潰壩洪水在下游水庫的演進及壩前爬高

2019-03-26 05:56:34王曉剛劉火箭王小東羅仕成

水利水電科技進展 2019年2期

譚箐，王曉剛，劉火箭，王小東，羅仕成

(1.南京水利科學研究院水工水力學研究所,江蘇南京 210029; 2.河海大學水利水電學院,江蘇南京 210098;3.長江水利委員會長江科學院,湖北武漢 430010; 4.南昌大學附屬中學,江西南昌 330000)

我國已建成各類水庫9萬多座,水庫總庫容超過8 000億m3,大壩數量及庫容均居世界首位[1],還將在烏江干流[2]、牡丹江蓮花以下河段[3]、金沙江下游[4]等流域繼續開展梯級水庫群建設。水庫大壩在促進社會和經濟發展方面起到巨大作用的同時也存在著潰決的風險,嚴重威脅水庫大壩下游人身和財產安全。例如,1959年法國Malpassset拱壩、1963年意大利Vajont拱壩、1975年中國板橋以及上游元門水庫大壩、1976年美國Teton壩等大壩的失事均給下游造成了災難性的后果[5]。

鑒于潰壩帶來的嚴重后果,國內外學者在潰壩洪水模型試驗方面進行了大量細致的研究,研究內容主要包括潰壩波水力特性、潰壩壩址峰值流量、壩址水位流量過程以及洪水演進規律等[5]。相關研究大多針對單一水庫潰壩洪水問題,對于梯級水庫潰壩研究偏少。梯級水庫潰壩洪水的演進機制影響因素復雜,不僅僅受單座潰決過程的影響,還受梯級內相鄰水庫的制約。2010年以來國內外學者開展了梯級水庫物理模型試驗研究,試驗結果揭示了梯級庫群連鎖潰壩的洪水遞增效應[6-15]。岳志遠[6]分析了不同來流量、潰口寬度對自然壩體連潰的影響,揭示了自然壩體潰決機制與洪水演進規律。Yang等[7-8]分析了上下游水深和壩間距離對瞬時連鎖潰壩的影響,認為壩間距離的影響甚微,可忽略不計。Niu等[9]分析了不同來流量對梯級堰塞壩潰壩的影響,表明當流量大時,下游壩的變形形態與上游壩的變形規律相似,壩體在破壞過程中具有超覆沖刷的特征。當流入流量小的時候,上游的大壩主要通過縱向切口形成的泄水槽進行沖刷,下游壩的特征是覆蓋的沖刷。陳樹群等[10-11]分析了下游水庫體積、形狀對連潰的影響,認為水庫蓄水階段,水位上升速率受下游水庫體積、形狀影響;壩體潰壩階段,水位下降速率受潰口發展的影響。Selahattin等[12]針對兩個不同的尾水水平,通過潰壩洪水對下游端壁反流的反應,對上游方向的負波的形成和傳播進行了詳細研究,結果表明,潰壩波在下游的端壁引起了波浪反射,出現了往上游方向移動的負波并引起自由曲面的波動,且反射波的反射速度隨尾水高度的增加而增快,波動程度隨上下游水深比的減小而加劇。Khankandi等[13]研究了上游水庫形狀對潰壩洪水流量過程及潰壩洪水演進的影響。Oertel等[14]研究了不同的上游壩前水深條件下,初始潰決階段潰壩波的洪水演進規律。戎貴文等[15]為研究局部斷面收縮對潰壩水流傳播的影響,建立了模擬三維局部斷面收縮情況下潰壩洪水演進過程的數學模型,利用該模型研究了潰壩洪水負波的形成和傳播過程,得到了負波形成和傳播的規律以及潰壩水流的水位變化特征。

圖1 試驗模型布置俯視圖(單位:m)

圖2 試驗模型布置側視圖(單位:m)

然而現有的連續潰決的試驗研究較少,已經開展的相關研究基本只考慮一個或少量因素對連潰洪水疊加的影響,對一些因素的影響缺乏系統地分析。不僅如此,現有的梯級水庫潰壩洪水試驗都是建立在上游潰壩后下游也連續潰決的前提假設上,對下游水庫潰壩前的情況缺乏深入研究。研究上游水庫潰壩洪水在下游水庫中的演進機制及其對下游壩體影響,對于有效避免下游水庫的連續潰決,制定大壩安全應對措施等均具有重要意義。綜合前人研究成果,本文選擇上游壩前水深H1、壩體潰決時間T1、上游水庫面積S1、下游壩前水深H2及下游水庫面積S2作為主要控制變量,通過模型試驗研究上游潰壩洪水在下游水庫的演進規律及對下游壩體的影響。

