梁 骏 董占飞

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司,湖南 长沙 410014)

水库大坝一旦失事或者遭受到破坏,会对下游人民的生命和财产带来严重的灾难[1-3],如2018年老挝桑南内水电站溃坝,造成6600多人无家可归,给当地生命财产造成了巨大的损失[4],对此,国内外众多学者对溃坝洪水作了较多的研究。Butt等[5]利用HEC-RAS模型评估了多种洪峰下的淹没后果;黄彬彬等[6]研究了红旗水库溃口流量过程、局部流态以及洪水传播过程,并评估了造成的灾害损失;陈祖煜等[7]通过DB-IWHR程序对“10·10”白格堰塞湖漫顶泄流过程进行了反演分析,找到适宜土石坝的冲刷侵蚀参数;张松松等[8]采用MIKE11对大新水库不同坝高进行了溃坝洪水演进分析研究;李政鹏等[9]采用BIM+GIS技术对前坪水库溃坝洪水演进过程进行了洪水风险研究,并成功进行了三维成果的展示。

本文采用HEC-RAS对金沙江向家坝电站周边的竹根池水库进行溃坝洪水计算,得到多种方案下溃坝影响范围及下游沿程水力特性要素,研究成果可以为竹根池水库防洪减灾提供技术支持,也可为向家坝电站避免发生水库漫坝导致水淹厂房事件提供一定应急指导。

1 工程概况

竹根池水库地处长江流域金沙江下游左岸一级支流老堰沟,于1976年建成,年久失修,经复核后总库容7.99万m3,正常蓄水位502.5m,设计洪水位511.12m,校核洪水位511.89m,其工程等级为Ⅴ等,工程规模为小(2)型。工程挡水坝为土石坝,目前坝顶高程513.3m,最大坝高18.1m,坝顶长55m,坝顶宽3.5m。大坝上游平均边坡为1∶1.5,边坡不规则,浪蚀严重;下游坝坡中部有一宽度为6.0m的马道,马道以上边坡为1∶1.5,马道以下边坡为1∶1.8。老堰沟两侧多为种植梯田,地形坡度较大,对向家坝电站有影响的主要为坝址下游缆机平台道路左侧的机电设备仓库和进坝进场公路。竹根池水库区位见图1。

2 二维溃坝模型构建

2.1 二维求解方程

HEC-RAS模型二维水动力学的求解采用浅水方程,计算公式如下。

连续方程:

动量方程:

式中:H为水面高程,m;t为时间,s;h为水深,m;V为水流流速,m/s;q为旁侧入流量,m2/s;g为重力加速度,m/s2;ν1为水平方向的运动黏度,m2/s;cf为河床底部糙率;f为科里奥利系数;k为垂直方向上的单位矢量。

2.2 溃坝模型建立

2.2.1 地形处理

依据竹根池水库周边1∶2000地形图,构建竹根池水库2D地形DEM,为方便分析溃坝风险,将竹根池水库周边DOM影像叠加到DEM中,见图2。

2.2.2 网格剖分

HEC-RAS模型采用的计算网格是非结构化网格,由于研究区域坡降较大,本次水库下游二维主河槽采用1m×1m的网格,相邻周边网格采用10m×10m的网格。共划分8.4万个网格。

2.2.3 糙率

通过RAS Mapper软件求解土地覆盖中的糙率值赋值于二维网格,根据不同的土地覆盖类型,从HEC-RAS二维建模用户手册以及《水力计算手册》中查询相应的糙率阈值,并通过现场调查确定相应的糙率值,见表1。本次所使用的土地覆盖数据分辨率为30m×30m,来源于国家基础地理信息中心,见图3。

表1 不同土地类型下的n值

图3 土地覆盖数据

2.3 计算方案

结合竹根池水库现场查勘情况以及以往的研究,分析其潜在溃坝原因及溃决路径。依据分析的结果,对竹根池水库溃坝计算拟定了不同溃决水位、溃决形式等计算方案,具体如下。

2.3.1 洪水漫顶情况下的溃坝

造成大坝漫顶的原因有很多,如遭遇大洪水、上游大坝突然溃决、溢洪道泄流能力不足、坝顶高程不足、闸门故障无法开启、两岸边坡滑塌导致涌浪等。对于竹根池水库均质土坝而言,最大的潜在原因可能是遭遇超标准洪水,导致溢洪道短时间难以下泄,洪水漫顶,如长时间不能按照设计路径下泄,则有可能造成大坝坝身和下游坝基被淘刷,从而发生冲毁事故[10]。

