梁 駿 董占飛

(中國電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖南 長沙 410014)

水庫大壩一旦失事或者遭受到破壞,會(huì)對(duì)下游人民的生命和財(cái)產(chǎn)帶來嚴(yán)重的災(zāi)難[1-3],如2018年老撾桑南內(nèi)水電站潰壩,造成6600多人無家可歸,給當(dāng)?shù)厣?cái)產(chǎn)造成了巨大的損失[4],對(duì)此,國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)潰壩洪水作了較多的研究。Butt等[5]利用HEC-RAS模型評(píng)估了多種洪峰下的淹沒后果;黃彬彬等[6]研究了紅旗水庫潰口流量過程、局部流態(tài)以及洪水傳播過程,并評(píng)估了造成的災(zāi)害損失;陳祖煜等[7]通過DB-IWHR程序?qū)Α?0·10”白格堰塞湖漫頂泄流過程進(jìn)行了反演分析,找到適宜土石壩的沖刷侵蝕參數(shù);張松松等[8]采用MIKE11對(duì)大新水庫不同壩高進(jìn)行了潰壩洪水演進(jìn)分析研究;李政鵬等[9]采用BIM+GIS技術(shù)對(duì)前坪水庫潰壩洪水演進(jìn)過程進(jìn)行了洪水風(fēng)險(xiǎn)研究,并成功進(jìn)行了三維成果的展示。

本文采用HEC-RAS對(duì)金沙江向家壩電站周邊的竹根池水庫進(jìn)行潰壩洪水計(jì)算,得到多種方案下潰壩影響范圍及下游沿程水力特性要素,研究成果可以為竹根池水庫防洪減災(zāi)提供技術(shù)支持,也可為向家壩電站避免發(fā)生水庫漫壩導(dǎo)致水淹廠房事件提供一定應(yīng)急指導(dǎo)。

1 工程概況

竹根池水庫地處長江流域金沙江下游左岸一級(jí)支流老堰溝,于1976年建成,年久失修,經(jīng)復(fù)核后總庫容7.99萬m3,正常蓄水位502.5m,設(shè)計(jì)洪水位511.12m,校核洪水位511.89m,其工程等級(jí)為Ⅴ等,工程規(guī)模為小(2)型。工程擋水壩為土石壩,目前壩頂高程513.3m,最大壩高18.1m,壩頂長55m,壩頂寬3.5m。大壩上游平均邊坡為1∶1.5,邊坡不規(guī)則,浪蝕嚴(yán)重;下游壩坡中部有一寬度為6.0m的馬道,馬道以上邊坡為1∶1.5,馬道以下邊坡為1∶1.8。老堰溝兩側(cè)多為種植梯田,地形坡度較大,對(duì)向家壩電站有影響的主要為壩址下游纜機(jī)平臺(tái)道路左側(cè)的機(jī)電設(shè)備倉庫和進(jìn)壩進(jìn)場(chǎng)公路。竹根池水庫區(qū)位見圖1。

2 二維潰壩模型構(gòu)建

2.1 二維求解方程

HEC-RAS模型二維水動(dòng)力學(xué)的求解采用淺水方程,計(jì)算公式如下。

連續(xù)方程:

動(dòng)量方程:

式中:H為水面高程,m;t為時(shí)間,s;h為水深,m;V為水流流速,m/s;q為旁側(cè)入流量,m2/s;g為重力加速度,m/s2;ν1為水平方向的運(yùn)動(dòng)黏度,m2/s;cf為河床底部糙率;f為科里奧利系數(shù);k為垂直方向上的單位矢量。

2.2 潰壩模型建立

2.2.1 地形處理

依據(jù)竹根池水庫周邊1∶2000地形圖,構(gòu)建竹根池水庫2D地形DEM,為方便分析潰壩風(fēng)險(xiǎn),將竹根池水庫周邊DOM影像疊加到DEM中,見圖2。

2.2.2 網(wǎng)格剖分

HEC-RAS模型采用的計(jì)算網(wǎng)格是非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,由于研究區(qū)域坡降較大,本次水庫下游二維主河槽采用1m×1m的網(wǎng)格,相鄰周邊網(wǎng)格采用10m×10m的網(wǎng)格。共劃分8.4萬個(gè)網(wǎng)格。

