詹明強(qiáng),郭玉嶸,楊彥龍,陳 波*
(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098;2.國(guó)家能源局大壩安全監(jiān)察中心,浙江 杭州 311122;3.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098)
混凝土面板堆石壩是以堆石體為主體并在上游面設(shè)置混凝土面板作為防滲結(jié)構(gòu)的一種壩型[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),中國(guó)建成及在建的面板堆石壩約300座,占世界面板堆石壩數(shù)量的一半,其中壩高超過(guò)70 m的混凝土面板堆石壩達(dá)140多座,占比40%以上[2]。例如,已建的水布埡面板堆石壩,壩高233 m;壩高156 m的紫坪鋪面板堆石壩,成功抵御了汶川8級(jí)大地震。由于壩型經(jīng)濟(jì)性良好,能適應(yīng)不良的氣候條件和地形地質(zhì)條件,混凝土面板堆石壩是當(dāng)前最有競(jìng)爭(zhēng)力的壩型之一。然而,先于水布埡工程建設(shè)的其他高面板壩也出現(xiàn)過(guò)面板脫空、面板開(kāi)裂、擠壓破壞和嚴(yán)重滲漏等問(wèn)題,造成了重大經(jīng)濟(jì)損失。如1992年開(kāi)工建設(shè)的白云面板堆石壩,由于岸坡部位壩料變形過(guò)大,導(dǎo)致周邊縫及垂直張性縫止水剪切破壞而發(fā)生面板塌陷和大量庫(kù)水滲漏,最終不得不放空水庫(kù)除險(xiǎn)加固[3];1993年,溝后面板堆石壩由于暴雨導(dǎo)致庫(kù)水位迅速上升,壩頂防浪墻與混凝土面板的水平接縫發(fā)生滲漏,導(dǎo)致大壩防浪墻倒塌而潰決[4]。經(jīng)過(guò)一系列病險(xiǎn)庫(kù)大壩加固工作,中國(guó)的年均潰壩概率已低于世界平均水平[5]。但是近年來(lái)受極端氣象事件的影響,超標(biāo)準(zhǔn)洪水發(fā)生頻率逐漸增高,且許多大壩存在設(shè)計(jì)缺陷、運(yùn)行管理不善等問(wèn)題,大壩安全保障壓力仍然巨大[6]。
中國(guó)系統(tǒng)研究潰壩數(shù)值模擬始于20世紀(jì)70年代[7]。潰壩洪水影響的河段一般較長(zhǎng),且多采用一維非恒定水流數(shù)學(xué)模型模擬,平面二維數(shù)值潰壩洪水計(jì)算成果相對(duì)較少,邊界條件也多為較理想的情況[8-10]。目前國(guó)內(nèi)外見(jiàn)諸報(bào)道的潰壩研究成果中,主要針對(duì)的壩型是混凝土壩、均質(zhì)土壩和心墻壩,鮮有面板堆石壩這類(lèi)復(fù)雜壩型的潰壩研究[11];且面板堆石壩潰壩研究?jī)?nèi)容多為大壩結(jié)構(gòu)安全模擬[11-15],仍未見(jiàn)能夠反映面板堆石壩潰決過(guò)程的洪水演進(jìn)模擬研究成果。
為有效應(yīng)對(duì)混凝土面板堆石壩潰決造成的洪水風(fēng)險(xiǎn),有必要開(kāi)展大壩潰決洪水模擬及影響分析研究。根據(jù)大壩的壩型結(jié)構(gòu)、材料、所在流域的自然條件等,分析可能誘發(fā)大壩潰決的原因以及潰決方式,計(jì)算潰口的流量過(guò)程,利用數(shù)學(xué)模型的研究手段進(jìn)行壩下游洪水演進(jìn)過(guò)程的計(jì)算,分析大壩潰決后壩下游的洪水影響,為準(zhǔn)確評(píng)估潰壩致災(zāi)后果,科學(xué)制定大壩潰決防洪應(yīng)急預(yù)案提供技術(shù)支撐。
