董建良 吳歡強 傅瓊華

摘要：針對5000年一遇校核洪水副壩可能發(fā)生管涌導致潰壩的情況，應用Breach數(shù)學模型和River2D二維洪水演進計算軟件，計算了最初7 h潰口流量與時間關系過程線，建立了壩址至下游贛州鈷冶煉廠段有限單元數(shù)值模型，模擬了副壩潰決后研究范圍內(nèi)的洪水演進過程，估算了生命損失值，分析了生命社會風險。結果表明，副壩發(fā)生潰壩后，洪水將影響到2個行政村（鎮(zhèn)）、15個自然村（區(qū)），受災人口達70 462人，潰壩警報時間小于或等于5 h，生命損失值達百人以上，生命社會風險是不可容忍的。該研究成果可作為水庫制定大壩安全管理應急預案的參考依據(jù)。

關鍵詞：潰壩洪水；洪水演進；淹沒范圍；風險評估；數(shù)值模擬；生命損失

中圖分類號：TV122 文獻標志碼：A 文章編號：1672-1683（2014）06-0189-03

水庫是防洪體系與水利基礎設施的重要組成部分，在防洪、灌溉、供水、發(fā)電和改善生態(tài)與環(huán)境等方面發(fā)揮著巨大的作用，但是水庫也存在著潰壩風險；而隨著社會和國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，洪水災害所造成的損失越來越大，洪水災害風險研究已成為災害研究中的一個重要內(nèi)容。因此模擬潰壩洪水，準確預測堤壩的潰決過程及其壩下游洪水演進，對于處置潰壩突發(fā)性洪水災害，提升應對突發(fā)安全事件能力，具有十分重大的意義。江西省油羅口水庫作為章江流域的控制性工程，擔負著下游大余縣城、南康市10余萬人口、2 533.33 hm2農(nóng)田生命財產(chǎn)安全及京九鐵路、贛韶高速、323國道等重要設施的安全重任。本文在已有潰壩洪水數(shù)學模型的基礎上，對油羅口水庫潰壩洪水進行模擬與分析，旨在為水行政主管部門制定大壩防洪減災工作規(guī)劃及水庫大壩管理應急預案提供依據(jù)。

1 潰壩洪水數(shù)值模型

1.1 潰壩壩址處洪水模型

本文采用美國國家氣象局基于預報土壩洪水過程線而開發(fā)的Breach數(shù)學模型[1-2]。該模型建立在水力學、泥沙輸移、土力學、大壩幾何尺寸與數(shù)學特征、水庫庫容特征、溢洪道特征及入庫流量隨時間變化的基礎上，可以模擬均質(zhì)壩或不同特性材料組成的壩殼和心墻壩，因管涌引起的潰壩。

發(fā)生管涌潰壩模式，潰口流量計算公式如下[3]：

式中：Qb為流量；A為管涌橫斷面積；g為重力加速度；H為上游庫水位；HP為管涌初始平均高程；f為摩擦系數(shù)；L為管涌長度；D為管涌直徑（寬度）。

式中：NR為雷洛數(shù)，其余符號含義同式（1）。

1.2 水庫下游洪水演進數(shù)值模型

本文研究潰壩洪水流量對下游的影響，采用基于圣維南方程守恒形式的二維平均水深有限單元數(shù)值模型進行模擬[4]?？刂品匠倘缦拢?/p>

式中：H為水深；qx、qy分別為x、y方向與流速相關的流量強度；U、V分別為x、y方向平均流速；g為重力加速度；ρ為水的密度；Sox、Soy分別為x、y方向河床坡度；Sfx、Sfy分別為x、y方向阻力坡度；τxx、τxy、τyx、τyy為水平方向紊動應力張量。

2 油羅口水庫大壩潰壩洪水對下游的淹沒計算2.1 工程概況

油羅口水庫大壩位于江西省贛州市大余縣城以西章江上游10 km處，1971年建成，是一座以防洪為主，兼供水、發(fā)電、灌溉等綜合效益的大（2）型水庫。主壩為碾壓式黏土心墻壩，最大壩高36.0 m，壩頂長177.0 m。副壩為碾壓式黏土斜墻壩，位于主壩左岸天然埡口處，最大壩高31.0 m，壩頂長93.0 m。溢洪道為河岸開敞式，設在副壩左岸，設4扇10 m×6.8 m鋼質(zhì)弧形閘門。發(fā)電引水隧洞位于副壩與溢洪道之間，由引水明渠、隧洞及壓力鋼管組成。發(fā)電廠房為壩后式地面廠房，設2臺3 000 kW的水輪發(fā)電機組。

