胡蘇萍

（南京水利科學(xué)研究院,210024,南京）

一、潰壩的殘余風(fēng)險

要確保壅水建筑物的安全，不僅需要按照公認(rèn)的技術(shù)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計、施工、運行以及安全監(jiān)測，還必須采取技術(shù)、管理和組織措施實施殘余風(fēng)險管理。德國自1997年起開始對DIN 19 700∶1986壅水建筑物標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，歷時7年，最終于2004年發(fā)布新修訂的標(biāo)準(zhǔn)。DIN 19 700∶2004采納了上述綜合和透明的安全概念，除要求按規(guī)定完成設(shè)計和安全驗證之外，還要求重視超過設(shè)計和驗證極限的情況。在標(biāo)準(zhǔn)的第10部分明確指出，必須對因為超過設(shè)計洪水流量或洪水水位以及超過設(shè)計地震而造成的壅水建筑物安全的殘余風(fēng)險進(jìn)行評估，并結(jié)合當(dāng)?shù)貤l件通過附加的、建設(shè)性的、管理和/或組織措施充分降低殘余風(fēng)險。這一要求表明：①壅水建筑物不可能達(dá)到100%絕對安全；②不是要排除風(fēng)險，而是要降低風(fēng)險；③必要時要采取預(yù)防事故的措施；④保留可接受的殘余風(fēng)險。按照DIN 19 700∶2004必須針對極端地震和極端洪水兩種危險情況，對大壩失事的殘余風(fēng)險進(jìn)行評估。

二、潰壩情景的建立

對已建壩進(jìn)行風(fēng)險評估的第一步就是要建立假定的潰壩情景。潰壩時間進(jìn)程主要取決于大壩類型，土石壩與砌筑壩的潰壩特性不同，拱壩可能會突然間完全崩潰，而土壩漸進(jìn)式侵蝕過程可能會持續(xù)數(shù)小時，充分認(rèn)識歷史潰壩事件將有助于選擇符合實際的潰壩情景。

大壩形成潰口的原因各不相同，但不同的原因也可能導(dǎo)致潰口形狀相似。表1總結(jié)了砌筑壩可能的潰壩原因及其相應(yīng)的潰口形狀。管涌和漫頂會導(dǎo)致土石壩潰決，而由地震或塌方造成邊坡或壩體破壞引起土石壩潰壩的情況則較為少見。

根據(jù)不同原因造成的潰壩情景可以推算出潰口大小及潰口形成時間，這兩個參數(shù)對于出流過程線具有決定性影響，可以利用由歷史或試驗得出的經(jīng)驗關(guān)系式確定，部分采用物理試驗方法。表2給出了不同壩型的潰口參數(shù)和潰決歷時經(jīng)驗值，考慮到這些經(jīng)驗值固有的不確定性，建議就不同的潰口參數(shù)（如寬度、深度和形成時間）進(jìn)行敏感性分析。

近年，基于物質(zhì)輸移方程利用數(shù)值方法計算土壩潰口形成的可能性顯著增大，但歐盟IMPACT項目2005年的研究結(jié)果表明，計算值與原型值或試驗值之間仍然有30%～50%的偏差，尤其是潰口最大出流量。堆石壩的潰壩特性顯然不同于土壩，雖然堆石壩能較長時間地經(jīng)受住漫頂和滲流，但實際的潰壩進(jìn)展較快，致使最大出流量較大。

如果不了解壩體中的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如防滲心墻或上游護(hù)面）對潰壩過程的影響，就很難作出正確的估算。對土壩的試驗研究表明，與均質(zhì)土壩相比，設(shè)有防滲心墻的土壩遭受侵蝕的速度較快，因為耐沖蝕心墻構(gòu)成一個溢流堰頂，在它的后面紊流加劇，從而使沖蝕增強。關(guān)于防滲護(hù)面對潰壩過程的影響尚未進(jìn)行研究。

砌筑壩潰壩被描述為突然失事，自19世紀(jì)以來，潰壩事件時有發(fā)生，為此加強了相關(guān)的理論和試驗研究。砌筑壩潰壩后，潰口不再隨時間產(chǎn)生進(jìn)一步變化。如果把潰壩作為自由落體運動來考慮，就可以估算出取決于壩高的砌筑壩假定潰壩的最短時間。

