解潰壩洪水演進(jìn)過(guò)程及產(chǎn)生的危害。

3.1 基本方程

連續(xù)方程

動(dòng)量方程

式中，H、Z為水深和水位，m；u、v為x、y向的流速，m/s；ρ為水體密度，kg/m3；c為謝才系數(shù)。

3.2 定解條件

（2）邊界條件:上游邊界以潰決流量作為其邊界條件，下游采用無(wú)反射邊界條件。

3.3 數(shù)值方法

為保證良好的計(jì)算精度，采用二階FDS格式的有限體積法計(jì)算二維潰壩洪水演進(jìn)過(guò)程。

3.4 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格

潰壩洪水演進(jìn)計(jì)算區(qū)域應(yīng)包含主要敏感點(diǎn)及洪水出路。本工程主要敏感點(diǎn)主要為施工圍堰下游山谷旁的村莊、零散民居等。故，計(jì)算區(qū)域包括施工圍堰以下至征遠(yuǎn)村的380 m等高線以下所有區(qū)域。采用三角形網(wǎng)格剖分，共布置計(jì)算節(jié)點(diǎn)90855個(gè)，控制單元174276個(gè)。由于山谷狹窄，地形變化大，網(wǎng)格采用均勻間距20 m布置 （見(jiàn)圖2）。

圖2 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格布置

3.5 計(jì)算參數(shù)

本模型計(jì)算參數(shù)根據(jù)工程實(shí)際情況并參考以往研究資料確定。主要參數(shù)為糙率n，由于該工程潰壩洪水演進(jìn)水流流勢(shì)急，大部分為急流，該參數(shù)不敏感。根據(jù)工程附近的實(shí)際情況，山谷糙率采用0.028～0.036，河道糙率取0.026。潰壩洪水水流湍急，非線性特性極強(qiáng)，模型計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取0.01 s。

3.6 模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證計(jì)算采用二維、平底、無(wú)摩阻、局部潰壩問(wèn)題。模擬區(qū)大小為200 m×200 m，初始?jí)沃匪粸?0 m，相應(yīng)壩下水位為5.0 m。潰壩缺口為75 m寬 （見(jiàn)圖3），潰決瞬間形成一激波向下游傳播同時(shí)有一負(fù)波向上游擴(kuò)散。計(jì)算區(qū)劃分為40×40個(gè)矩形單元，計(jì)算時(shí)步長(zhǎng)為0.2 s。潰壩7.2 s后與基于N-S方程的三維模型模擬結(jié)果以及Fennema和Chaundry的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證 （見(jiàn)圖4和圖5）。驗(yàn)證結(jié)果表明，本模型可滿足計(jì)算要求。

4 淹沒(méi)范圍預(yù)測(cè)分析

圖3 潰壩驗(yàn)證計(jì)算區(qū)域

圖4 潰壩7.2 s后與三維模型水面對(duì)比

圖5 潰壩7.2 s后典型斷面水深對(duì)比

由潰壩洪水演進(jìn)數(shù)值模擬得到20年一遇洪水條件下圍堰潰決時(shí)潰壩洪水演進(jìn)水深等值線過(guò)程 （見(jiàn)圖 6）。

圖6 遭遇20年一遇洪水潰決時(shí)洪水演進(jìn)淹沒(méi)水深過(guò)程

圖6中，x、y分別為緯、經(jīng)度方向的坐標(biāo)。潰壩洪水的模擬時(shí)間為潰壩后4 h，其間天然洪水洪量約1406萬(wàn)m3，上游圍堰水位達(dá)到382.00 m時(shí)庫(kù)容約1200萬(wàn)m3，合計(jì)潰壩洪量約2606萬(wàn)m3。計(jì)算得4 h潰壩洪水約向下游演進(jìn)29.5 km，平均演進(jìn)速度2.0 m/s，按平均水面寬100 m計(jì)算，平均水深約8.7 m。

由圖6可以看出，該工程下游底坡陡，河谷狹窄，槽蓄量不大，造成的潰壩洪水具有演進(jìn)快、水深大的特點(diǎn)。遭遇20年一遇洪水圍堰潰決時(shí)下游4 h后最大淹沒(méi)水深顯示 （見(jiàn)圖6e），圍堰潰決時(shí)下游有較多的民房將被沖毀，但只要破堰前提前組織民眾撤離，能有效避免人員傷亡。

5 結(jié)語(yǔ)

本文選用高精度二維潰壩數(shù)學(xué)模型，計(jì)算了小井溝水庫(kù)施工圍堰遭遇超標(biāo)洪水時(shí)漫頂造成圍堰潰決后二維潰壩洪水演進(jìn)過(guò)程，得到20年一遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水條件下圍堰潰決時(shí)潰壩洪水演進(jìn)水深等值線。4 h潰壩洪水約向下游演進(jìn)29.5 km，平均水深約8.7 m，圍堰潰決時(shí)下游有較多的民房將被沖毀。但只要破堰前提前組織民眾撤離，能有效避免人員傷亡、減少下游損失。

［1］解家畢，孫東亞.全國(guó)水庫(kù)潰壩統(tǒng)計(jì)及潰壩原因分析［J］.水利水電技術(shù)， 2009， 40（12）:124-128.

［2］黃凌，孫月峰，李穎.水庫(kù)潰壩洪水?dāng)?shù)值模擬與防洪管理對(duì)策研究［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào): 社會(huì)科學(xué)版， 2011， 13（2）:116-120.

［3］吳持恭.水力學(xué)［M］.3版.北京:高等教育出版社，2003.