2.2 壩址處潰壩流量計算

根據(jù)已有資料對油羅口水庫大壩破壞模式識別、破壞路徑及潰壩概率的分析，確定大壩潰決形式為漸潰，最大失事可能為5000年一遇校核洪水下副壩212.0 m高程處發(fā)生管涌破壞導致潰壩[5]。按照Breach模型軟件文本輸入格式，輸入相關計算參數(shù)（表1、表2），選擇模擬時間為7 h，計算出的壩址潰口流量與時間關系過程線見圖1。

2.3 水庫下游潰壩洪水演進計算

2.3.1 有限單元數(shù)值模型的構建

本文研究范圍為油羅口水庫大壩壩址至下游贛州鈷冶煉廠處，全長約12.7 km。研究范圍內(nèi)所有支流等內(nèi)邊界條件資料欠缺，且潰壩情況下影響不大，因此不予考慮，僅考慮

地勢較高的山包。采用ArcGIS軟件平臺[6-8]，根據(jù)江西省測繪局測量的1∶1萬地形圖，提取相關邊界和空間信息數(shù)據(jù)生成計算域，應用River2D二維計算軟件[9-11]，采用三角形單元劃分網(wǎng)格生成有限單元數(shù)值模型，見圖2。

2.3.2 計算參數(shù)

入口邊界條件：以圖1潰口流量過程線來表示。

出口邊界條件：以出口斷面水位流量關系來表示。

河道糙率系數(shù)：考慮淹沒區(qū)域無實測糙率資料，參照有關工程經(jīng)驗，河道糙率取為0.034，陸地糙率取為0.04，城市建筑群糙率取為0.3。

2.3.3 潰壩洪水淹沒影響分析

計算模擬時間步長取為10 s，水庫大壩壩址至下游贛州鈷冶煉廠處洪水淹沒水深風險圖，見圖3。

根據(jù)潰壩洪水淹沒水深圖，5000年一遇校核洪水副壩管涌導致潰壩情況下，潰壩洪水影響涉及2個行政村（鎮(zhèn)）、15個自然村（區(qū)），總受災人口達70 462人。

2.3.4 潰壩生命損失及社會風險值估算

根據(jù)研究范圍內(nèi)潰壩下泄洪水的淹沒區(qū)域，考慮潰壩發(fā)生在白天和夜晚兩種不同情況（假定白天從上午7時到下午5時，夜晚從下午5時到早上7時），采用影響因子法[12]（白天取0.7，夜晚取0.85），計算出淹沒區(qū)域的風險人口數(shù)，然后依據(jù)潰壩洪水嚴重性與DV值之間的關系[13]，對淹沒區(qū)域內(nèi)的潰壩洪水嚴重性進行定性劃分，并假定油羅口水庫大壩管理單位對所有淹沒區(qū)域的警報時間都是一樣的基礎上，采用李雷-周克發(fā)[14]建議的我國風險人口死亡率建議表，按照Graham法[15-16]，計算出在不同的警報時間WT情況下，淹沒區(qū)白天和晚上的生命損失值（LOL）及生命社會風險值（fN），見表3。

對于大型水庫來說，如果潰壩人數(shù)超過100人，則小于1.0×10-6/（a·人）的生命社會風險是可接受的，超過1.0×10-5/（a·人）的生命社會風險是不可容忍的[12]。從表3可知，當警報時間小于或等于5 h，研究范圍內(nèi)由潰壩造成的生

命社會風險是不可容忍的。因此，當油羅口水庫遭遇5000年一遇校核洪水位發(fā)生副壩潰壩時，即使是發(fā)生在白天，水庫運行管理單位對研究范圍內(nèi)發(fā)出的警報時間須保證大于5 h以上，否則其所造成的生命社會風險是不可容忍的。

3 結語

本文應用二維有限單元數(shù)值模型的方法，模擬了油羅口水庫潰壩下游洪水演進過程，繪制了研究區(qū)間淹沒水深分布圖，分析了潰壩后造成的生命社會風險。該研究結果可在油羅口水庫大壩運行管理單位制定大壩安全管理應急預案時，為其確定潰壩洪水淹沒范圍及程度的劃定、人員轉移（避險）路線及區(qū)域的設置等方面提供參考，從而有利于提高預案的可操作性，增強運行管理單位抵御潰壩洪水災害的能力。

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