上游潰壩引發庫區土石壩梯級連潰的模擬研究

關志偉

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

上游潰壩出現的短時洪峰會對下游緊鄰水庫的御洪能力構成嚴重威脅。本文基于案例潰壩過程，以單庫非恒定流潰壩數理模擬計算的方式，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水御洪防范庫壩連潰進行模擬，為防范上游潰壩引發緊鄰庫區土石壩梯級連潰的工程技術應用提供研究和技術參考。

1 非恒定流數理方程

明渠的非恒定流一維圣維南方程組：

式中：x為空間坐標；f為時間坐標；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[1]。

2 土石壩梯級連潰及洪水演進模擬

（1）工程概況

該工程壩體橫河向寬約611.8 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，左側高點高程793.9 m，中部高點高程752.2 m，右側高點高程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

上游壩發生潰決以后，洪流經過河道涌入下游的梯級水庫，引發水庫水位兇猛上漲，當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，大壩此時開始發生潰決。案例壩體潰決模擬計算基本參數，具體見表1[2]。

表1 案例壩體潰決模擬計算基本參數

通過單庫非恒定流潰壩數理模型，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，達到8159.9 m3/s，此后流量漸次降低，直到下一日15：26潰決過程才結束，潰決過程整整持續了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

模擬計算的各參數取值：時間步長取60 s，空間權重系數取0.4，時間權重系數取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

計算結果揭示，案例潰壩過程約持續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 有預警工況

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

圖4 緊鄰的梯級水庫預警調水泄洪過程

圖4 揭示，從06:00開始，緊鄰的梯級水庫開始預警泄洪，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節泄流量，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 曲線結果揭示，緊鄰的梯級水庫大壩于15:18開始潰決，洪峰出現在在22:52，洪峰流量達7830.7 m3/s，此后逐漸降低，并于第二天15:58結束。模擬結果顯示，在超級潰決流量面前，提前預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一條特別泄洪洞，在原有基礎上加大泄流能力。增設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警，也就是上游潰壩發生后，洪水于9:00流至緊鄰的梯級水庫，水庫即時開始放水調洪，以此工況計算緊鄰的梯級水庫大壩能否發生潰壩。增大泄流能力后緊鄰梯級水庫預警調水泄洪過程，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警調水泄洪過程曲線圖

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，并且此時壩頂洪水流速仍較沖刷起動流速要小，所以大壩不會發生潰決。需要指出的是，雖然此工況下緊鄰梯級水庫不發生壩體潰決，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險[6]。

3.3 有預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泄洪預警也增大放水泄流能力。當上游在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。預警又加大泄流能力的御潰調洪過程的模擬計算，獲得御潰調洪過程曲線見圖8。

圖8 預警又加大泄流能力的御潰調洪過程

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節至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下降；直至12:12時水庫455.1 m的最低點水位出現，此時水庫的流入流出量大致相當；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上升；不過來水量與泄流量在17:54出現第二次大致相當，此時水庫水位升達463.4 m的最高點，仍低于壩頂，沒有漫壩現象發生。模擬計算結果揭示，上游案例潰壩發生時，下游緊鄰梯級水庫通過增設非常泄洪通道提高泄洪能力，并通過預警提前調整庫容，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潰決。

4 總結

本文基于某水庫潰壩過程，以單庫非恒定流潰壩數理模擬計算的方式，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水御洪防范庫壩連潰進行模擬計算分析，主要研究結論如下：

（1）上游發生大壩突然潰決時，潰壩短時洪峰流量往往數倍乃至數十倍于下游緊鄰水庫的地區年平均流量，下游水庫水位可能因此引發水位超標準提高甚至庫區壩體漫頂，造成下游庫區土石壩連續潰決，從而釀成更大損失。

（2）在超級潰決流量面前，提前預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生連潰。

（3）增大緊鄰梯級水庫的泄流能力，能夠控制庫區漫壩洪水流速維持在不發生危險沖刷的指標范圍，但不能確保庫區洪水不發生水壩漫頂，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險。

（4）下游緊鄰梯級水庫通過增設非常泄洪通道提高泄洪能力，并通過預警提前調整庫容，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潰決。