面板堆石壩失事的主要原因分為兩大類(lèi):一是自然因素,包括地震、洪水、暴雨等;另一類(lèi)是人為因素,包括管理不當(dāng)、人為破壞等。根據(jù)中國(guó)已潰壩資料統(tǒng)計(jì),洪水漫壩是造成土石壩潰決的最主要原因,約占51%;工程質(zhì)量(包括滲漏、滑坡、裂縫等)導(dǎo)致的潰壩約占35%;管理和其他因素引起的潰壩約占12%[16]。
面板堆石壩的潰決破壞機(jī)理和一般土石壩明顯不同[14,17],王廷等[12]提出面板堆石壩整個(gè)潰壩過(guò)程可分為3個(gè)階段,即逐漸沖蝕階段,劇烈潰決階段和逐漸穩(wěn)定階段。前人基于青海溝后面板壩潰決后的調(diào)查研究和模型試驗(yàn)?zāi)M表明:面板堆石壩由于自然因素或者人為因素形成初始潰口后,下游堆石體被潰口水流所沖蝕(圖1)。面板砂礫石壩在整個(gè)潰決過(guò)程中,面板參與了擋水,潰決水流經(jīng)面板下泄。隨著時(shí)間發(fā)展,下游堆石體被沖蝕程度加劇,面板頂部的臨空部分逐漸變長(zhǎng),發(fā)展到一定程度后在動(dòng)水壓力和自重的作用下發(fā)生折斷,流量和水頭隨即增大,沖蝕加劇,隨后上述過(guò)程循環(huán)往復(fù),最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
圖1 面板堆石壩潰決破壞示意
為了簡(jiǎn)化分析,取單位寬度面板進(jìn)行分析,當(dāng)下游支撐體被沖蝕后,面板可視為在水荷載和自重共同作用下的懸臂板,懸臂板承受自重荷載產(chǎn)生的彎矩M1及水荷載產(chǎn)生的彎矩M2可通過(guò)式(1)、(2)計(jì)算[4]:
(1)
(2)
式中ρm——面板的密度,kg/m3;δ——面板的厚度,m;Ld——折斷面板的長(zhǎng)度,m;ρw——水的密度,kg/m3;H——庫(kù)水位高程,m;Zf——面板頂部高程,m。
根據(jù)面板所用的混凝土標(biāo)號(hào)、面板的橫截面積和配筋率,從文獻(xiàn)[18]中查出面板所能承受的彎矩M0、安全系數(shù)k,則面板極限彎矩Mf為:
Mf=kM0
(3)
面板折斷判別條件:
M1+M2≥Mf
(4)
潰口是大壩失事時(shí)形成的缺口,潰口的形態(tài)主要與壩型和筑壩材料有關(guān)。潰壩的類(lèi)型根據(jù)潰壩過(guò)程的時(shí)間長(zhǎng)短,可分為瞬時(shí)潰壩和逐漸潰壩;根據(jù)潰壩缺口規(guī)模大小,可分為全部潰壩和局部潰壩。對(duì)于剛性壩,如重力壩、拱壩、漿砌石壩和支墩壩等,一般是瞬時(shí)潰壩而且多出現(xiàn)局部潰壩;對(duì)于散粒體壩,如土石壩、堆石壩等,受水流沖刷,壩體受到破壞,達(dá)到潰決總有一個(gè)時(shí)間過(guò)程,可認(rèn)為是逐漸潰壩類(lèi)型[19]。
假定初始潰口為矩形,由于受到水流的連續(xù)沖蝕,潰口發(fā)生垂向下切和橫向擴(kuò)展,邊坡也由于受到水流的沖蝕而發(fā)生坍塌,潰口在沖刷過(guò)程中形狀也逐步變?yōu)樘菪巍.?dāng)垂向下切深度達(dá)到臨界深度時(shí),潰口邊坡穩(wěn)定性被破壞,發(fā)生間歇性失穩(wěn)和坍塌見(jiàn)圖2。
B0—初始潰口寬度;α—潰口邊坡與豎直方向夾角;Hc—潰口底高程;Hd—壩高。
本次潰壩流量的計(jì)算采用美國(guó)國(guó)家氣象局NWS編制的潰壩洪水預(yù)報(bào)模型Dambreak。該模型是非恒定流動(dòng)力演算模型,采用按時(shí)間步長(zhǎng)迭代的數(shù)值計(jì)算方法模擬潰口的發(fā)展過(guò)程與流量過(guò)程,可計(jì)算出每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的潰口寬度、潰口深度及潰口流量等參數(shù)[20-21]。
