趙 丹

(撫順縣水利水電工程移民局，遼寧 撫順 113118)

在我國已建的大壩中，土石壩占據(jù)著重要的地位，其數(shù)量約93%左右，發(fā)生潰壩事故的概率較大[1]。國內(nèi)外在對不同工況下的梯級土石壩潰壩問題的研究較少，因此運用數(shù)值模擬的方法對其進(jìn)行風(fēng)險分析及機(jī)制的研究具有積極的現(xiàn)實意義。目前，國內(nèi)外在對土石壩的數(shù)值模擬研究中，所建立的潰壩模型主要包括參數(shù)模型及機(jī)理模型兩類。Vridud等通過試驗研究認(rèn)為剪應(yīng)力和侵蝕率的關(guān)系在特定的狀態(tài)下存在一定的線性關(guān)系[2]。在對土石壩的潰壩模型試驗研究中，主要涉及潰壩洪水及潰壩機(jī)理的研究。邵東琛分析了壩體的上游坡度、所用材料的微觀粒徑及壩高等因素，對不同工況下的潰壩過程進(jìn)行了研究，分析并總結(jié)了該壩體潰決的規(guī)律[3]。江德軍在利用相關(guān)水槽的試驗中對梯級土石壩的連續(xù)潰決過程進(jìn)行了研究[4]。

本文以上寺水庫為例進(jìn)行土石壩潰決模型對比研究。上寺水庫位于渾河支流蓮島河中游，壩址以上流域面積48km2，河道平均比降6‰，渾河流域北高南低，最高海拔295m。上寺水庫為小(1)型水庫，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。水庫土石壩為粘土心墻壩，高程為145m，防浪墻為1.8m，壩頂寬度為60m，溢洪道凈寬度為36m，最大泄洪量720m3/s?？紤]到該土石壩存在一定風(fēng)險，于2014年7月進(jìn)行人工開挖泄洪，泄洪槽深為12m，坡度1∶1.5，泄洪當(dāng)日12時，下泄最大流量達(dá)到647m3/s，水位自142.3m下降至118.6m，至次日8時完成泄洪過程，整個過程的參數(shù)均有數(shù)據(jù)記錄，為本文的研究提供了較好的基礎(chǔ)條件。

1 土石壩潰決模型的對比分析

在對水庫的梯級土石壩潰決模型研究中，潰壩模型主要包括機(jī)理模型和參數(shù)模型兩類。

(1)Hec-Ras模型，是針對一維恒定流、非恒定流的水力模型，主要包括河水泥沙的沉積計算、模擬恒定流動態(tài)及對水質(zhì)的測定分析等功能[3]。其中，對于大壩采用Inline Structure功能進(jìn)行描述，對壩體的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置等。

(2)Dambrk模型，是一維非恒定流動力演算的潰壩洪水模型。該模式主要包括管涌及漫頂損壞兩種，在漫頂破壞模式下，該模型最為常用。

(3)Mike21 HD模型。Mike21可以模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及環(huán)境，其中的水動力模塊(HD)可以模擬湖泊、河口和海岸地區(qū)的水位變化及由于各種力的作用而產(chǎn)生的水流變化，可以求解動態(tài)流的連續(xù)方程和動量守衡方程，本文主要采用能量方程法對潰壩模型進(jìn)行研究。

(4)堰塞壩潰決參數(shù)快速評估模型。該模型主要根據(jù)大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析建立的模型數(shù)據(jù)庫?？梢詮呐c壩體相關(guān)的一些物理參數(shù)中計算出大壩的潰決數(shù)據(jù)。表1為典型堰塞壩案例的計算結(jié)果。

(5)Breach模型。該模型是1997年開發(fā)的一種針對潰壩問題的軟件計算模型，目前已運用到很多現(xiàn)實案例中[5]。并且，對于壩體的要求簡單，在目前的梯級土石壩模型中應(yīng)用很廣。