1 模型試驗設計

1.1 試驗裝置

模型水槽由上游水庫,電控閘門(上游壩體)、下游水庫、下游壩體、河道及回水池等部分組成,離地面的最小高度為0.7 m。考慮壁面縮尺效應及試驗空間的限制,設計的上游水庫長度2 m、高0.8 m,上游水庫面積可在0.4 m2到1.6 m2之間變化。上下游水庫間的河道水平長度為7 m,矩形水槽水平方向長14 m、高0.8 m、寬0.4 m,河道坡降1∶12.5。下游水庫寬度為0.8 m,面積在0.8 m2到1.6 m2之間變化。下游河道長度為5 m。試驗模型布置見圖1和圖2。為了便于觀測洪水波在下游水庫演進過程,水槽、上下游壩體均采用厚度為2 cm的有機玻璃板制作,下游回水池采用PVC板制作。其中上游閘門采用向上提升的方式潰決,提升的高度為24 cm。

試驗主要模擬潰壩洪水在下游水庫的演進過程,因此無需設置循環供水系統,采用水泵向水庫供水。國內外大量潰壩案例表明,占大壩數量比例最大的土石壩以逐漸潰壩為主,因此本文采用無極調速電機控制上游壩體潰決時間,試驗過程中閘門的提升高度為24 cm,控制閘門的開啟速度分別為0.5 cm/s、1.0 cm/s、1.5 cm/s、2.0 cm/s、2.5 cm/s,壩體潰決時間T1分別為48.0 s、24.0 s、16.0 s、12.0 s、9.6 s。

1.2 測量儀器

測量儀器主要采用中國水利水電科學研究院生產的電阻式波高儀,量程為0～0.8 m,精度為1 mm,試驗前需對其進行率定。采用DJ800數據采集系統采集數據,采集頻率為100 Hz,采集時間為90 s。

1.3 測點布置

下游水庫水深變化過程采用波高儀測量,共設置5個測點,其中測點bg1距下游壩體15 cm,測量的數據可近似作為下游壩前波浪爬高值。測點bg2、bg3、bg4、bg5沿水庫中軸線布置,測點之間的距離為0.4 m,具體測點布置見圖3。

圖3 下游水庫水深變化測點布置圖(單位:m)

1.4 試驗步驟

試驗步驟如下:①采用水泵給上下游水庫灌水,達到要求的水深后停止,準備好數據采集系統,設置采樣頻率,并進行調零,調整好同步電機的速度;②數據采集系統提前開始采集,10 s后開啟電機,上游壩體開始潰決,潰壩洪水向下游水庫演進;③上游水庫泄空,下游水庫水面波動逐漸平穩,90 s后采集系統停止采集,試驗結束;④改變上游壩前水深,下游壩前水深、同步電機的速度等參數,重復上述試驗步驟。

1.5 試驗工況

為研究H1、H2及T1的影響,保持S1=S2=0.8 m2,河道寬度b=0.4 m,設定上游壩前水深H1=0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m,下游壩前水深H2=0、0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m,上游壩體潰決時間T1=48.0 s、24.0 s、16.0 s、12.0 s、9.6 s(相應的閘門提升速度為0.5 cm/s、1.0 cm/s、1.5 cm/s、2.0 cm/s、2.5 cm/s),共開展84組試驗,試驗工況見表1。

研究S1和S2的影響時,保持上游壩體潰決時間T1=12.0 s不變,考慮H1=0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m,H2=0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m,S1=0.8 m2、1.2 m2、1.6 m2,S2=0.8 m2、1.2 m2、1.6 m2。試驗的組次為4×4×3×2=96組。

表1 試驗工況

2 試驗結果與討論

2.1 下游水庫及壩前水深增幅時變規律

潰壩洪水向下游水庫演進過程依次可分為洪水波、洪水涌浪、反射疊加、振動衰減4個階段。下游水庫水深增幅隨T1變化規律見圖4(其中H1/b=0.50、H2/b=1.0、S1/b2=5.0、S2/b2=5.0、b=0.4 m,并定義m=T1(g/b)0.5,其中g為重力加速度)。由圖4可見,潰壩洪水波到達下游壩前的時間隨著m的減小而縮短,主要是因為m越小,潰壩洪水初期下泄流量越大,演進到下游水庫尾水的能量越大,推動下游水庫水體形成的涌浪越高,涌浪在水庫傳播的波速越快。

測點bg1位于壩前,由圖4(a)(b)可見,m與初始波浪爬高呈負相關,主要是因為m越小,潰壩洪水初始下泄流量越大,形成的初始涌浪波幅越大,與下游大壩碰撞后沿壩面爬升高度越大。m=237.7時,初始波浪爬高值稍小于最終庫水位增加值,壩前水深在初始波浪爬高后無明顯變化,波浪爬高以正弦波的形式隨時間衰減,隨著上游潰壩來流量的增加,壩前再次出現涌浪爬高峰值。m=79.2、47.5時,初始波浪爬高值大于最終庫水位增加值;壩前水深在初始波浪爬高后有明顯的回落過程,且回落差隨著m的減小而增大,與此同時波浪爬高以正弦波的方式隨時間衰減,主要是受波浪爬高的反射波與潰壩洪水波浪的疊加作用所致。

