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        典型城市地區(qū)小型水庫潰壩洪水計算方法研究

        2021-10-19 08:22:44盧秉彥付文博徐乙瑋黃慶豪
        水力發(fā)電 2021年7期

        楊 盼,盧 路,盧秉彥,付文博,程 龍,徐乙瑋,黃慶豪,門 亮

        (1.長江水資源科學(xué)研究保護所,湖北 武漢 430051;2.深圳市深水水務(wù)咨詢有限公司,廣東 深圳 518012)

        截止到2018年,我國已建98 822座水庫,總庫容達8 953億m3,其中小型水庫共94 132座,占比95.25%,小(2)型水庫約8萬座[1-3]。小型水庫多為滿足農(nóng)業(yè)灌溉用水建于20世紀(jì)50~70年代,限于當(dāng)時的技術(shù)水平不足和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低,以及建成后長期缺乏規(guī)范管理養(yǎng)護,全國范圍內(nèi)水庫初次安全鑒定結(jié)果表明約有4萬座水庫處于病險狀態(tài)[4- 6]。一旦遭遇極端暴雨天氣,可能存在潰壩風(fēng)險。1954年~2006年間,我國共有3 498座水庫潰壩,其中96.4%為小型水庫,85%以上為均質(zhì)土壩,漫頂和管涌是主要潰壩形式[7- 8]。1959年~1961年間和1973年左右為2個潰壩高峰期,分別潰壩507座和554座。其中,1975年8月河南省大洪水曾導(dǎo)致板橋和石漫灘2座大型水庫、田崗和竹溝2座中型水庫以及石龍山等58座小型水庫潰壩[9-11]??梢姡覈缙诮ㄔO(shè)的小型水庫遭遇歷史大洪水潰壩風(fēng)險極高。且我國179座城市和285座縣城建有水庫,城市地區(qū)人口密度大,一旦發(fā)生潰壩,將對人民生命財產(chǎn)安全造成重大威脅。

        廣東省為我國南部沿海區(qū)域,夏季降水充沛,降雨強大,已建水庫8 394座,數(shù)量居全國第三;大中小型水庫分別占比0.44%、4.09%和95.47%,與全國各規(guī)模水庫比例基本一致[1,3];歷史潰壩近200座,潰壩數(shù)量居全國第五[7]。深圳市頭陂水庫建于1970年,為村民自建的灌溉農(nóng)田的小型水利工程,壩型為均質(zhì)土壩,2018年安全鑒定結(jié)果為三類壩,下游區(qū)域為人口密集的田心和田頭社區(qū)。從建成時間、水庫規(guī)模、壩型、地理位置和運用狀態(tài)而言,可代表我國城市地區(qū)小型水庫的普遍狀態(tài)。因此,以頭陂水庫為例,系統(tǒng)全面地計算入庫洪水、潰口參數(shù)、潰口流量和洪水演進過程,根據(jù)計算的淹沒范圍制定轉(zhuǎn)移方案。可為城市地區(qū)小型水庫潰壩計算提供參考。

        1 工程概況

        頭陂水庫位于深圳市坪山區(qū)的坪山河支流田頭河上游,集雨面積2.20 km2,干流河長2.21 km,河流比降0.158。正常蓄水位58.00 m,死水位51.35,總庫容18.95萬m3,調(diào)節(jié)庫容10.35萬m3,死庫容0.65 m3,屬于五等小(2)型工程,防洪標(biāo)準(zhǔn)按30年一遇設(shè)計,300年一遇校核。工程建于1970年,是田心村村民自建的灌溉農(nóng)田的小型水利工程,現(xiàn)轉(zhuǎn)為防洪為主。水庫主要建筑物包括均質(zhì)土壩、開敞式寬頂堰溢洪道、輸水涵等。水庫大壩主要參數(shù)見表1,平面布置見圖1。

        表1 頭陂水庫大壩主要參數(shù)

        圖1 頭陂水庫平面布置

        2 計算方法

        2.1 入庫洪水

        由于我國小型水庫普遍缺乏實測洪水流量資料,故入庫洪水計算采用暴雨資料推算設(shè)計洪水。采用暴雨資料推求設(shè)計洪水流量時,設(shè)計暴雨參數(shù)采用《廣東省暴雨參數(shù)等值線圖》(2003年版)的查算值。選取最不利工況,運用《廣東省暴雨徑流查算圖表使用手冊》中綜合單位線法計算校核洪水過程線(P=0.3%),作為引發(fā)潰壩的入庫洪水。