表1 典型堰塞壩案例計算結(jié)果

(6)Db-Iwhr模型。該模型是2015年開發(fā)的一種針對潰壩問題的計算模型，包括對堤壩潰口的垂直侵蝕、堤壩潰口的流水速率、堤壩潰口的橫向擴(kuò)張等進(jìn)行了詳細(xì)的計算[6]。計算方法較簡便，計算結(jié)果準(zhǔn)確且精度較高。

2 試驗結(jié)果與分析

由相關(guān)文獻(xiàn)記載，該水庫大壩存在著潰決的風(fēng)險。本文通過利用各種影響因素進(jìn)行綜合分析，采用六種模型對遼寧上寺水庫大壩參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計及分析，在獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上得出對比分析的結(jié)果。

2.1 Hec-Ras模型輸入?yún)?shù)及計算結(jié)果

采用Hec-Ras軟件模型對上寺水庫大壩潰決過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，其中需要輸入的物性參數(shù)見表2。

表2 Hec-Ras模型所利用的計算參數(shù)

計算的結(jié)果指標(biāo)主要有堤壩潰口處水的流量及水庫中水位的變化，其變化過程見圖1所示。

圖1 水庫中水位的計算值與實測值曲線

該Hec-Ras軟件模型中沒有計算潰口的特有方程公式，因此需要預(yù)先在軟件模型建立時設(shè)置好堤壩潰口的時序變化程序。該計算結(jié)果受到影響的因素較多，對堤壩潰口的寬度、深度、水庫的流速等信息參數(shù)不能得到計算結(jié)果[7]。

2.2 Dambreak模型輸入?yún)?shù)及計算結(jié)果

模擬了上寺堰塞壩爆發(fā)過程，計算結(jié)果包括堤壩中水量的流量線、潰壩口水量的流量線，潰壩口的底部寬度變化及水庫中水流的流速變化等。水庫中水位的計算值與實測值曲線具體如圖2所示，計算模擬的潰壩口水流量與實際流量曲線如圖3所示，計算模擬的潰壩口水流速與實際流速曲線如圖4所示。

圖2 水庫中水位的計算值與實測值曲線

圖3 計算模擬的潰壩口水流量與實際流量曲線

模型類別體積V1寬度W高度H水庫容積V2β1β2β3β4β5三參數(shù)模型全參數(shù)模型21.09622.384321-0.724-1.762-1.8130.714-0.6590.661-1.896-87.210.671-2.802

圖4 計算模擬潰壩口水流速與實際流速曲線

2.3 Mike21 HD模型輸入?yún)?shù)及計算結(jié)果

利用Mike21 HD模型對上寺水庫大壩潰決過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，輸入物性參數(shù)見表3。

表3 Mike21 HD模型所用的主要輸入?yún)?shù)

計算結(jié)果主要有堤壩潰口底部高程、堤壩潰口水面的寬度、堤壩潰口的流量、水庫中水的流速及水位等。水庫中水位的計算值與實測值曲線如圖5所示，堤壩潰口底部高程的計算值與實測值曲線如圖6所示。

圖5 水庫中水位的計算值與實測值曲線

圖6 堤壩潰口底部高程的計算值與實測值曲線

結(jié)果顯示，通過利用該模型計算出來的最大洪水流量為672.5m3/s，與實際值的誤差為6.1%，洪水出現(xiàn)的時間節(jié)點和實際值比較接近。堤壩潰口的底部高程、水庫水位和實際測量值相差不大[8]。但是，堤壩潰口水面的寬度值則與實際值偏差較大，原因在于Mike21 HD模型沒有充分考慮潰口側(cè)面的石壁損壞情況，導(dǎo)致計算出的數(shù)值不能準(zhǔn)確的表示出其變化的趨勢。

2.4 潰決參數(shù)快速評估模型輸入?yún)?shù)及計算結(jié)果

利用三參數(shù)模型和全參數(shù)模型對上寺水庫大壩潰決過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，需要利用的輸入物性參數(shù)見表4。

