溃坝洪水计算中计算工况的合理选择

2021-01-05许增培

四川水利 2020年6期

许增培

(四川省水利水电勘测设计研究院，成都，610072)

1 前言

随着经济社会的发展，兴建水利工程逐渐成为保障民生及水安全的重要战略，随着水库大坝的兴建，溃坝现象也时有发生，据统计，1954年-2006年我国共发生3498座溃坝案例[1]，其中绝大多数为土石坝，且溃坝原因多为漫顶溃坝及因质量问题而导致工程各部位管涌破坏。当前溃坝计算主要采用模型试验和数值模拟的方法进行分析[2]，目前模拟溃坝计算的软件主要有HEC-RAS、MIKE11、BREACH等一维、二维水力学计算软件[3-5]，不同工况条件下计算所得溃坝流量差异较大，选择适当溃坝计算工况能有效地提高应急预案的经济合理性，当险情发生时能有效降低下游损失[6-8]。

2 工况设置思路

2.1 基础资料收集

基础资料收集是溃坝计算的前提条件，其中水库资料包括水位库容关系、水库大坝泄流设施；水文资料则包含各频率设计洪水过程，溃坝计算中往往需要更高的重现期洪水；地形资料以作为溃坝计算洪水演进基础资料；工程形象面貌则包含水库当前各部位状态，有助于了解在当前工程各项设施的运行情况；施工进度计划可以初步了解施工期的大坝在汛前所建成的形象面貌；工程管理资料则能够对水库发生险情时制定处置计划提供参考依据。

2.2 调洪分析

调洪分析目的在于判断大坝溃坝的类型，主要考虑是漫顶溃坝还是管涌溃坝。分别分析在下泄通道畅通、完全堵塞、部分畅通情况下，上游来流不同频率洪水时，调洪计算可能达到的最高水位，若该水位超过当前坝体坝顶高程，则会发生漫顶情况，反之不会发生漫顶。当设计洪水重现期越大，坝前水库也越高，发生漫顶的可能性也更大，但如果采用设计洪水重现期过大则其发生的概率极小，此情况下考虑漫顶溃坝显然是不合理的。如何界定洪水重现期是否合理，与大坝承担的任务及设计标准有关，若洪水重现期远大于其校核洪水重现期，按此计算显然是不合理的，因此则不考虑漫顶溃坝。

2.3 工况设置

在制定应急预案中，通常以最危险工况作为推荐，在同等坝前水位，同样溃口样式下，因管涌溃坝历时比漫顶溃坝更久，所以漫顶溃坝所得的溃坝流量相比管涌溃坝大得多，因此通过分析如可能发生漫顶，则可仅计算漫顶溃坝工况而不考虑管涌溃坝工况。如通过分析不会发生漫顶，则仅考虑其管涌溃坝，同时还需根据坝体设施布置情况考虑管涌发生的条件，即管涌时坝前水位及管涌开始发展的高程。

图1 溃坝计算技术路线

3 案例分析

3.1 工程概况

某水库是一座以灌溉、防洪、城乡生活及工业供水等综合利用的水利工程，该工程总库容1.6656亿m3，设计坝型为沥青混凝土心墙坝，最大坝高104.8m，坝顶高程654m，设计洪水重现期100年，校核洪水重现期2000年。工程设无压泄洪洞，底板高程598m，弧形闸门控制；两孔溢洪道，底板高程633.5m，采用WES实用堰。该工程处于建设期，导流洞正常运行，底板高程562m。

2019年汛前形象面貌：大坝整体填筑至610m，超过上下游围堰高程，导流洞正常运行，泄洪洞及溢洪道未施工完成，不具备泄流条件，未提前蓄水。

2020年汛前形象面貌：大坝整体填筑至653.85m，超过上下游围堰高程，导流洞正常运行，泄洪洞及溢洪道按施工进度计划基本完工，但本汛期暂不考虑其参与泄洪，库内未蓄水。