水庫(kù)下泄流量由兩部分組成:一是通過(guò)潰口下泄流量Qb,二是通過(guò)泄水建筑物下泄的流量Qs,即:
Q=Qb+Qs
(5)
圖3 潰口流量分區(qū)計(jì)算示意
漫壩潰口出流由堰流公式計(jì)算[22]:
Qb=C1(h-hb)1.5+C2(h-hb)2.5
(6)
式中hb——瞬時(shí)潰口高程;h——庫(kù)水位高程;C1、C2——堰流系數(shù)。
溢洪道下泄流量計(jì)算如下[22]:
Qs=CsLs(h-hs)1.5+CgAg(h-hg)0.5+
CdLd(h-hd)1.5+Qt
(7)
式中Cs——無(wú)控制的溢洪道流量系數(shù);hs——無(wú)控制的溢洪道堰頂高程;Cg——有閘門(mén)的溢洪道流量系數(shù);hg——有閘門(mén)的溢洪道中心線高程;Cd——漫壩水流的流量系數(shù);Ls——溢洪道長(zhǎng)度;Ag——閘門(mén)過(guò)流面積;Ld——壩頂長(zhǎng)度減Ls;hd——壩頂高程;Qt——與水頭無(wú)關(guān)的固定下泄流量項(xiàng)。
水庫(kù)總出庫(kù)流量過(guò)程是水庫(kù)蓄水和入庫(kù)流量共同作用的結(jié)果,Dambreak模型采用水文蓄量法來(lái)推求水庫(kù)總出庫(kù)流量[22]:
I-Q=ds/dt
(8)
式中I——入庫(kù)流量;Q——總出庫(kù)流量;ds/dt——水庫(kù)蓄量隨時(shí)間變化率。
將上述方程用有限差分法離散,并用Newton-Raphson迭代法求解,得到水位h和下泄流量Q。
潰壩洪水基本方程組可用圣維南方程組描述[23-24],其連續(xù)性方程為:
(9)
運(yùn)動(dòng)方程為:
(10)
式中x——流程,m;Q——流量,m3/s;Z——水位,m;g——重力加速度;B——河寬,m;t——時(shí)間,s;q1——側(cè)向單位長(zhǎng)度注入流量,m3/s;A——過(guò)水?dāng)嗝婷娣e,m2;R——斷面水力半徑;β——?jiǎng)幽苄拚禂?shù);n——糙率系數(shù)。
在河道交匯處通過(guò)水量平衡關(guān)系連接各河段:
(11)
模型利用Abbott六點(diǎn)隱式格式離散上述控制方程組,該離散格式在每一個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)并不同時(shí)計(jì)算水位和流量,而是按順序交替計(jì)算水位和流量,分別稱(chēng)為h點(diǎn)、Q點(diǎn)。該格式為無(wú)條件穩(wěn)定,可以在相當(dāng)大的Courant數(shù)下保持計(jì)算穩(wěn)定,可以取較長(zhǎng)的時(shí)間步長(zhǎng)以節(jié)省計(jì)算時(shí)間。
街面水庫(kù)正常蓄水位290.00 m,相應(yīng)庫(kù)容為17.08億m3,校核洪水位293.08 m,總庫(kù)容18.24億m3。該水庫(kù)以發(fā)電為主,兼有防洪作用,大壩樞紐工程由混凝土面板堆石壩、岸邊溢洪道、引水系統(tǒng)、地下廠房及開(kāi)關(guān)站等構(gòu)成,大壩壩頂長(zhǎng)500.5 m,最大壩高126 m,壩頂高程295.40 m。大壩上游側(cè)設(shè)有防浪墻,墻頂高程295.70 m。
為分析不同潰壩原因引起的潰壩洪水,本研究分別分析了街面大壩由超標(biāo)洪水引起的漫頂潰決以及由突發(fā)事件及其他原因引起的大壩潰決(水庫(kù)正常運(yùn)行期在正常蓄水位潰決)。