2.2.3 糙率

通過RAS Mapper軟件求解土地覆蓋中的糙率值賦值于二維網(wǎng)格,根據(jù)不同的土地覆蓋類型,從HEC-RAS二維建模用戶手冊(cè)以及《水力計(jì)算手冊(cè)》中查詢相應(yīng)的糙率閾值,并通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查確定相應(yīng)的糙率值,見表1。本次所使用的土地覆蓋數(shù)據(jù)分辨率為30m×30m,來源于國家基礎(chǔ)地理信息中心,見圖3。

表1 不同土地類型下的n值

圖3 土地覆蓋數(shù)據(jù)

2.3 計(jì)算方案

結(jié)合竹根池水庫現(xiàn)場(chǎng)查勘情況以及以往的研究,分析其潛在潰壩原因及潰決路徑。依據(jù)分析的結(jié)果,對(duì)竹根池水庫潰壩計(jì)算擬定了不同潰決水位、潰決形式等計(jì)算方案,具體如下。

2.3.1 洪水漫頂情況下的潰壩

造成大壩漫頂?shù)脑蛴泻芏?如遭遇大洪水、上游大壩突然潰決、溢洪道泄流能力不足、壩頂高程不足、閘門故障無法開啟、兩岸邊坡滑塌導(dǎo)致涌浪等。對(duì)于竹根池水庫均質(zhì)土壩而言,最大的潛在原因可能是遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水,導(dǎo)致溢洪道短時(shí)間難以下泄,洪水漫頂,如長時(shí)間不能按照設(shè)計(jì)路徑下泄,則有可能造成大壩壩身和下游壩基被淘刷,從而發(fā)生沖毀事故[10]。

洪水漫頂工況計(jì)算選擇上游來水為校核洪水的1.2倍作為超標(biāo)準(zhǔn)洪水?？紤]到竹根池壩較小,潰口底高可選在下游馬道處和壩底,見圖4。潰口發(fā)展形式則根據(jù)HEC-RAS模型自帶的回歸方程進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算,見表2。從對(duì)竹根池水庫主壩潰口尺寸的預(yù)測(cè)結(jié)果可以看出,von Thun&Gillete方程在土石壩潰口預(yù)測(cè)上得出的潰口尺寸最大,為了安全考慮,選擇此方程預(yù)測(cè)的潰口形式進(jìn)行潰壩計(jì)算。

表2 池水庫潰口尺寸預(yù)測(cè)結(jié)果(底高程508.5m處)

圖4 池漫頂工況下潰口底高設(shè)置示意圖

2.3.2 滲透破壞產(chǎn)生的潰壩

在土石壩事故中,除漫頂情況產(chǎn)生潰壩情況外,滲透破壞是土石壩失事的又一重要原因[9]。竹根池水庫作為一均質(zhì)土壩,最可能發(fā)生的就是壩體滲漏,浸潤線從壩坡逸出將導(dǎo)致壩坡濕潤或沼澤化,過高的浸潤面增加了滑坡的可能性,同時(shí)由于滲流的長期作用和氣溫及降雨的影響,壩坡土體的抗剪強(qiáng)度減小,局部滲透破壞,滑塌的可能性增大。根據(jù)前期竹根池水庫滲流安全評(píng)價(jià)對(duì)浸潤線的計(jì)算可確定潰決底高程為503.6m,同理,潰口的發(fā)展過程采用回歸方程進(jìn)行計(jì)算。

2.3.3 超標(biāo)地震產(chǎn)生的潰壩

超標(biāo)準(zhǔn)的地震是容易產(chǎn)生潰壩,由于地震的突發(fā)性強(qiáng),時(shí)間短,此時(shí)擬定的潰決水位為正常蓄水位508.2m,潰決壩段選擇整個(gè)壩體,潰口底高選擇庫底高程502.5m。

綜上,本次竹根池水庫潰壩計(jì)算方案見表3。

表3 竹根池水庫潰壩計(jì)算方案

3 計(jì)算結(jié)果及影響分析

3.1 潰口處水力要素分析

對(duì)擬定的4種潰決方案采用HEC-RAS模型進(jìn)行計(jì)算,由于本次計(jì)算范圍部分河段地形坡度較大,為了保證計(jì)算穩(wěn)定性,計(jì)算時(shí)間步長取0.1s。由表4可知,潰決水頭越大(堰上水位-潰口底高程),底寬越寬,潰決洪峰越大;反之,則越小。