針對一座由土壩和相鄰的圬工壩（設(shè)有溢洪道）組成的壅水建筑物建立了相應(yīng)的潰壩情景（表3）。在此情況下，尤其不具備足夠的抗震安全性。盡管有泄降限制，但仍然考慮了壅水位快速泄降，因為誤操作可能會導(dǎo)致出現(xiàn)上述情形。根據(jù)特定荷載出現(xiàn)概率與特定荷載下實際發(fā)生潰壩概率的乘積，確定各種潰壩情景出現(xiàn)的總概率。

表1 砌筑壩潰壩原因及其相應(yīng)的潰口形狀

表2 不同壩型的潰口參數(shù)和潰決歷時

表3 由土壩和圬工壩組成的某壅水建筑物可能的潰壩情景

三、出流過程線的確定

要確定出流過程線，首先必須確定所研究情況下可能的水庫初始水位，該水位對確定最大出流量具有決定性意義。在表3所列舉的示例中，在大多數(shù)情況下考慮為大壩全水頭。

根據(jù)已獲得的Ritter解可以確定砌筑壩突然潰壩時的最大出流量，Ritter解的推導(dǎo)以平底無阻無限長矩形河道為基礎(chǔ)，該值已通過不同試驗在很大程度上得到驗證，因此可以將其作為最大可能出流量應(yīng)用于突然潰壩、近似矩形潰口的實際潰壩情景。

土石壩一般不會像砌筑壩那樣瞬時全潰，土石壩潰決可以理解為一個潰口隨出流量逐漸擴大的過程。初始潰口形成之后開始的水庫泄放過程導(dǎo)致土石壩產(chǎn)生溯源侵蝕，這與出流量和水流拖曳力有關(guān)，因此潰口形成過程取決于筑壩材料抗侵蝕穩(wěn)定性和水流特性。如果估算出最終潰口尺寸和潰口形成時間，也可以根據(jù)寬頂堰流計算出流過程線，堰寬就相當(dāng)于潰口底部寬度，另外還需要其他一些參數(shù)，如水流收縮系數(shù)、潰口發(fā)展規(guī)律等，可以簡化假設(shè)潰口均勻地加深和拓寬。

圖1所示為針對示例壩計算的出流過程線，在圖中將過程線沿x軸推移，使流量峰值總是在t=0的位置。為便于洪水波計算，按照出現(xiàn)概率對過程線進(jìn)行總結(jié)和簡化，用點線繪出簡化過程線，并標(biāo)出每年達(dá)到或超過該最大洪水流量的概率。

四、潰壩洪水波傳播與危險圖

與強降雨和融雪引起的洪水波不同，潰壩波傳播速度顯然更快，而且最大洪水高度更高，這兩個特點也使這些現(xiàn)象的數(shù)值模擬更為困難。從歷史潰壩事件來看，潰壩洪水波的傳播速度為 5～65 km/h。

用于潰壩波計算的一維或二維數(shù)值計算模型以圣維南方程組為基礎(chǔ)，推導(dǎo)時簡化假設(shè)表面曲率可以忽略不計。尤其對波峰而言，這一假設(shè)似乎沒有反映實際情況，然而測量結(jié)果與計算結(jié)果的比較表明，圣維南方程組雖然不能描繪波峰形狀，但卻可以正確地計算波峰傳播速度。

在歐盟CADAM項目框架中，對法國Malpasset拱壩潰壩洪水波的比較計算表明，在采用相同的斯特里克爾系數(shù)情況下，與二維程序相比，一維程序所計算的潰壩洪水波速度較快，其原因在于一維程序未考慮流經(jīng)彎曲河谷所造成的速度損失。對于彎曲河谷，選用一個較小的斯特里克爾系數(shù)更為合理，從而對河谷彎曲造成的洪水波減速沿傳播路徑平均予以考慮。

針對所研究的河谷選擇一個合適的斯特里克爾系數(shù)對于淹沒區(qū)范圍的計算結(jié)果具有決定性影響。采用較低的斯特里克爾系數(shù)時（谷底高糙率）洪水波明顯減速，較為平緩，因而洪峰流量顯著減小；同時在斯特里克爾系數(shù)較低時，相應(yīng)于特定流量的水位增大。應(yīng)當(dāng)根據(jù)糙率系數(shù)的敏感性分析確定上述兩種相反的作用對于所計算淹沒區(qū)的影響。