        2.2 潰口參數(shù)

        相關(guān)研究表明[12-15],土石壩潰決類型主要為逐漸局部潰決,潰口通常假定為梯形。最終潰口由以下參數(shù)確定:潰口深度hd,本次取壩高H的0.68;潰口平均寬度bm;潰口邊坡s;潰口發(fā)展歷時tn。采用經(jīng)驗公式[10,11]估算。

        (1)潰口平均寬度bm,用《水力計算手冊》[16]中黃河水利委員會水利科學(xué)研究院經(jīng)驗公式計算。

        bm=kV1/4B1/4H1/2

        (1)

        式中,k為體材料系數(shù),粘土類k=0.65,壤土類k=1.3;V為潰壩時蓄水量,萬m3;B為壩頂長度,m;H為壩前水深,m。

        (2)潰口邊坡s。

        (2)

        (3)潰口發(fā)展歷時tn。

        (3)

        2.3 潰壩下泄流量

        潰口流量采用改進的DAMBRK模型計算。傳統(tǒng)的DAMBRK模型計算思路為:假定潰口最終形狀,從壩中間一點線性發(fā)展,不考慮壩體材料與水流相互作用過程,僅計算水庫潰口流量出入變化[8, 17-19]。DAMBRK中通常建議非線性指數(shù)取值為1≤n≤4,但已有研究表明[20],非線性參數(shù)取4時,潰壩最大流量計算值低于實測值,取6時,計算結(jié)果與實際最為接近,故本次計算取6。其中,潰口底高程ht和底寬bt發(fā)展過程計算公式如下

        (4)

        (5)

        式中,htop為潰口頂高程,m;hbot為潰口底高程,m;t為開始潰決后時間,s;tn為潰口發(fā)展歷時,s;n為非線性程度參數(shù),本次取6;bm為最終潰口平均寬度,m。

        潰口假定為梯形,下泄流量分為三角形部分Qta和矩形部分Qrt;由于頭陂水庫溢洪道位于壩體正中,為開敞式寬頂堰,潰口發(fā)展早期,下泄流量由溢洪道泄流量Q溢、輸水涵泄流量Q涵組成。輸水涵泄流量按孔口出流公式計算,其他下泄流量按堰流公式計算

        Qta=cvks3.1bt(h-ht)1.5

        (6)

        Qrt=cvks2.45st(h-ht)2.5

        (7)

        Q溢=mεB溢(h-h堰)1.5

        (8)

        (9)

        式中,h為水位,m;bt為對應(yīng)時刻潰口寬度,m;ht為對應(yīng)時刻潰口底高程,m;st為潰口邊坡;m為堰流系數(shù);ε為側(cè)收縮系數(shù);B溢為溢洪道寬度,m;h堰為溢洪道堰頂高程,m;μ為孔口流量系數(shù);A為孔口斷面面積,m2;h涵為輸水涵中心高程,m;cv為水庫入流收縮損失修正系數(shù);ks為下游河流淹沒修正系數(shù),可通過下式計算得到

        (10)

        (11)

        式中,Qt-1為上一迭代中決口的過流量,m2/s;hds為下游河道水位,m;Bd為未破壞的壩頂長度,m。

        2.4 二維洪水演進

        潰壩洪水演進采用二維模型MIKE21計算,以潰壩流量過程線為上邊界,下邊界設(shè)置為自由出流?;痉匠滩捎闷矫娑S淺水方程組[21-23]。其中,水流連續(xù)方程為

        (12)

        x方向、y方向水動力控制方程分別為

        (13)

        (14)

        式中,t為時間,s;x、y為空間直角坐標(biāo);h為水深,m;z為自由水面水位,m,z=h+zb;zb為河床底高程;u、v為x、y方向垂向平均流速,m/s;f為科氏力系數(shù),f=2ωsinφ;ω為地球自轉(zhuǎn)角速度;φ為計算水域的地理緯度;g為重力加速度;τbx、τby分別為x、y方向的河床摩擦阻力;τsx、τsy分別為風(fēng)對自由水面x、y方向 的剪切力;ρ為水密度;Ex、Ey分別為x、y上的水流紊動(渦)粘性系數(shù);S為源匯單位面積流量。