街面面板堆石壩校核洪水為10 000年一遇洪水,應(yīng)用調(diào)度規(guī)則,即使發(fā)生10 000年一遇校核洪水,校核洪水位低于防浪墻高程,也不會(huì)發(fā)生漫壩。為計(jì)算漫壩工況,需逐步加大入庫(kù)流量,通過(guò)多次試算使得最高庫(kù)水位剛好達(dá)到壩頂防浪墻高程295.70 m。剛好漫壩所對(duì)應(yīng)的洪峰流量為9 777 m3/s,相當(dāng)于10 000年一遇洪水加大26%。水庫(kù)正常運(yùn)行期潰決時(shí),認(rèn)為水庫(kù)上游來(lái)流為天然徑流量。
模型計(jì)算范圍從該電站庫(kù)尾至下游電站處,主要特征斷面見(jiàn)圖4,有水庫(kù)壩前(即庫(kù)尾,位于壩下斷面上游17 500 m處)、壩下、CDY、GJK、BMX、JK和下游電站壩前。圖4中的數(shù)據(jù)表示對(duì)應(yīng)斷面至壩下的里程距離。河道糙率通過(guò)實(shí)測(cè)資料率定,取0.045,模型計(jì)算的邊界條件為:①上游邊界采用水庫(kù)入庫(kù)洪水過(guò)程,該水庫(kù)至下游電站區(qū)間支流洪水作為點(diǎn)源加入模型,其他區(qū)間洪水作為均勻旁側(cè)入流加入模型;②下游邊界條件為下游電站廠址水位流量關(guān)系曲線。
圖4 計(jì)算范圍示意
該大壩為混凝土面板堆石壩,根據(jù)大壩的結(jié)構(gòu)形式、地基地質(zhì)條件、潰壩原因及大壩所在位置的重要性,考慮到各種可能的最不利情況,確定潰口尺寸及潰決時(shí)間。本文潰壩分析中,潰壩形式為逐漸潰決,潰決程度可分為局部潰決和全部潰決分別計(jì)算。潰口參數(shù)擬定如下:局部潰決,最終潰口底寬為132 m,底高程為225 m,邊坡系數(shù)為0.5;全部潰決,最終潰口底寬為156 m,底高程為190 m,邊坡系數(shù)為0.5。潰壩歷時(shí)分別選取1、3 h。
根據(jù)該大壩潰口尺寸、潰決時(shí)間以及不同潰壩原因引起的潰壩等綜合因素,綜合擬定潰壩計(jì)算工況(表1),潰口斷面見(jiàn)圖5。
表1 計(jì)算工況參數(shù)
圖5 潰口斷面
根據(jù)前面所建的潰壩模型及擬定的潰壩洪水計(jì)算工況,分別進(jìn)行潰壩洪水演進(jìn)計(jì)算。最危險(xiǎn)工況(工況2-1)的潰壩后各主要斷面水深流量變化和下游河道沿程洪峰流量、洪水位見(jiàn)圖6、7。
a)水庫(kù)壩前
e)JK
圖7 2-1工況潰壩后大壩下游河道沿程洪峰流量和洪水位
2.2.1潰決歷時(shí)長(zhǎng)短對(duì)結(jié)果的影響
由于大壩的潰決歷時(shí)無(wú)法精確計(jì)算,在所擬工況中考慮了其他因素不變,僅改變潰決歷時(shí)的工況。以萬(wàn)年一遇超標(biāo)洪水計(jì)算工況為例,工況1-1與工況1-2成果對(duì)比見(jiàn)表2。潰決歷時(shí)的變化,對(duì)大壩壩址潰壩流量峰值有較大影響,潰決歷時(shí)越短,則壩址斷面洪峰越大。如工況1-1的潰決歷時(shí)為1 h,工況1-2為3 h,對(duì)應(yīng)的流量峰值分別為117 390、95 110 m3/s,兩者相差22 280 m3/s。
表2 10 000年一遇洪水工況1-1與工況1-2計(jì)算結(jié)果比較
潰壩洪水在向下游傳播過(guò)程中,潰決歷時(shí)變化對(duì)下游各特征斷面處的最大流量的影響與其對(duì)壩址斷面洪峰流量的影響相比要小,且越靠近下游影響越小。由以上分析可知,由于突發(fā)事件(戰(zhàn)爭(zhēng)、地震等)導(dǎo)致大壩壩體被破壞,一般歷時(shí)較短,潰壩造成危害極大;發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)特大洪水導(dǎo)致大壩壩體破壞時(shí),相對(duì)突發(fā)事件潰口發(fā)展較緩慢,潰壩洪峰演進(jìn)到主要防洪對(duì)象時(shí)間較長(zhǎng),對(duì)爭(zhēng)取人員安全轉(zhuǎn)移較為有利。
