基于BREACH模型的某水库土坝溃坝分析研究

2021-05-21刘凤茹赵昱豪詹达美

人民珠江 2021年5期

刘凤茹，赵昱豪，詹达美

(1.深圳市广汇源环境水务有限公司，广东深圳 518001;2.河海大学水利水电学院，江苏南京 210098)

近年来，不少地区雨洪频发，给一些水库大坝带来严峻的考验。尤其是土坝，更易造成溃坝，将会产生严重的失事后果。因此，大坝溃坝问题是当前大坝安全的重要研究问题之一。大坝溃决方式主要有瞬时整体溃决、瞬时局部溃决和逐步溃决等形式[1-4]，瞬时整体溃决、瞬时局部溃决是指坝体整体或局部突然倒塌或消失。而逐步溃决是指由于水流作用，不断对坝体某薄弱部位进行冲刷，形成溃口，溃口逐渐扩展，最后导致坝体破坏的溃决方式。重力坝和拱坝的溃决方式主要为瞬时整体溃决和瞬时局部溃决，而土石坝的溃决方式一般为逐步溃决。按照逐步溃决的成因来分，逐步溃决可分为漫顶溃决和管涌溃决[5-6]。

目前，大坝溃决机理研究的模型已取得一系列成果，DMBRK模型[7]、MIKE 11 DB模型[8]、BEED模型[9]、BREACH模型[10-11]都可用来对大坝溃决进行计算分析。本文采用BREACH模型对某土坝溃坝过程中的溃口流量、上下游水位和溃口宽度等参数进行分析研究。

1 溃坝分析模型与溃坝模式

1.1 BREACH溃坝分析模型

BREACH模型是由美国气象局基于土坝溃坝过程线[12]而构建的一个用于计算逐步溃决类问题的数学模型。该模型将水力学、土力学、坝体几何尺寸、坝体材料属性等融合于一体构建[13]，能够描述逐步溃坝过程中泄流水位过程曲线、溃口流量过程曲线、溃口宽度变化过程曲线、累计泄水流量过程曲线等。

BREACH模型可模拟土坝的破坏，可用于均质土坝或可能含有“内外”2种材料属性相差较大的分区坝(如心墙坝)。BREACH模型也可计算滑坡、堆渣等非人工因素形成的天然堆积体的溃决。溃决方式包括漫顶失事和管涌失事。漫顶失事时，假定从局部薄弱点开始溃决，并随着水流冲刷溃口逐渐扩大，溃口底宽根据最大水力效力计算，其边坡稳定根据土力学原理计算，冲刷由泥沙输移方程计算。

BREACH模型采用水量平衡关系模拟库水位的变化，即：

(1)

式中t——时间；zs——库水位；As——库面面积；Qi——入库流量；Qb——溃口流量；Qsp——溢洪道出流量；Qsl——闸门出流量。

1.2 溃坝模式

1.2.1漫顶溃坝

漫顶导致溃坝的水流侵蚀[14-15]，若大坝下游面无草覆盖，存在一条矩形溪流，溪流对坡面侵蚀的作用使坝体形成一定宽度的河渠，河渠中的水流流量用宽顶堰流量公式计算，即：

Qb=3B0(H-Hc)1.5

(2)

式中Qb——河渠中的流量；B0——初始矩形形状河渠的瞬时宽度；H——坝前水位高程；Hc——溃口底部高程。

若大坝下游表面有草覆盖，漫顶水流速率采用曼宁公式计算。若下游坡面无草被覆盖层，溪流内部的侵蚀持续发展，沿着下游坡面的水流速率计算见式(3)、(4)：

q=3(H-Hc)1.5

(3)

(4)

式中q——单宽漫顶流量；H-Hc——超过堰顶部的静态水头；n′=aqb——草被均匀覆盖河渠后的曼宁系数；y——溃口河渠中水流深度；ZD——大坝下游坡比；a、b——网格曲线系数，BREACH模型建立后自动生成；v=q/y——下游坡面水流速率。

漫顶溃决，一般假设初始溃口为较小的矩形，溃口宽度计算式为：

B0=Bry

(5)

式中，Br为基于最合适河渠水力有效作用的一个因子，对于漫顶破坏，参数Br值为2，对于管涌破坏，参数Br值为1.0。

考虑陡峭河渠条件下，溃口坝料输移计算公式为：

(6)

式中Qs——坝料冲蚀率；d30、d90——含量占总重量30%、90%的颗粒粒径；P——湿周；n——曼宁系数；S——溃口河渠边坡坡比；Ω——与土体材料性质相关的阈值。

溃口处两边土体倾斜临界高度函数表达见式(7)：

(7)

不同类型坝体的漫顶溃决概化见图1—3。

图1 非黏性土坝及松散土坝漫顶溃决概化示意

图2 黏性土坝及碾压土坝漫顶溃决概化示意

图3 黏土心墙坝漫顶溃决概化示意

由图1—3可知，非黏性土坝或松散土坝发生漫顶溃决，坝体土体由下游逐层向上游溃决(即图1坝体1区向7区逐层溃决)；黏性土坝或碾压土坝发生漫顶溃决，坝体的顶部和下游表层土体发生阶梯式溃决，但相对于非黏性土坝，黏性土坝不易发生溃决。因此，黏土心墙坝发生漫顶，顶部和下游坝体的非黏性土坝体发生溃决，黏土心墙及上游的坝体不易发生溃决。