計算結(jié)果主要有堤壩潰決時間、潰口的最終底部寬度、潰口最終的頂部寬度、潰口最終的深度及潰壩洪峰流量等，見表5。

表5 水庫大壩潰決過程計算結(jié)果

從表4中可以看出，利用全參數(shù)模型計算的數(shù)值較三參數(shù)模型更加準(zhǔn)確。其中，峰值流量的計算結(jié)果與實際數(shù)值相差不大，相對誤差小于1%。計算的堤壩潰決時間和實際數(shù)值相差2.5h。在堤壩的潰口參數(shù)計算中，潰口最終的深度值和頂部寬度值相比其他參數(shù)指標(biāo)而言沒有過大的偏差，潰口的最終底部寬度值在兩個參數(shù)模型中相差較大[9]。

2.5 Breach模型輸入?yún)?shù)及計算結(jié)果

利用Breach模型對上寺水庫大壩潰決過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析[10]。輸入物性參數(shù)見表6。

表6 Breach模型的主要輸入?yún)?shù)

計算結(jié)果主要有堤壩口底部高度及寬度變化過程、水庫水位線的控制及堤壩口水流量控制線等。水庫水位的計算值與實測值曲線見圖7，堤壩潰口底部高程的計算值與實測值曲線見圖8。

圖7 水庫中水位的計算值與實測值曲線

圖8 堤壩潰口底部高程的計算值與實測值曲線

用Breach模型對整個堤壩潰壩過程進(jìn)行了比較完整的計算和分析，不過仍存在一些計算過程復(fù)雜、不確定性因素較多的問題。結(jié)果顯示，該模型計算出的潰口流量為635.2m3/s，潰口流量和出現(xiàn)的時間與實際值有較大偏差。同時還可以看出，堤壩口底部高度、水庫水位值與實際測定情況相比有些許不同，并且呈現(xiàn)不斷降低的趨勢，而且堤壩口底部寬度的變化形式與實際情況的很大相同之處，就是在數(shù)值上有比較大的偏差。

2.6 Db-Iwhr模型輸入?yún)?shù)及計算結(jié)果

利用Db-Iwhr模型對上寺水庫大壩潰決過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，輸入物性參數(shù)見表7。

表7 Db-Iwhr模型的主要輸入?yún)?shù)

計算結(jié)果主要有堤壩口底部高度及寬度變化過程、水庫水位線的控制、水庫水流速及堤壩口處水流量的控制線等。水庫水位計算值與實測值曲線見圖9，堤壩潰口底部高程的計算值與實測值對比見圖10。

圖9 水庫中水位的計算值與實測值曲線

圖10 堤壩潰口底部高程的計算值與實測值曲線

Db-Iwhr模型與其他幾種模型的不同之處，主要在于不需要對潰壩的初始及最終尺寸參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，運用相關(guān)的理論可以對其現(xiàn)實的堤壩進(jìn)行模擬計算得出結(jié)果。結(jié)果顯示，模擬計算的潰壩洪峰水流量為752.8m3/s，和實際值相差不大。且計算的流量變化曲線和實際的情況比較相一致，僅水流量數(shù)值略顯偏大。流速變化基本與實際情況一致，最大速度6.25m/s，接近測量值6.14m/s。峰值流量過后，測得的儲層水位和河道底部高程緩慢降低，直到恒定。模擬值顯示持續(xù)下降，是因為模型未考慮壩斷裂過程后期的砂沉積。在達(dá)到突破寬度測量值的高峰后迅速下降，達(dá)到最大值后模擬破裂寬度保持不變。

3 結(jié)論

以上寺水庫的大壩潰決問題為研究對象，分別采用了Hec-Ras、Dambrk、Mike21 HD、Breach、Db-Iwhr以及潰決參數(shù)快速評估等六種模型對不同工況下的梯級土石壩連潰過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并著重比較了每個模型的計算準(zhǔn)確性。根據(jù)計算精度，最終選取Db-Iwhr模型作為土石壩潰決的計算模型。本文研究結(jié)果對梯級土石壩潰決模型選擇具有一定應(yīng)用價值。

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