上游溃坝引发库区土石坝梯级连溃的模拟研究

2019-04-09关志伟

陕西水利 2019年2期

关志伟

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐 830000）

0 引言

上游溃坝出现的短时洪峰会对下游紧邻水库的御洪能力构成严重威胁。本文基于案例溃坝过程，以单库非恒定流溃坝数理模拟计算的方式，对上游溃坝洪水涌入下游紧邻的梯级水库以及下游紧邻水库调水御洪防范库坝连溃进行模拟，为防范上游溃坝引发紧邻库区土石坝梯级连溃的工程技术应用提供研究和技术参考。

1 非恒定流数理方程

明渠的非恒定流一维圣维南方程组：

式中：x为空间坐标；f为时间坐标；h为水深；g为重力的加速度；Q为单位流量；A为过水截面的面积；S0为渠底比降；Sf为阻力坡降，Sf=Q|Q|/K2；K 为流量模数[1]。

2 土石坝梯级连溃及洪水演进模拟

（1）工程概况

该工程坝体横河向宽约611.8 m，顺河长约803.4 m，坝高82.1 m，总体积约2037万m3，蓄水量最大可达3.16亿m3。坝的顶面约宽300 m，左侧高点高程793.9 m，中部高点高程752.2 m，右侧高点高程775.0 m。上游坝坡长200 m，坡比1∶4。下游坡长300 m，坡比1∶2.4。堰塞坝项部宽约300 m，坡度在0°～5°间相对平缓。

（2）下游土石坝梯级连溃

上游坝发生溃决以后，洪流经过河道涌入下游的梯级水库，引发水库水位凶猛上涨，当洪水漫过下游坝顶时，坝顶漫流过程启动，漫流流速加大到Vc临界值后，坝顶冲刷开始，溃坝过程启动，随即发生下游土石坝连溃。

案例溃坝洪水在9：00开始涌入下游水库，水库水位在14：05漫过高程465 m的坝顶，14：40冲刷流速Vc达到3.0 m/s，大坝此时开始发生溃决。案例坝体溃决模拟计算基本参数，具体见表1[2]。

表1 案例坝体溃决模拟计算基本参数

通过单库非恒定流溃坝数理模型，计算案例溃决的流量、水位及溃口演变曲线，具体见图1和图2。

图1 案例溃决的流量及水位变化曲线

图2 案例溃决的溃口演变曲线

通过模拟计算，案例坝于14：48开始进入溃决过程，于22：06洪峰流量出现，达到8159.9 m3/s，此后流量渐次降低，直到下一日15：26溃决过程才结束，溃决过程整整持续了24.6 h，最终形成溃口高程为387.4 m，宽度为144.6 m[3]。

（3）溃坝下游洪水演进模拟

依据案例溃坝的实测流量过程对溃坝下游洪水演进模拟，溃坝的实测流量过程，具体见表2。

表2 案例溃坝的实测流量过程表

模拟计算的各参数取值：时间步长取60 s，空间权重系数取0.4，时间权重系数取0.75，通过模拟计算，获得案例溃坝致洪水涌入下游水库的洪峰流量过程，具体曲线见图3。

图3 案例溃坝致洪水涌入下游水库的洪峰流量过程

计算结果揭示，案例溃坝过程约持续14 h。上游堰塞坝溃决始于06：00，溃决洪峰流量在12：30达到6500 m3/s。洪峰于09：00涌入下游水库，14:24出现洪峰流量，峰值在6325.4 m3/s。

3 基于不同工况的连溃模拟分析

3.1 有预警工况

为了避免下游水库大坝连溃，当案例上游在06：00开始溃坝时，下游紧邻的梯级水库立即开闸泄水，以常规蓄水位461 m起调水位，模拟计算紧邻的梯级水库大坝能否发生漫顶及至连溃。紧邻的梯级水库预警调水泄洪过程模拟计算，所得曲线具体见图4。

