潰壩洪水計算中計算工況的合理選擇

許增培

(四川省水利水電勘測設(shè)計研究院，成都，610072)

1 前言

隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，興建水利工程逐漸成為保障民生及水安全的重要戰(zhàn)略，隨著水庫大壩的興建，潰壩現(xiàn)象也時有發(fā)生，據(jù)統(tǒng)計，1954年-2006年我國共發(fā)生3498座潰壩案例[1]，其中絕大多數(shù)為土石壩，且潰壩原因多為漫頂潰壩及因質(zhì)量問題而導(dǎo)致工程各部位管涌破壞。當(dāng)前潰壩計算主要采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法進(jìn)行分析[2]，目前模擬潰壩計算的軟件主要有HEC-RAS、MIKE11、BREACH等一維、二維水力學(xué)計算軟件[3-5]，不同工況條件下計算所得潰壩流量差異較大，選擇適當(dāng)潰壩計算工況能有效地提高應(yīng)急預(yù)案的經(jīng)濟(jì)合理性，當(dāng)險情發(fā)生時能有效降低下游損失[6-8]。

2 工況設(shè)置思路

2.1 基礎(chǔ)資料收集

基礎(chǔ)資料收集是潰壩計算的前提條件，其中水庫資料包括水位庫容關(guān)系、水庫大壩泄流設(shè)施；水文資料則包含各頻率設(shè)計洪水過程，潰壩計算中往往需要更高的重現(xiàn)期洪水；地形資料以作為潰壩計算洪水演進(jìn)基礎(chǔ)資料；工程形象面貌則包含水庫當(dāng)前各部位狀態(tài)，有助于了解在當(dāng)前工程各項設(shè)施的運(yùn)行情況；施工進(jìn)度計劃可以初步了解施工期的大壩在汛前所建成的形象面貌；工程管理資料則能夠?qū)λ畮彀l(fā)生險情時制定處置計劃提供參考依據(jù)。

2.2 調(diào)洪分析

調(diào)洪分析目的在于判斷大壩潰壩的類型，主要考慮是漫頂潰壩還是管涌潰壩。分別分析在下泄通道暢通、完全堵塞、部分暢通情況下，上游來流不同頻率洪水時，調(diào)洪計算可能達(dá)到的最高水位，若該水位超過當(dāng)前壩體壩頂高程，則會發(fā)生漫頂情況，反之不會發(fā)生漫頂。當(dāng)設(shè)計洪水重現(xiàn)期越大，壩前水庫也越高，發(fā)生漫頂?shù)目赡苄砸哺螅绻捎迷O(shè)計洪水重現(xiàn)期過大則其發(fā)生的概率極小，此情況下考慮漫頂潰壩顯然是不合理的。如何界定洪水重現(xiàn)期是否合理，與大壩承擔(dān)的任務(wù)及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)，若洪水重現(xiàn)期遠(yuǎn)大于其校核洪水重現(xiàn)期，按此計算顯然是不合理的，因此則不考慮漫頂潰壩。

2.3 工況設(shè)置

在制定應(yīng)急預(yù)案中，通常以最危險工況作為推薦，在同等壩前水位，同樣潰口樣式下，因管涌潰壩歷時比漫頂潰壩更久，所以漫頂潰壩所得的潰壩流量相比管涌潰壩大得多，因此通過分析如可能發(fā)生漫頂，則可僅計算漫頂潰壩工況而不考慮管涌潰壩工況。如通過分析不會發(fā)生漫頂，則僅考慮其管涌潰壩，同時還需根據(jù)壩體設(shè)施布置情況考慮管涌發(fā)生的條件，即管涌時壩前水位及管涌開始發(fā)展的高程。

圖1 潰壩計算技術(shù)路線

3 案例分析

3.1 工程概況

某水庫是一座以灌溉、防洪、城鄉(xiāng)生活及工業(yè)供水等綜合利用的水利工程，該工程總庫容1.6656億m3，設(shè)計壩型為瀝青混凝土心墻壩，最大壩高104.8m，壩頂高程654m，設(shè)計洪水重現(xiàn)期100年，校核洪水重現(xiàn)期2000年。工程設(shè)無壓泄洪洞，底板高程598m，弧形閘門控制；兩孔溢洪道，底板高程633.5m，采用WES實(shí)用堰。該工程處于建設(shè)期，導(dǎo)流洞正常運(yùn)行，底板高程562m。

2019年汛前形象面貌：大壩整體填筑至610m，超過上下游圍堰高程，導(dǎo)流洞正常運(yùn)行，泄洪洞及溢洪道未施工完成，不具備泄流條件，未提前蓄水。

2020年汛前形象面貌：大壩整體填筑至653.85m，超過上下游圍堰高程，導(dǎo)流洞正常運(yùn)行，泄洪洞及溢洪道按施工進(jìn)度計劃基本完工，但本汛期暫不考慮其參與泄洪，庫內(nèi)未蓄水。

