陳麗貴

(深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司，廣東 深圳 518000)

1 概 述

水庫(kù)工程建設(shè)有助于緩解水資源短缺問(wèn)題，也有助于改善水資源時(shí)空分布差異大的問(wèn)題。水庫(kù)修建具有良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益[1-2]。水庫(kù)工程建設(shè)攔擋水源，在超標(biāo)準(zhǔn)洪水、地震等事件影響下，水庫(kù)若發(fā)生漫頂或管涌潰壩，其蓄滯的大量庫(kù)水將瞬間傾瀉而下，造成下游比較嚴(yán)重的洪水災(zāi)害[3-4]。因此，對(duì)水庫(kù)大壩潰壩后的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析是十分必要的。目前，針對(duì)水庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)分析中，常用的方法是數(shù)值模擬、理論計(jì)算方法等[5-8]。本文以羅田水庫(kù)為研究對(duì)象，對(duì)水庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究。

2 工程概況

羅田水庫(kù)位于深圳市寶安區(qū)燕羅街道境內(nèi)，壩址位于珠江三角洲水系的茅洲河右岸支流羅田水上。水庫(kù)北側(cè)為東莞大朗鎮(zhèn)，東西向有G9411潮莞高速，西側(cè)有S31龍大高速。壩址以上集雨面積F=20 km2，多年平均徑流量1.67×108m3。庫(kù)區(qū)多年平均降雨量1 684 mm，主流河長(zhǎng)L=9.51 km，平均河床比降J=0.005 4。隨著珠江三角洲水資源配置工程的開(kāi)工建設(shè)，羅田水庫(kù)作為迎接西江來(lái)水的第一站，在供水、防洪等工程中將進(jìn)一步發(fā)揮重要的作用。隨著使用年限增加，對(duì)水庫(kù)安全進(jìn)行復(fù)核是非常必要的。見(jiàn)圖1。

圖1 羅田水庫(kù)地理位置圖

3 大壩潰決方式選擇

在進(jìn)行大壩潰壩風(fēng)險(xiǎn)分析時(shí)，需要首先確定大壩的潰決方式，從而獲取更為可靠的計(jì)算結(jié)果。目前，大壩的潰決模式可分為全潰和部分潰決，從時(shí)間上可分為瞬時(shí)潰決和逐漸潰決。影響大壩潰決的因素包括壩體類(lèi)型、基礎(chǔ)形式和造成潰壩的原因等。

大壩瞬時(shí)潰決一般多發(fā)于重力壩、拱壩等，潰決時(shí)間短，幾乎在瞬間完成，從安全方面考慮，瞬時(shí)潰決一般按照全部潰決考慮。逐漸潰決一般多發(fā)于土壩，由于滲流、管涌等因素導(dǎo)致大壩潰決，大壩潰決時(shí)間久。羅田水庫(kù)大壩是典型的均質(zhì)土壩，因此考慮采用逐漸潰決模式對(duì)大壩潰壩影響進(jìn)行研究。

在進(jìn)行水庫(kù)逐漸潰決計(jì)算時(shí)，其潰壩的潰口慢慢發(fā)展擴(kuò)大直至穩(wěn)定，穩(wěn)定下來(lái)的潰口寬度b目前有多種模型進(jìn)行分析。潰口寬度b按照下式計(jì)算：

(1)

式中：k為系數(shù)，取1.3；W為蓄水量，104m3；B為壩頂長(zhǎng)度，m；H0為壩前水深，m。

本次計(jì)算假設(shè)水庫(kù)在遭遇校核洪水下，水庫(kù)發(fā)生逐漸潰決。羅田水庫(kù)在發(fā)生潰壩時(shí)的潰口寬度見(jiàn)表1。

表1 羅田水庫(kù)潰壩時(shí)潰口寬度參數(shù)表

4 潰口流量過(guò)程研究

潰壩模式按照壩的類(lèi)型、材質(zhì)、壩基以及潰壩原因等，可分為瞬時(shí)潰和逐漸潰兩種潰決模式，其潰口流量過(guò)程也各不相同。由于羅田水庫(kù)潰壩模式為逐漸潰決，根據(jù)實(shí)際情況，選用“謝任之統(tǒng)一公式”進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算指標(biāo)主要有壩址處的最大流量、最大水深、最大流速和潰壩流量過(guò)程線(xiàn)。

4.1 壩址處最大流量、水深和流速

潰口穩(wěn)定后，逐漸潰決和瞬時(shí)潰決均可按照寬頂堰溢流公式，其潰口處的最大流量Qmax、最大水深hd和最大流速vd根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

(2)

(3)

(4)

式中：Qmax為潰壩最大流量，m3/s；hd為潰壩潰口水深，m；vd為潰口流速，m/s；g為重力加速度，9.8 m/s2。

經(jīng)計(jì)算，羅田水庫(kù)在逐漸潰決下的潰口處最大流量、水深和流速見(jiàn)表2。

表2 羅田水庫(kù)潰壩時(shí)最大流量、水深和流速

4.2 壩址處潰壩流量過(guò)程線(xiàn)