圖4 不同壩體潰決時間水庫測點水深變化過程

bg2距離下游壩面0.4 m,由圖4(c)(d)可見,m與初始波浪爬高呈負相關,測點水深在初始波浪來不及回落就在反射波與洪水波浪的疊加作用下再次出現波浪峰值,隨后測點的水深隨t與m的變化規律與bg1基本一致。

bg3、bg4、bg5的水深在初始波浪后,水面波動劇烈,同時水深隨時間逐漸增大(圖4(e)(f))。受潰壩洪水波浪與反射波疊加的影響,在初始波峰后再次出現波浪峰值,隨后測點水深隨t與m變化的規律與bg1基本一致。

圖5 不同壩體潰決時間各測點最大波高

2.2 下游水庫初始波高沿程變化規律

下游水庫初始波高沿程的變化見圖5(圖中橫坐標L/b為水庫測點到下游大壩的相對距離,L/b=0表示壩址,該處波浪高度即為壩前波浪爬高;縱坐標a/b為初始波高相對值,其中a為初始波高;相關參數H1/b=0.25、H2/b=1.0、S1/b2=5.0、S2/b2=5.0)。由bg3～bg5的初始波浪波高值可以看出波浪在向下游壩址運動過程中基本無衰減,主要是因為試驗中測點之間的距離較短,傳播過程能量衰減較少,且潰壩洪水持續沖擊下游水庫水體,能量不斷的隨著涌浪向前傳播,抑制了波浪的衰減。bg2的波浪高度略大于bg3,主要是因為該點離下游壩體較近,受下游壩體反射波的影響較大。下游壩前初始波浪爬高約是下游水庫內初始波浪波高的2倍,這與波浪爬高相關理論基本吻合,初始涌浪波高及爬高均隨m的增加而減小。

2.3 下游壩前初始波浪爬高值經驗公式

在分析下游壩前波浪爬高時,需重點關注初始時刻的爬高值。試驗數據表明初始波浪爬高值隨T1、H2、S2的增大而減小,隨H1的增大而增大,與上游水庫面積S1關系不大。從能量的角度解釋,H1越大,上游潰壩初始下泄流量越大,推動下游水庫水體形成的波浪越高,洪水波浪在下游壩前的爬高越大;T1越大,潰壩洪水初始下泄流量越小,推動下游水庫水體形成的波浪越小,洪水波浪在下游壩前的爬高越小;H2越大,潰壩洪水垂向演進距離越短,到達下游尾水的能量越小,推動下游水庫水體形成的波浪越小,與此同時下游水深增加,導致波浪向壩址運動過程衰減越厲害,洪水波浪在下游壩前的爬高越小;S2越大,波浪在向下游壩前運動過程中沿著水庫兩側衰減越厲害,因此到達下游壩前的爬高越小;上游水庫面積S1的改變,潰壩洪水初期下泄流量基本不變,因此形成的洪水波浪及波浪爬高差異不大。

下面擬基于量綱分析,獲得初始波浪爬高與上述各變量的定量關系。

2.3.1 上游水庫潰壩邊界條件與初始壩前波浪爬高的關系

上述分析發現,上游水庫潰壩初始下泄流量是影響初始波浪爬高的重要因素,而初始下泄流量主要與上游壩體潰決時間T1、上游壩前水深H1等潰壩邊界條件有關,首先建立初始波浪爬高R′與壩體潰決時間T1、上游壩前水深H1、重力加速度g之間的關系:

(1)

式中:D1為模型上游閘門提升高度,D1=0.24 m。

當H2/b=1.0、S2/b=5.0時,擬合R′/D1與H1/(T12g)之間的關系得:

(2)

2.3.2 下游壩前水深與初始壩前波浪爬高的關系

將H2/b=1.0時的初始波浪爬高作為不變值(H2=0.4 m),S1/b2=5.0、S2/b2=5.0、b=0.4 m條件下,H2/0.4分別為0.25、0.50、0.75和1.00時的波浪爬高R與R′的比值分別為1.39、1.26、1.16和1.00,據此擬合得到H2/0.4 與R/R′之間的關系式為

(3)

2.3.3 下游水庫面積與初始壩前波浪爬高的關系

下游水庫面積越大,潰壩洪水波擴散衰減越明顯,將S2/b2=5.0作為不變值(S2=0.8 m2),S2/0.8分別為1.0、1.5、2.0時,R/R′分別為1.00、0.79、0.67,據此擬合得到S2/b2與R/R′之間的關系為

(4)

2.3.4 下游壩前初始波浪爬高值經驗公式

將式(2)代入式(3)后再代入式(4),最終得到初始涌浪爬高經驗公式為

(5)

140多組試驗中經驗公式計算值與試驗值的對比見圖6,可以看出二者吻合較好,說明推導的經驗公式具有一定的合理性。由經驗公式可以看出,各因素的影響程度從大到小的次序為：T1、S2、H1、H2。需要說明的是當H2=0或者較小時,壩前波浪一般是以破碎波的形式存在,涌浪爬高數據具有一定的離散性,因此這里不做分析,公式不含相關試驗數據。