羅田水庫大壩潰壩風險分析

陳麗貴

(深圳市廣匯源環境水務有限公司，廣東 深圳 518000)

1 概 述

水庫工程建設有助于緩解水資源短缺問題，也有助于改善水資源時空分布差異大的問題。水庫修建具有良好的社會、經濟、生態效益[1-2]。水庫工程建設攔擋水源，在超標準洪水、地震等事件影響下，水庫若發生漫頂或管涌潰壩，其蓄滯的大量庫水將瞬間傾瀉而下，造成下游比較嚴重的洪水災害[3-4]。因此，對水庫大壩潰壩后的風險進行分析是十分必要的。目前，針對水庫潰壩風險分析中，常用的方法是數值模擬、理論計算方法等[5-8]。本文以羅田水庫為研究對象，對水庫潰壩風險進行研究。

2 工程概況

羅田水庫位于深圳市寶安區燕羅街道境內，壩址位于珠江三角洲水系的茅洲河右岸支流羅田水上。水庫北側為東莞大朗鎮，東西向有G9411潮莞高速，西側有S31龍大高速。壩址以上集雨面積F=20 km2，多年平均徑流量1.67×108m3。庫區多年平均降雨量1 684 mm，主流河長L=9.51 km，平均河床比降J=0.005 4。隨著珠江三角洲水資源配置工程的開工建設，羅田水庫作為迎接西江來水的第一站，在供水、防洪等工程中將進一步發揮重要的作用。隨著使用年限增加，對水庫安全進行復核是非常必要的。見圖1。

圖1 羅田水庫地理位置圖

3 大壩潰決方式選擇

在進行大壩潰壩風險分析時，需要首先確定大壩的潰決方式，從而獲取更為可靠的計算結果。目前，大壩的潰決模式可分為全潰和部分潰決，從時間上可分為瞬時潰決和逐漸潰決。影響大壩潰決的因素包括壩體類型、基礎形式和造成潰壩的原因等。

大壩瞬時潰決一般多發于重力壩、拱壩等，潰決時間短，幾乎在瞬間完成，從安全方面考慮，瞬時潰決一般按照全部潰決考慮。逐漸潰決一般多發于土壩，由于滲流、管涌等因素導致大壩潰決，大壩潰決時間久。羅田水庫大壩是典型的均質土壩，因此考慮采用逐漸潰決模式對大壩潰壩影響進行研究。

在進行水庫逐漸潰決計算時，其潰壩的潰口慢慢發展擴大直至穩定，穩定下來的潰口寬度b目前有多種模型進行分析。潰口寬度b按照下式計算：

(1)

式中：k為系數，取1.3；W為蓄水量，104m3；B為壩頂長度，m；H0為壩前水深，m。

本次計算假設水庫在遭遇校核洪水下，水庫發生逐漸潰決。羅田水庫在發生潰壩時的潰口寬度見表1。

表1 羅田水庫潰壩時潰口寬度參數表

4 潰口流量過程研究

潰壩模式按照壩的類型、材質、壩基以及潰壩原因等，可分為瞬時潰和逐漸潰兩種潰決模式，其潰口流量過程也各不相同。由于羅田水庫潰壩模式為逐漸潰決，根據實際情況，選用“謝任之統一公式”進行計算，計算指標主要有壩址處的最大流量、最大水深、最大流速和潰壩流量過程線。

4.1 壩址處最大流量、水深和流速

潰口穩定后，逐漸潰決和瞬時潰決均可按照寬頂堰溢流公式，其潰口處的最大流量Qmax、最大水深hd和最大流速vd根據下式進行計算：

(2)

(3)

(4)

式中：Qmax為潰壩最大流量，m3/s；hd為潰壩潰口水深，m；vd為潰口流速，m/s；g為重力加速度，9.8 m/s2。

經計算，羅田水庫在逐漸潰決下的潰口處最大流量、水深和流速見表2。

表2 羅田水庫潰壩時最大流量、水深和流速

4.2 壩址處潰壩流量過程線

潰壩發生時，在峰頂流量出現以前，為波流量控制，即堰的過水能力超過波的流量，其峰前流量過程線計算公式如下：

(5)

(6)

ρ=KH

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：Qmax為潰壩最大流量，m3/s；W總為總庫容，m3；E為壩橫斷面積，m2；bm為口門寬度，m；λ為流量參數，λ=σn2mn4(1-f)n6λe，σ、m、f分別為沉溺系數、斷面形狀參數、堰高比，n2、n4、n6分別為指數；e為堰寬比；ρ為平均體積含砂量百分數；n為庫容指數，取n=2.3；τ為時間，s。

放空時間按下式計算，近似n=2.5時：

(11)

式中：D2(ξ1)查表為2.495。

(12)

(13)

經過計算，潰口處流量過程線見圖2。

圖2 羅田水庫逐漸潰決潰口處流量過程線

5 潰壩洪水演進分析

5.1 水庫潰壩下游最大流量

水庫潰壩洪水沿程演進估算可采用下式估算：

(14)

式中：QL為距壩址L(m)斷面最大流量，m3/s；W為總庫容，m3；Qmax為壩址最大流量，m3/s；Vmax為特大洪水流速；K為經驗系數(山區統一取1.3，丘陵區取1.0，平原區取0.85)。

水庫潰壩時，水沿著潰口泄出，向下游演進。因此，下游斷面的最大水深分布情況大致與斷面處的最大流量類似，其示意圖見圖3，計算成果見表3。

圖3 水庫逐漸潰決下游最大流量(水深)分布示意圖

表3 水庫潰壩洪水演進計算成果表

5.2 潰壩洪水傳播時間

根據黃河水利委員會水利科學研究所試驗求得的潰壩洪水傳播時間及概化流量過程線，見圖4。

圖4 水庫潰壩洪水傳播時間及流量過程線

洪水起漲時間計算公式為：

(15)

式中：H0為潰壩前上游水深，m；h0為潰壩洪水到達前下游計算斷面水深(Q0時水深)，在此近似取值0，m；K1取值0.7×10-3。

最大流量到達時間：

式中：hm為最大流量時的平均水深，m；K2取值1.0。

求得t1、t2后，將流量過程概化為三角形，用下式求得t3：

(17)

經計算，下游不同距離下的最大流量和潰壩洪水的漲落時間見表4。

表4 羅田水庫潰壩洪水下游演進表

根據水庫現有防洪標準及地理情況分析，一旦水庫大壩失事，將危及水庫下游1個街道、接近14萬人、南光高速公路、107國道、廣深高速公路、龍大高速公路等重要交通設施，直接經濟損失超1 000億元。同時，將對下游自然環境、植被及生態環境等造成嚴重破壞，間接經濟損失無法估量。見圖5。

圖5 羅田水庫潰壩洪水演進示意圖

6 結 論

水庫潰壩風險后果包括生命損失、經濟損失和社會環境3個方面的影響。羅田水庫發生潰壩時，其潰壩影響區域最大長度為4.51 km，最大寬度為2.61 km，最大水深11.01 m，影響區域為龍大高速、燕川北部工業園、朝陽路、興達路等區域內的房屋人口等，后果嚴重。另因實際的水、雨、工情可能與本報告設定的情況有所差異，導致計算結果與實際情況不同。在實時管理的過程中，建議開展羅田水庫洪水實時預報預警系統，實現羅田水流域洪水實時、動態分析。