        3 結(jié)果分析

        3.1 計算情景設(shè)定

        頭陂水庫2018年安全鑒定結(jié)果表明,大壩為三類壩,主要安全隱患為溢洪道邊墻高度(H邊墻=60.03 m)不足,遭遇設(shè)計和校核洪水(H設(shè)計=60.20 m,H校核=60.76 m)時會漫出。因此,考慮最不利工況,本次潰壩過程設(shè)定為水庫遭遇校核洪水,洪水漫出溢洪道邊墻沖刷下游壩坡,導(dǎo)致潰壩。入庫洪水取校核洪水過程線區(qū)間最大6 h(見圖2),初始計算水位為正常蓄水位58.00 m,溢洪道正常運行,輸水涵完全開啟。起潰條件為壩前水位大于溢洪道邊墻高程60.03 m,持續(xù)5 min后開始潰決。

        圖2 校核洪水(P=0.3%)過程線

        3.2 潰壩下泄流量分析

        潰口發(fā)展示意如圖3所示,最終潰口參數(shù)按經(jīng)驗公式估算,結(jié)果如下:平均寬度為13.86 m,坡比為1.4,底高程為53.73 m,發(fā)展歷時為0.5 h。潰口非線性發(fā)展趨勢下,潰壩總下泄流量過程線如圖4所示。從圖3、圖4可以看出,計算開始1.6h后洪水漫出溢洪道邊墻沖刷下游壩坡,持續(xù)5 min后開始潰決,潰口擴展0.5 h達到最大,此時潰口底寬3.96 m,頂寬23.76 m,邊坡坡比始終為1.4。同時達到最大下泄流量313.74 m3/s。

        圖3 梯形潰口發(fā)展過程示意(單位: m)

        圖4 潰壩下泄流量過程線

        3.3 洪水演進結(jié)果分析

        二維模型構(gòu)建以深圳市1∶1000地形圖提取的43 556 個高程點插值為地形,以潰壩下泄流量為上邊界;下游洪水淹沒區(qū)域地形復(fù)雜,由于缺實測資料,曼寧系數(shù)全域取20 m1/3/s;采用水量平衡率定驗證,結(jié)果見表2。從表2可以看出,最大相對誤差僅為3.30%,誤差較小,可用于潰壩洪水淹沒模擬計算。

        表2 水量平衡驗證結(jié)果

        潰壩洪水淹沒范圍模擬計算結(jié)果見圖5。從圖5可以看出,潰壩洪水主要沿2個方向演進:一個方向是沿地形較低的金田路北側(cè)演進,淹沒沿途田心社區(qū)部分民居;另一方向沿田頭河方向演進,最終匯入坪山河,沿途淹沒田頭河兩岸的新屋地村、新聯(lián)村、樹山背、羅古村、新區(qū)、馬鞍嶺等村莊。在6 h后達最大淹沒面積87.51萬m2,淹沒范圍內(nèi)影響人口約3 670人。調(diào)查淹沒區(qū)域周邊的避難場所,制定人員轉(zhuǎn)移方案。水庫下游石井街道有6個室內(nèi)避難場所,共能容納1 790人,且田心社區(qū)工作站在淹沒范圍內(nèi),故實際能容納人數(shù)為1 590人,剩余2 080人沿金田路、比亞迪路、坪蘭路轉(zhuǎn)移至大型避難場所坪山體育館。具體路線見圖6。

        圖5 潰壩洪水淹沒范圍

        圖6 淹沒區(qū)域人員轉(zhuǎn)移路線

        4 結(jié)論與展望

        以我國壩型最為普遍的土石壩小型水庫為研究對象,選取深圳市頭陂水庫,采用多種方法系統(tǒng)性計算分析了缺資料地區(qū)小型水庫潰壩時的入庫洪水、潰口發(fā)展過程、潰壩總下泄流量、洪水淹沒范圍及下游人員轉(zhuǎn)移方案,計算方法和結(jié)果可為我國缺資料地區(qū)小型水庫潰壩洪水計算提供思路和參考。

        本文考慮了潰壩時入庫洪水和水庫自身泄水設(shè)施對于泄流流量的影響,但未考慮潰壩水流對壩體材料的沖刷過程。目前,關(guān)于潰口初始發(fā)生位置和條件,不同筑壩材料與不同流量水位下水流的相互作用機理仍不明確,缺乏描述這一過程的普適性計算方法,該方面有待進一步研究。

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