馬鐵成,崔 忠,陳 杰

(1.新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)牧區(qū)水利規(guī)劃總站,新疆烏魯木齊830000;2.新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,新疆烏魯木齊830000)

土石壩(又稱當(dāng)?shù)夭牧蠅位蛱钪?是最為常用的一種壩型。截止目前,我國已建各類水庫8.7×104多座,這些水庫在防洪、灌溉、供水、發(fā)電、改善生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮了巨大的作用,社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益顯著,是我國防洪保安工程體系與水利基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分,其中土石壩是最普遍采用的一種壩型。大壩在防洪和興利方面發(fā)揮了巨大的效益,可是一旦失事或決口,將給人民的生命財(cái)產(chǎn)和國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來巨大損失;對下游將造成毀滅性的災(zāi)難,大水過后,地表土被一掃而光,土地連莊稼都不能種。據(jù)統(tǒng)計(jì),全世界失事大壩的總數(shù)已超過15×104座。

為了較清楚的研究土石壩潰決后對下游的影響,因此,有必要對土石壩潰決過程進(jìn)行分析。土石壩在我國占有很大比例,而近年來作為土石壩一種的面板壩發(fā)展較快,在我國應(yīng)用也越來越多,面板壩與傳統(tǒng)的土石壩區(qū)別則是在迎水面增加鋼筋混凝土面板、瀝青混凝土面板等防滲體,本文就是否增加面板防滲體作為研究對象,對比這兩種工況下的潰壩過程。

1 潰決過程分析

土石壩潰決缺口的形成過程是水、土兩相介質(zhì)相互作用的過程。潰壩原因主要是洪水漫頂和基礎(chǔ)管涌、滲漏。土石壩的潰決雖然屬于逐漸潰決類型,但由于引起潰壩的水流往往沖擊能力極強(qiáng),從缺口開始到基本形成穩(wěn)定的潰決斷面時(shí),整個(gè)時(shí)間過程非常短暫,為安全考慮常按瞬時(shí)潰壩處理。丘陵區(qū)或平原水庫壩長達(dá)幾千米,一般只潰主要部分,即為橫向局部潰壩。土壩抗沖能力很差,決口處將沖刷到壩的基礎(chǔ),甚至形成局部沖刷坑[1]。

當(dāng)土石壩上游面設(shè)置混凝土面板防滲后,特殊的結(jié)構(gòu)使得其有特殊的潰決特點(diǎn)。由實(shí)際觀測資料發(fā)現(xiàn),面板壩的潰決為局部潰壩形式[2-4];在潰決過程中,面板始終在不同程度參與擋水,從決口開始到基本形成穩(wěn)定的潰決斷面,整個(gè)過程需要一段時(shí)間(超過0.5 h),因此可以看作逐漸潰壩;當(dāng)潰口趨于穩(wěn)定時(shí),并未潰到底,而是留有一定高度的殘壩,壩前折斷面板仍能擋水,因此,面板壩潰決過程可以概括為局部逐漸未潰到底式潰壩模式。

面板壩潰決不同于混凝土壩潰決,其決口不是一次性形成的,而是隨潰決過程不斷擴(kuò)展[5],因此,面板壩的破壞不僅取決于水流條件,而且也與壩體自身的抗沖、防滲性能以及面板的適應(yīng)變形程度有關(guān)。當(dāng)出現(xiàn)壩體滲漏,形成初期決口后,在溢流與滲流共同作用下,下游壩體受沖刷,面板折斷,以及下游壩坡局部塌落是面板壩潰決的主要方式。與一般土石壩潰決不同,面板破壞參與潰壩全過程,在潰壩下泄水流中面板的作用有似傾斜薄壁堰。面板下方被其復(fù)蓋的殘存堆石體雖未被水流直接沖刷,但隨壩體沖刷加深,壩體由上而下依次崩塌,面板從頂向下加深懸空,在庫水荷載下,面板相繼折斷塌落,面板潰口相應(yīng)加深,溢流量隨之增大,壩體沖刷崩塌隨之加深,面板因此更加懸空塌落,如此循環(huán)加劇潰決,直至到庫水位降低較多,溢流量大大減小,沖刷和坍塌才減少,最終趨于穩(wěn)定。

在潰壩趨于穩(wěn)定之前,下泄流量大于入庫流量,庫水位隨潰決過程不斷下降,處在相對穩(wěn)定時(shí)刻的面板頂高程未變,所以其上的水頭相應(yīng)地減少。然而,在面板折斷的瞬時(shí),面板頂突然降至新的高程,此時(shí)的堰頂水頭也就急驟增大。由此可見,潰決水流參數(shù)隨面板折斷的變化有一定的周期性或階段性。