潰壩發(fā)生時(shí)，在峰頂流量出現(xiàn)以前，為波流量控制，即堰的過(guò)水能力超過(guò)波的流量，其峰前流量過(guò)程線(xiàn)計(jì)算公式如下：

(5)

(6)

ρ=KH

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：Qmax為潰壩最大流量，m3/s；W總為總庫(kù)容，m3；E為壩橫斷面積，m2；bm為口門(mén)寬度，m；λ為流量參數(shù)，λ=σn2mn4(1-f)n6λe，σ、m、f分別為沉溺系數(shù)、斷面形狀參數(shù)、堰高比，n2、n4、n6分別為指數(shù)；e為堰寬比；ρ為平均體積含砂量百分?jǐn)?shù)；n為庫(kù)容指數(shù)，取n=2.3；τ為時(shí)間，s。

放空時(shí)間按下式計(jì)算，近似n=2.5時(shí)：

(11)

式中：D2(ξ1)查表為2.495。

(12)

(13)

經(jīng)過(guò)計(jì)算，潰口處流量過(guò)程線(xiàn)見(jiàn)圖2。

圖2 羅田水庫(kù)逐漸潰決潰口處流量過(guò)程線(xiàn)

5 潰壩洪水演進(jìn)分析

5.1 水庫(kù)潰壩下游最大流量

水庫(kù)潰壩洪水沿程演進(jìn)估算可采用下式估算：

(14)

式中：QL為距壩址L(m)斷面最大流量，m3/s；W為總庫(kù)容，m3；Qmax為壩址最大流量，m3/s；Vmax為特大洪水流速；K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)(山區(qū)統(tǒng)一取1.3，丘陵區(qū)取1.0，平原區(qū)取0.85)。

水庫(kù)潰壩時(shí)，水沿著潰口泄出，向下游演進(jìn)。因此，下游斷面的最大水深分布情況大致與斷面處的最大流量類(lèi)似，其示意圖見(jiàn)圖3，計(jì)算成果見(jiàn)表3。

圖3 水庫(kù)逐漸潰決下游最大流量(水深)分布示意圖

表3 水庫(kù)潰壩洪水演進(jìn)計(jì)算成果表

5.2 潰壩洪水傳播時(shí)間

根據(jù)黃河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究所試驗(yàn)求得的潰壩洪水傳播時(shí)間及概化流量過(guò)程線(xiàn)，見(jiàn)圖4。

圖4 水庫(kù)潰壩洪水傳播時(shí)間及流量過(guò)程線(xiàn)

洪水起漲時(shí)間計(jì)算公式為：

(15)

式中：H0為潰壩前上游水深，m；h0為潰壩洪水到達(dá)前下游計(jì)算斷面水深(Q0時(shí)水深)，在此近似取值0，m；K1取值0.7×10-3。

最大流量到達(dá)時(shí)間：

式中：hm為最大流量時(shí)的平均水深，m；K2取值1.0。

求得t1、t2后，將流量過(guò)程概化為三角形，用下式求得t3：

(17)

經(jīng)計(jì)算，下游不同距離下的最大流量和潰壩洪水的漲落時(shí)間見(jiàn)表4。

表4 羅田水庫(kù)潰壩洪水下游演進(jìn)表

根據(jù)水庫(kù)現(xiàn)有防洪標(biāo)準(zhǔn)及地理情況分析，一旦水庫(kù)大壩失事，將危及水庫(kù)下游1個(gè)街道、接近14萬(wàn)人、南光高速公路、107國(guó)道、廣深高速公路、龍大高速公路等重要交通設(shè)施，直接經(jīng)濟(jì)損失超1 000億元。同時(shí)，將對(duì)下游自然環(huán)境、植被及生態(tài)環(huán)境等造成嚴(yán)重破壞，間接經(jīng)濟(jì)損失無(wú)法估量。見(jiàn)圖5。

圖5 羅田水庫(kù)潰壩洪水演進(jìn)示意圖

6 結(jié) 論

水庫(kù)潰壩風(fēng)險(xiǎn)后果包括生命損失、經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)環(huán)境3個(gè)方面的影響。羅田水庫(kù)發(fā)生潰壩時(shí)，其潰壩影響區(qū)域最大長(zhǎng)度為4.51 km，最大寬度為2.61 km，最大水深11.01 m，影響區(qū)域?yàn)辇埓蟾咚?、燕川北部工業(yè)園、朝陽(yáng)路、興達(dá)路等區(qū)域內(nèi)的房屋人口等，后果嚴(yán)重。另因?qū)嶋H的水、雨、工情可能與本報(bào)告設(shè)定的情況有所差異，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況不同。在實(shí)時(shí)管理的過(guò)程中，建議開(kāi)展羅田水庫(kù)洪水實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)羅田水流域洪水實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)分析。