图4 紧邻的梯级水库预警调水泄洪过程

图4 揭示，从06:00开始，紧邻的梯级水库开始预警泄洪，原461 m的水位开始下降；上游溃坝洪水在09:00涌至水库，由于此时的溃坝来水其流量较比泄流量还小，故水库水位仍然处于降低过程中；但在11:25以后，溃坝来水量开始大于调节泄流量，水库水位不再降低而开始逐渐升高；水库水位在14:35上涨至高程465 m的坝项，迅速出现洪水漫顶；在15:18漫顶流速达到3.0 m/s，水库大坝自此开始溃决[4]。

紧邻的梯级水库溃决过程、流量及水位变化曲线，模拟结果具体见图5。

图5 紧邻的梯级水库溃决过程、流量及水位变化曲线

图5 曲线结果揭示，紧邻的梯级水库大坝于15:18开始溃决，洪峰出现在在22:52，洪峰流量达7830.7 m3/s，此后逐渐降低，并于第二天15:58结束。模拟结果显示，在超级溃决流量面前，提前预警泄流只能起到推迟紧邻的梯级水库溃坝时间的作用，并不能完全阻止下游紧邻的梯级水库发生连溃。

3.2 增大泄流能力工况

工况为下游紧邻的梯级水库下游增设一条特别泄洪洞，在原有基础上加大泄流能力。增设特别泄洪洞的紧邻的梯级水库泄流曲线见图6[5]。

图6 增设特别泄洪洞的紧邻的梯级水库泄流曲线

下游紧邻的梯级水库无预警，也就是上游溃坝发生后，洪水于9:00流至紧邻的梯级水库，水库即时开始放水调洪，以此工况计算紧邻的梯级水库大坝能否发生溃坝。增大泄流能力后紧邻梯级水库预警调水泄洪过程，模拟计算曲线见图 7。

图7 增大泄流能力后紧邻梯级水库预警调水泄洪过程曲线图

图7 显示，紧邻梯级水库在09:00开始放水泄洪，这时的来水流量较泄流量小，故水库水位自461 m高程开始降低；在12:15以后，上游来水量开始高于水库泄流量，此时水库水位开始上升；水库水位在16:10上涨至高程465 m的坝顶，大坝出现洪水漫顶；至17:36时达到最高水位465.7 m，但来水流量与水库泄流量基本相当，并且此时坝顶洪水流速仍较冲刷起动流速要小，所以大坝不会发生溃决。需要指出的是，虽然此工况下紧邻梯级水库不发生坝体溃决，但就土石坝而言，一般不允许坝顶过水，如果有漫顶溢流发生，则意味土石坝还是存在溃坝隐患。由此可见，仅仅增大紧邻梯级水库的泄流能力，还不足以抵御上游溃坝后给下级紧邻梯级水库带来的连溃风险[6]。

3.3 有预警并增大泄洪能力工况

工况为下游紧邻梯级水库同即增设泄洪预警也增大放水泄流能力。当上游在06:00开始溃坝的同时，下游紧邻梯级水库即刻以增大的泄流能力实施放水泄洪。预警又加大泄流能力的御溃调洪过程的模拟计算，获得御溃调洪过程曲线见图8。

图8 预警又加大泄流能力的御溃调洪过程

图8 显示，紧邻梯级水库在06:00开始御洪放水，原461 m的水库水位开始降低；上游溃坝洪水在09:00涌入紧邻梯级水库，此时紧邻梯级水库的水位己被调节至457.2 m，净降幅达3.8 m；此时溃坝上游来水流量仍较紧邻梯级水库的泄流量要小，因此水库水位还在继续下降；直至12:12时水库455.1 m的最低点水位出现，此时水库的流入流出量大致相当；紧接着，上游溃坝来水流量开始大于泄流量，水库的水位开始出现上升；不过来水量与泄流量在17:54出现第二次大致相当，此时水库水位升达463.4 m的最高点，仍低于坝顶，没有漫坝现象发生。模拟计算结果揭示，上游案例溃坝发生时，下游紧邻梯级水库通过增设非常泄洪通道提高泄洪能力，并通过预警提前调整库容，极大提高了紧邻梯级水库的上游溃坝洪水的疏解抵御能力，能够有效防止紧邻梯级水库的坝体连续溃决。