3.2 調(diào)洪分析

收集水庫水文資料，該水庫各頻率洪水特性如表1。

表1 各頻率洪水特性

由于水庫處于建設(shè)期，庫內(nèi)未蓄水，5%頻率壩址處汛期(5-10月)徑流為23.2m3/s，相應(yīng)導(dǎo)流水位約1.75m，對應(yīng)水位為563.75m，相應(yīng)庫容為90萬m3；2019年汛前大壩整體填筑至610m，相應(yīng)庫容4373萬m3；2020年汛前大壩整體填筑至653.85m，相應(yīng)庫容17484萬m3，施工期最多可容納洪水庫容17394萬m3。

若考慮導(dǎo)流洞完全堵塞，對于2019年汛前，上游即使來10年一遇洪水，洪量為7620萬m3，壩前水位也將超過610m高程，從而導(dǎo)致漫頂；但對于2020年汛前而言，上游即使來500年一遇洪水，洪量17219萬m3也比可容納庫容17394萬m3要小，即導(dǎo)流洞完全堵塞，2020年汛前即使來500年一遇洪水，也不會漫頂。

同樣，通過考慮導(dǎo)流洞正常下泄和部分(50%)下泄條件下，再進(jìn)行調(diào)洪計算分析，可得以下結(jié)果，如表2、表3。

表2 導(dǎo)流洞正常下泄調(diào)洪計算結(jié)果

表3 導(dǎo)流洞部分下泄調(diào)洪計算結(jié)果

從調(diào)洪結(jié)果可以看出，在導(dǎo)流洞正常運(yùn)行條件下，200年一遇洪水壩前最高水位611.16m，超過2019年汛前壩高610m，發(fā)生漫頂潰壩，而5000年一遇洪水壩前最高水位628.16m，遠(yuǎn)低于2020年汛前壩高653.85m；在導(dǎo)流洞部分下泄(50%)條件下，5000年一遇洪水，壩前最高水位也只有635.86m，同樣不會發(fā)生漫頂。故2020年汛期潰壩計算若考慮漫頂潰壩顯然是不合理的，因此僅考慮管涌潰壩。但對于2019年汛期潰壩計算而言，在導(dǎo)流洞正常運(yùn)行下，上游來200年一遇洪水，壩前水位都會漫頂，因此，考慮其漫頂潰壩是合理的。

3.3 工況設(shè)置

從以上分析可以得出，2019年汛期潰壩數(shù)值模擬應(yīng)考慮漫頂導(dǎo)致的潰壩，而2020年汛期潰壩數(shù)值模擬則僅考慮管涌導(dǎo)致的潰壩。

2019年汛前考慮為漫頂工況，當(dāng)上游來200年一遇洪水時，壩前最高水位611.16m，比壩頂高程高1.16m，通過采取必要的搶護(hù)措施可以避免漫頂，因此考慮更危險的情況，即上游來500年一遇洪水，導(dǎo)流洞正常泄洪，水位上升至610m開始漫頂潰壩，導(dǎo)致大壩全潰，潰壩歷時4h。

2020年汛前考慮為管涌工況，當(dāng)壩前水位上升至溢洪道高程后可以通過采取必要的措施宣泄洪水，因此考慮壩前最高水位與溢洪道底板齊平，此高程相當(dāng)于上游來2000年一遇洪水，導(dǎo)流洞部分下泄調(diào)洪后壩前最高水位，即壩前水位633.5m，大壩管涌全潰，起潰高程為潰口中心607m，潰壩歷時相比漫頂更長，取6h。

3.4 計算結(jié)果

通過設(shè)置工況，潰口采用速算的方法，潰口發(fā)展呈S型曲線分布，以潰口流量經(jīng)驗(yàn)公式估算法進(jìn)行計算，下游河道洪水傳播采用一維圣維南方程組進(jìn)行計算。

(a)壩址處 (b)壩址下游21km處

(a)壩址處 (b)壩址下游21km處

從計算結(jié)果可以看出，2019年漫頂全潰洪峰流量11622m3/s，2020年管涌全潰洪峰流量9852m3/s，2020年潰壩洪峰流量較2019年減小1770m3/s，這與隨著壩體加高，壩體防洪水平相應(yīng)提高一致。此外可以看出，管涌潰壩歷時長，洪量大，洪水坦化效果相比漫頂潰壩更弱，因此管涌潰壩對下游的影響范圍更遠(yuǎn)，同時因其歷時較長，對于下游也有更多的預(yù)警時間。

通過計算結(jié)果分析可以看出，2019年度汛預(yù)案中應(yīng)著重做好上游水情預(yù)報以及下泄通道下泄能力的定期檢查，而2020年度汛預(yù)案中則更應(yīng)著重對壩體本身的監(jiān)測，防止發(fā)生壩體滲漏導(dǎo)致管涌破壞。對于下游的避洪轉(zhuǎn)移方案，因管涌破壞流量坦化弱，洪水影響范圍廣，因此應(yīng)考慮下游更遠(yuǎn)范圍內(nèi)的避洪轉(zhuǎn)移方案。

4 結(jié)論

本文提出了通過調(diào)洪分析來確定潰壩計算工況的方法，通過對比分析某水庫2019年和2020年汛期潰壩洪水計算工況的差異，從對比結(jié)果中可以看出，采用本文中的方法能有效保證潰壩工況設(shè)置的合理性，做到制定應(yīng)急預(yù)案時具有針對性，符合當(dāng)前實(shí)際情況，做到經(jīng)濟(jì)合理。