表4 各方案下潰口水力要素成果

3.2 最大淹沒范圍

當(dāng)大壩發(fā)生潰決時(shí),潰壩洪水以單波的形式向下游傳播,對(duì)于洪水淹沒風(fēng)險(xiǎn)要素按<0.5m、0.5～1.0m、1.0～2.0m、2.0～3.0m和>3.0m等級(jí)進(jìn)行劃分,見圖5。由水深分布數(shù)值可知,竹根池水庫內(nèi)最大水深在3m以上,壩址下游至金沙江一帶水深大部分在3m以下,其中距離壩址下游100m、270m以及上壩公路處淹沒水深可達(dá)3m。從整個(gè)水深分布區(qū)域來看,壩址下游水深大的區(qū)域主要在老堰溝的主溝,水深沿橫向向兩岸逐漸遞減。

圖5 竹跟池水庫潰壩最大淹沒水深

3.3 動(dòng)態(tài)演進(jìn)分析

依據(jù)方案2最大淹沒范圍分析洪水傳播動(dòng)態(tài)演進(jìn)過程,見圖6。潰壩發(fā)生的時(shí)間為模擬開始后的3:09:00時(shí)刻,因此從圖6中可知,在時(shí)刻3:00:00時(shí),尚未發(fā)生潰壩,竹根池水庫在遭遇超標(biāo)洪水后,僅由自身的溢洪道和泄水洞進(jìn)行緊急排水,因此下游淹沒范圍較小;在3:12:00時(shí)刻,已經(jīng)發(fā)生潰壩3min,可以明顯看到下游淹沒范圍在逐漸擴(kuò)大;在3:20:00時(shí)刻,下游淹沒范圍在進(jìn)一步擴(kuò)大,此刻由于潰壩,水庫的水大量下泄,因此竹根池水庫水位在急劇減小;在3:30:00時(shí)刻,竹根池水庫的水量基本上泄空,壩址下游淹沒范圍較上一時(shí)刻迅速減小,在后續(xù)時(shí)間內(nèi),庫水位及下游淹沒范圍會(huì)繼續(xù)緩慢降低和減小。

圖6 竹根池水庫淹沒范圍動(dòng)態(tài)演進(jìn)(一)

3.4 重點(diǎn)部位水位過程變化分析

分別對(duì)可能影響向家壩電站的公路區(qū)域進(jìn)行標(biāo)號(hào),影響區(qū)域依次為:①纜機(jī)平臺(tái)道路影響點(diǎn);②左岸出渣道路影響點(diǎn);③左岸上壩道路影響點(diǎn);④左岸進(jìn)廠道路影響點(diǎn)。從水深-時(shí)間變化曲線圖(見圖7)可知,在潰壩洪水傳播到四個(gè)影響點(diǎn)后,水深都有一個(gè)明顯的急速增加過程,然后迅速回落,淹沒歷時(shí)較短,影響水深急速變化的主要是地形因素,這些區(qū)域坡度較大,潰壩產(chǎn)生的洪峰在此坡度的地形中傳播一閃而過。纜機(jī)平臺(tái)道路點(diǎn)的最大水深約1.1m,左岸出渣道路點(diǎn)的最大水深約0.6m,左岸上壩道路點(diǎn)的水深約0.16m,左岸進(jìn)廠道路點(diǎn)的最大水深約1.3m。

圖7 進(jìn)場(chǎng)交通洞水深-時(shí)間變化曲線

4 結(jié) 語

本文采用HEC-RAS模型對(duì)向家壩電站周邊的竹根池水庫進(jìn)行了二維潰壩水動(dòng)力模擬計(jì)算,得到壩址下游沿程的洪峰流量、水位、流速以及重點(diǎn)關(guān)注影響區(qū)域情況,研究成果可為向家壩電站以及竹根池水庫大壩安全管理應(yīng)急預(yù)案、水庫防洪搶險(xiǎn)應(yīng)急預(yù)案及防洪減災(zāi)提供技術(shù)支持,有力保障地方及電廠防汛安全。