高糙率使洪水波減緩，流速降低，同時致使水位增高。而在城市復(fù)雜的道路系統(tǒng)中，公路和鐵路上的流速則較大，在建筑物密集處流速減小，因此洪水波抵達(dá)城市某些地點的時間早于計算值。只有通過深入的研究和成本較高的二維或三維計算才能提供詳盡的說明。

有些國家通過法律對潰壩計算作出了相應(yīng)的規(guī)定，例如法國對洪水波傳播的計算值設(shè)定了安全系數(shù)。將最大洪水波高度提高15%，將抵達(dá)時間縮短15%，這是根據(jù)敏感性分析和從實際考慮所作的修正。

初步估算時，可以根據(jù)過水?dāng)嗝娴淖枞韧茖?dǎo)出過濾（排水）速度與平均空隙速度的比值，這與多孔介質(zhì)中的情形相似?？梢源致约僭O(shè)，在持久抵御洪水波的建筑物阻塞度為1%～50%的水流條件下，采用斯特里克爾糙率系數(shù)kst=15 m1/3/s的自由斷面所計算出的速度要增加1倍。

潰壩洪水波的計算結(jié)果可用于建立風(fēng)險圖，為防災(zāi)部門制定應(yīng)急預(yù)案提供依據(jù)。在危險圖中可以標(biāo)出可能的淹沒區(qū)以及可達(dá)到的最大水深，還應(yīng)通過有關(guān)潰壩情景、潰壩洪水波抵達(dá)時間、出流過程線和水位等說明對危險圖進(jìn)行補充。如果采用二維程序進(jìn)行計算，也可用矢量圖表示流速。要確保危險圖不僅可以通過計算機調(diào)用 （GIS，利用口令從互聯(lián)網(wǎng)下載），而且還要提供傳統(tǒng)的紙質(zhì)危險圖，以防止停電或網(wǎng)絡(luò)中斷。

圖1 特定潰壩情景（表3）的出流過程線與簡化過程線

若要在特殊危險圖中標(biāo)明強度，可將局部水深與流速的乘積作為動荷載。若要建立風(fēng)險圖，應(yīng)當(dāng)標(biāo)明潰壩出現(xiàn)的概率。頻發(fā)的高強度洪水危害較大，即風(fēng)險較大；而潰壩雖然危害強度高，但因為出現(xiàn)概率低，所以潰壩風(fēng)險一般較小。

五、結(jié) 語

基于潰壩后果的嚴(yán)重性，有必要認(rèn)識潰壩可能造成的影響，以便采取相應(yīng)的預(yù)防措施，如建立預(yù)警系統(tǒng)或制定應(yīng)急預(yù)案。鑒于大壩殘余風(fēng)險的研究一方面可通過對大壩潰口形成時間和與此相關(guān)的出流過程線進(jìn)行推算，另一方面可通過對下游洪水波傳播及其影響進(jìn)行描述，并利用計算結(jié)果建立危險圖。由于在計算假定中包含許多模糊變量，因此一張危險圖只能描述一種特定的潰壩情景。根據(jù)各種不同的邊界和初始條件可以建立各自相應(yīng)的危險圖。今后洪水波研究的另一種途徑就是應(yīng)用統(tǒng)計方法，并在事件圖中標(biāo)繪出特定水位的超越線。為最大程度地降低潰壩的殘余風(fēng)險，有必要不斷引入新的大壩安全管理理念和科學(xué)技術(shù)方法，開展深入細(xì)致的研究。

[1]Bettzieche V.Das Restrisiko eines Talsperrenbruchs aus Betreibersicht[J].Wasserwirtschaft,2009,99(6):10-14.

[2]Pohl R,Bornschein A.Risikoabschtzung für einen theoretischen Talsperrenbruch [R].Interpraevent 2008—Conference Proceedings,Vol.1.2008.187-197.

[3]Bornschein A.Die Ausbreitung von Schwallwellen auf trockener Sohle unter besonderer Beruecksichtigung der Wellenfront [J].Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen,2006,(33):1-255.

[4]郭軍.歐美國家近期潰壩研究及發(fā)展動向[J].中國水利,2005(4).