3.2 调洪分析

收集水库水文资料，该水库各频率洪水特性如表1。

表1 各频率洪水特性

由于水库处于建设期，库内未蓄水，5%频率坝址处汛期(5-10月)径流为23.2m3/s，相应导流水位约1.75m，对应水位为563.75m，相应库容为90万m3；2019年汛前大坝整体填筑至610m，相应库容4373万m3；2020年汛前大坝整体填筑至653.85m，相应库容17484万m3，施工期最多可容纳洪水库容17394万m3。

若考虑导流洞完全堵塞，对于2019年汛前，上游即使来10年一遇洪水，洪量为7620万m3，坝前水位也将超过610m高程，从而导致漫顶；但对于2020年汛前而言，上游即使来500年一遇洪水，洪量17219万m3也比可容纳库容17394万m3要小，即导流洞完全堵塞，2020年汛前即使来500年一遇洪水，也不会漫顶。

同样，通过考虑导流洞正常下泄和部分(50%)下泄条件下，再进行调洪计算分析，可得以下结果，如表2、表3。

表2 导流洞正常下泄调洪计算结果

表3 导流洞部分下泄调洪计算结果

从调洪结果可以看出，在导流洞正常运行条件下，200年一遇洪水坝前最高水位611.16m，超过2019年汛前坝高610m，发生漫顶溃坝，而5000年一遇洪水坝前最高水位628.16m，远低于2020年汛前坝高653.85m；在导流洞部分下泄(50%)条件下，5000年一遇洪水，坝前最高水位也只有635.86m，同样不会发生漫顶。故2020年汛期溃坝计算若考虑漫顶溃坝显然是不合理的，因此仅考虑管涌溃坝。但对于2019年汛期溃坝计算而言，在导流洞正常运行下，上游来200年一遇洪水，坝前水位都会漫顶，因此，考虑其漫顶溃坝是合理的。

3.3 工况设置

从以上分析可以得出，2019年汛期溃坝数值模拟应考虑漫顶导致的溃坝，而2020年汛期溃坝数值模拟则仅考虑管涌导致的溃坝。

2019年汛前考虑为漫顶工况，当上游来200年一遇洪水时，坝前最高水位611.16m，比坝顶高程高1.16m，通过采取必要的抢护措施可以避免漫顶，因此考虑更危险的情况，即上游来500年一遇洪水，导流洞正常泄洪，水位上升至610m开始漫顶溃坝，导致大坝全溃，溃坝历时4h。

2020年汛前考虑为管涌工况，当坝前水位上升至溢洪道高程后可以通过采取必要的措施宣泄洪水，因此考虑坝前最高水位与溢洪道底板齐平，此高程相当于上游来2000年一遇洪水，导流洞部分下泄调洪后坝前最高水位，即坝前水位633.5m，大坝管涌全溃，起溃高程为溃口中心607m，溃坝历时相比漫顶更长，取6h。

3.4 计算结果

通过设置工况，溃口采用速算的方法，溃口发展呈S型曲线分布，以溃口流量经验公式估算法进行计算，下游河道洪水传播采用一维圣维南方程组进行计算。

(a)坝址处 (b)坝址下游21km处

从计算结果可以看出，2019年漫顶全溃洪峰流量11622m3/s，2020年管涌全溃洪峰流量9852m3/s，2020年溃坝洪峰流量较2019年减小1770m3/s，这与随着坝体加高，坝体防洪水平相应提高一致。此外可以看出，管涌溃坝历时长，洪量大，洪水坦化效果相比漫顶溃坝更弱，因此管涌溃坝对下游的影响范围更远，同时因其历时较长，对于下游也有更多的预警时间。

通过计算结果分析可以看出，2019年度汛预案中应着重做好上游水情预报以及下泄通道下泄能力的定期检查，而2020年度汛预案中则更应着重对坝体本身的监测，防止发生坝体渗漏导致管涌破坏。对于下游的避洪转移方案，因管涌破坏流量坦化弱，洪水影响范围广，因此应考虑下游更远范围内的避洪转移方案。