2 潰決過程模擬計(jì)算

無面板防滲的土石壩潰口形成過程是水文學(xué)、水動力學(xué)、挾沙動力學(xué)和土力學(xué)等的綜合過程,是水、土兩相介質(zhì)相互作用的過程。潰壩的過程是從水庫里通過壩體潰口泄出的水流,將通過沖刷和坍塌而導(dǎo)致潰口的擴(kuò)大,這一過程將持續(xù)到水庫放空或者壩體能抵抗得住水流的進(jìn)一步?jīng)_刷;潰口的形成歷時(shí)主要取決于外泄的水流對筑壩材料的沖刷,與壩高、筑壩材料、材料的密實(shí)程度及漫頂泄流狀況緊密相關(guān);潰口在橫向、垂向同時(shí)發(fā)展變化,隨著時(shí)間的推移,由于斜坡失去穩(wěn)定性導(dǎo)致的坍塌而引起壩頂部潰口逐漸擴(kuò)大。

根據(jù)實(shí)測資料發(fā)現(xiàn),當(dāng)土石壩增加面板防滲后,根據(jù)原型觀測發(fā)現(xiàn),混凝土面板呈現(xiàn)不規(guī)則倒梯形潰口,梯形兩側(cè)呈鋸齒形并且相互對稱,如圖1所示。在潰壩過程中,面板始終在不同程度參與擋水,并且面板不斷折斷,因此下泄流量是一個(gè)變化值。

圖1 面板斷裂示意圖

假設(shè)將整個(gè)潰壩過程分為5個(gè)階段,第一階段,1～5號面板折斷高程為圖1所示與1號面板齊平,第二階段2～5號面板折斷同2號面板齊平,依次類推。每階段歷時(shí)較短,計(jì)算瞬時(shí)潰壩最大流量[1]:

式中:QM為瞬時(shí)潰壩最大流量(m3/s);B為潰壩時(shí)壩前水面寬度或壩頂長度(m);b為壩潰決口平均寬度(m);H為潰壩時(shí)水頭或潰壩時(shí)壩前水深(m);h為決口處殘壩壩頂至水面的距離,也稱決口頂上水深(m);g為重力加速度(m/s2)。b值主要是由引起潰壩的水流沖刷能力與壩體材料抗沖能力相互作用的結(jié)果。

3 計(jì)算實(shí)例分析

某水庫壩址積水面積198 km2,水庫總庫容為330×104m3,庫區(qū)多年平均降水量311.8 mm,屬少水干旱區(qū)。河床縱向坡降平均約為1.65%,多年平均徑流量約為1.286×107m3,平均流量約為0.4 m3/s。壩址河谷寬20 m～50 m。水庫為鋼筋混凝土面板砂礫壩,最大壩高71 m,頂寬7 m,長265 m。上游坡1∶1.6,下游坡1∶1.5。面板頂高程3 277 m,面板頂端厚0.3 m,底部厚0.6 m。中部設(shè)面板9塊,每塊寬14 m,兩側(cè)設(shè)面板18塊,每塊寬7 m。潰壩后庫內(nèi)存水約50×104m3。

將潰決過程分為五部分,具體如圖1所示,假設(shè)第一次面板折斷高度都為3 272.9 m,除1號面板外第二次折斷高度為3 265.5 m,依次類推,最后一次面板折斷僅5號板,高度為3 249.5 m。具體數(shù)據(jù)見表1。

不同面板折斷高度,下泄流量相應(yīng)不同,具體關(guān)系見圖2。

由圖2可以看出,當(dāng)面板第二次折斷時(shí),下泄流量達(dá)到最大,通過表1不難發(fā)現(xiàn),當(dāng)面板第二次折斷時(shí)的高差最大為7.4 m,當(dāng)面板突然折斷,潰口相應(yīng)加深,溢流量隨之增大;即下泄流量與潰口突然加深程度有關(guān)。通過計(jì)算表明計(jì)算值與現(xiàn)場調(diào)查值較為吻合。

表1 面板依次折斷高程

圖2 面板高度與下泄流量關(guān)系

4 結(jié) 論

在有面板防滲的土石壩潰決過程中,其決口不是一次性形成的,而是隨潰決過程不斷擴(kuò)展的,面板始終在不同程度參與擋水,從決口開始時(shí)刻到基本形成穩(wěn)定的潰決斷面,整個(gè)過程需要一段時(shí)間[6]。當(dāng)潰口趨于穩(wěn)定時(shí),并未一潰到底,而是留有一定高度的殘壩,壩前折斷面板仍能擋水。因此,面板壩潰決可以概括為局部逐漸未潰到底潰壩模式。本文使用的潰壩模型及模擬計(jì)算方法,能基本合理可行地模擬實(shí)際工程中的潰壩失事,其結(jié)果能夠?yàn)楣芾聿块T的正確決策提供一定依據(jù)。

使用本文模型進(jìn)行潰壩計(jì)算,可為有關(guān)部門的預(yù)報(bào)、防汛決策提供一定依據(jù),可在工程突發(fā)事故前,預(yù)測下游河道地區(qū)的群眾疏散高程,為潰壩洪災(zāi)的搶險(xiǎn)做充分準(zhǔn)備。在突發(fā)情況下,也可采用瞬時(shí)潰壩模型進(jìn)行應(yīng)急計(jì)算。

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