洪水漫顶工况计算选择上游来水为校核洪水的1.2倍作为超标准洪水。考虑到竹根池坝较小,溃口底高可选在下游马道处和坝底,见图4。溃口发展形式则根据HEC-RAS模型自带的回归方程进行自动计算,见表2。从对竹根池水库主坝溃口尺寸的预测结果可以看出,von Thun&Gillete方程在土石坝溃口预测上得出的溃口尺寸最大,为了安全考虑,选择此方程预测的溃口形式进行溃坝计算。

表2 池水库溃口尺寸预测结果(底高程508.5m处)

图4 池漫顶工况下溃口底高设置示意图

2.3.2 渗透破坏产生的溃坝

在土石坝事故中,除漫顶情况产生溃坝情况外,渗透破坏是土石坝失事的又一重要原因[9]。竹根池水库作为一均质土坝,最可能发生的就是坝体渗漏,浸润线从坝坡逸出将导致坝坡湿润或沼泽化,过高的浸润面增加了滑坡的可能性,同时由于渗流的长期作用和气温及降雨的影响,坝坡土体的抗剪强度减小,局部渗透破坏,滑塌的可能性增大。根据前期竹根池水库渗流安全评价对浸润线的计算可确定溃决底高程为503.6m,同理,溃口的发展过程采用回归方程进行计算。

2.3.3 超标地震产生的溃坝

超标准的地震是容易产生溃坝,由于地震的突发性强,时间短,此时拟定的溃决水位为正常蓄水位508.2m,溃决坝段选择整个坝体,溃口底高选择库底高程502.5m。

综上,本次竹根池水库溃坝计算方案见表3。

表3 竹根池水库溃坝计算方案

3 计算结果及影响分析

3.1 溃口处水力要素分析

对拟定的4种溃决方案采用HEC-RAS模型进行计算,由于本次计算范围部分河段地形坡度较大,为了保证计算稳定性,计算时间步长取0.1s。由表4可知,溃决水头越大(堰上水位-溃口底高程),底宽越宽,溃决洪峰越大;反之,则越小。

表4 各方案下溃口水力要素成果

3.2 最大淹没范围

当大坝发生溃决时,溃坝洪水以单波的形式向下游传播,对于洪水淹没风险要素按<0.5m、0.5～1.0m、1.0～2.0m、2.0～3.0m和>3.0m等级进行划分,见图5。由水深分布数值可知,竹根池水库内最大水深在3m以上,坝址下游至金沙江一带水深大部分在3m以下,其中距离坝址下游100m、270m以及上坝公路处淹没水深可达3m。从整个水深分布区域来看,坝址下游水深大的区域主要在老堰沟的主沟,水深沿横向向两岸逐渐递减。

图5 竹跟池水库溃坝最大淹没水深

3.3 动态演进分析

依据方案2最大淹没范围分析洪水传播动态演进过程,见图6。溃坝发生的时间为模拟开始后的3:09:00时刻,因此从图6中可知,在时刻3:00:00时,尚未发生溃坝,竹根池水库在遭遇超标洪水后,仅由自身的溢洪道和泄水洞进行紧急排水,因此下游淹没范围较小;在3:12:00时刻,已经发生溃坝3min,可以明显看到下游淹没范围在逐渐扩大;在3:20:00时刻,下游淹没范围在进一步扩大,此刻由于溃坝,水库的水大量下泄,因此竹根池水库水位在急剧减小;在3:30:00时刻,竹根池水库的水量基本上泄空,坝址下游淹没范围较上一时刻迅速减小,在后续时间内,库水位及下游淹没范围会继续缓慢降低和减小。

图6 竹根池水库淹没范围动态演进(一)

3.4 重点部位水位过程变化分析

分别对可能影响向家坝电站的公路区域进行标号,影响区域依次为:①缆机平台道路影响点;②左岸出渣道路影响点;③左岸上坝道路影响点;④左岸进厂道路影响点。从水深-时间变化曲线图(见图7)可知,在溃坝洪水传播到四个影响点后,水深都有一个明显的急速增加过程,然后迅速回落,淹没历时较短,影响水深急速变化的主要是地形因素,这些区域坡度较大,溃坝产生的洪峰在此坡度的地形中传播一闪而过。缆机平台道路点的最大水深约1.1m,左岸出渣道路点的最大水深约0.6m,左岸上坝道路点的水深约0.16m,左岸进厂道路点的最大水深约1.3m。

图7 进场交通洞水深-时间变化曲线

4 结 语

本文采用HEC-RAS模型对向家坝电站周边的竹根池水库进行了二维溃坝水动力模拟计算,得到坝址下游沿程的洪峰流量、水位、流速以及重点关注影响区域情况,研究成果可为向家坝电站以及竹根池水库大坝安全管理应急预案、水库防洪抢险应急预案及防洪减灾提供技术支持,有力保障地方及电厂防汛安全。