1.2.2管涌溃坝

管涌溃坝时，应保证水库水位大于坝体发生管涌后矩形河渠的中心线高程，管涌通道顶部和底部受到垂直向侵蚀[16]，溃口宽度计算同式(5)，通过管涌通道的流量为：

Qb=A[2g(H-Hp)/(1+fL/D)]0.5

(8)

式中Qb——通过管涌通道的流量；A——溃口横断面面积；g——重力加速度；Hp——中心线高程；H-Hp——溃口静态水头；L——管涌通道长度；D——管涌通道直径或宽度；f——摩擦因数。

水流从孔口出流控制转变成堰流控制是当管道顶部高程(Hpu)向上垂直发生侵蚀时出现这种转变关系，需要满足以下不等式：

(9)

管涌溃决概化见图4。

图4 管涌溃决概化示意

2 水库土坝溃坝实例分析

2.1 工程概况

某水库建于1957年10月，1958年基本建成并投入运行。此后，水库大坝、输水涵曾多次进行除险及安全加固，其中1966—1968年对水库进行扩建，库容从1 050万m3增加至2 050万m3，同时增设溢洪道；最近一次除险加固于2013年5月竣工验收，除险加固的大坝典型断面见图5(图中大坝尺寸单位为mm)。根据2013年除险加固成果，水库总库容2 913.5万m3，属于中型水库，水库工程等别为Ⅲ等。设计防洪标准为100年一遇(P=1%)，设计洪水位为35.11 m；校核防洪标准为1 000年一遇(P=0.1%)，校核水位为35.89 m。

图5 大坝典型断面

2.2 计算方案及模型参数

水库初始水位33.086 m，入库流量为不同的水位组合，考虑洪水突发和地震突发2种事件类型，管涌溃坝和漫顶溃坝2类模式，共设置5种计算方案。其中，地震突发事件方案采用多年平均径流量0.70 m3/s。各方案设置见表1。

表1 计算方案

由现场实测资料、物理实验测得的坝体材料物理力学指标以及经验取值，溃坝分析模型计算参数见表2—5。

表2 土坝及坝下河段参数

表3 防渗墙及溢洪道参数

表4 坝体填土材料参数

表5 溃口及侵蚀参数

2.3 结果与分析

通过计算，可以得到溃口流量、上、下游水位、溃口过水面积、溃口宽度、水库下泄水量随时间的变化关系。考虑到一些方案计算成果的相似性，限于篇幅，本节仅给出方案1、4、5的计算结果，见图6—8(图中t=0时刻对应设计洪水过程的t=0时刻)。5个方案的溃坝分析特征数据的统计见表6。

a)溃口流量及上、下游水位

表6 溃坝洪水计算结果统计

根据方案1—3的计算结果和表6分析可知，管涌溃坝模式下，洪水量级越大，最大溃决流量越大、最终溃口平均宽度越大、累积下泄水量越大。这是由于洪水量级大，水量多，增大洪水对坝坡的水压力，并作用在溃口处，使得溃口宽度增大，进而使得溃口流量以及累计下泄流量增大。但是不同量级的洪水，土坝溃口发展历时均在2.5 h左右，说明洪水量级对土坝溃口发展历时影响较小。

根据方案3、4的计算结果和表6分析可知，相同洪水量级条件下，漫顶溃坝最大溃决流量达到6 739 m3/s，明显大于管涌溃坝。同样，漫顶溃坝最终溃口平均宽度达到80.10 m，亦大于管涌溃坝。但是，2种溃坝模式下的累计下泄流量相同，均为3 632 m3/s。漫顶溃坝模式下，洪水漫过坝顶下泄，土坝浸泡在水中，使得土体强度降低，溃口土体更容易被冲刷，导致最终溃口平均宽度较大，通过溃口的流量较大。由图7可以看出，漫顶溃坝的溃口流量形状更为窄瘦、变化趋势更为陡峭，主要由于2种溃坝模式溃口发展历史相同，为2.5 h，而漫顶溃坝的最大溃口流量较大(6 739 m3/s)，管涌溃坝的最大溃口流量(5 834 m3/s)小导致。

地震突发条件下(方案5)，水库初始水位为正常蓄水位33.086 m，入库流量过程为多年平均径流量0.70 m3/s，水库主坝地震液化使得结构失效，管涌导致溃坝，此时溢洪道无泄洪。水量较小，相比其他方案，最大溃口流量最小，为4 525 m3/s，最终溃口平均宽度也最小，为66.32 m，累积下泄水量也最小，为2 160 m3/s。可见，在5个对比计算方案中，地震方案(方案5)最为安全。

由表6可知，在水量守恒方面，水库初始水位33.086 m对应库容为2 134万m3，100年一遇、1 000年一遇、2 000年一遇洪水过程的洪量分别为894万、1 357万、1 498万m3。不同方案的累积下泄水量与初始库容及入库洪量之和一致，溃坝分析计算结果具有较好的水量守恒性，进一步验证了模型计算结果的合理性。