2.2.2不同潰口尺寸對(duì)結(jié)果的影響
潰口的最終發(fā)展形態(tài)難以預(yù)知,在其他工程因素不變的情況下,僅考慮到局部潰決和完全潰決帶來(lái)不同程度的影響,選取工況1-1和工況2-1的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和分析(表3),這2種工況下某水庫(kù)壩址最大流量分別為117 390、306 178 m3/s,水位峰值到達(dá)下游電站壩前時(shí)間分別為潰壩后3 h 16 min、2 h 21 min。
表3 10 000年一遇洪水工況1-1與工況2-1計(jì)算結(jié)果比較
潰壩洪水在向下游傳播過(guò)程中,潰口最終形態(tài)對(duì)下游各特征斷面處的最大流量的影響與其對(duì)壩址斷面洪峰流量的影響相比要小,且越靠近下游影響越小。由以上分析可知,若發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)特大洪水導(dǎo)致大壩壩體破壞時(shí),如采用應(yīng)急措施妥當(dāng),避免大壩完全潰決,對(duì)降低下游淹沒(méi)損失,減少人員傷亡有顯著效果。
2.2.3潰壩時(shí)壩前水位對(duì)結(jié)果的影響
選取工況2-1和工況3-1的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和分析,這2種工況均為完全潰壩,潰決歷時(shí)1 h,某水庫(kù)壩址最大流量分別為306 178、282 097 m3/s。
當(dāng)潰決程度和潰決歷時(shí)相同時(shí),壩前水位對(duì)潰壩洪峰流量和最高水位均有很大影響。如工況2-1潰壩前壩前水位為295.70 m,工況3-1潰壩前壩前水位為290.00 m,壩址處最高水位分別為255.66、253.97 m。
表4 完全1 h潰壩工況2-1與工況3-1計(jì)算結(jié)果比較
2.3.1對(duì)某水庫(kù)至下游大壩河段防洪影響分析
該水庫(kù)至下游大壩壩址區(qū)間河段兩岸以高山峽谷為主,沿途存有部分村莊、城鎮(zhèn),其中比較大的村莊及城鎮(zhèn)主要有CDY、GJK、BMX、JK等。該大壩防浪墻頂高程為295.70 m,壩下斷面i23河底高程為166.50 m,大壩一旦發(fā)生潰壩,將對(duì)下游河道產(chǎn)生極大沖擊,由潰壩產(chǎn)生的洪水波水深最大可達(dá)50~90 m。該水庫(kù)若發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水引起大壩全部潰決,潰決歷時(shí)為1 h時(shí)(工況2-1),壩下(i23斷面)、CDY、GJK、BMX、JK、下游電站壩前斷面潰壩洪峰分別為306 178、278 684、267 419、252 927、188 340、145 360 m3/s,洪水位分別為255.66、232.88、207.40、192.92、190.91、186.58 m,大壩潰決后,壩下(i23斷面)、CDY、GJK、BMX、JK、下游電站壩前分別約需1 h 11 min、1 h 18 min、1 h 28 min、1 h 31 min、1 h 43 min和2 h 21 min出現(xiàn)潰壩洪峰。
2.3.2對(duì)水庫(kù)庫(kù)區(qū)水位變化影響
大壩一旦潰壩,庫(kù)區(qū)內(nèi)大量水體突然下泄,庫(kù)水位將會(huì)急劇下降。工況1-1、2-1分別為大壩局部潰決、大壩全部潰決2種工況潰壩后庫(kù)水位變化過(guò)程。由圖8可知,工況1-1為局部潰決,潰口底高程為225.00 m,由于潰口較小,水庫(kù)水體下泄較慢,庫(kù)水位需要約17 h從295.70 m下降至225.90 m;工況2-1為全部潰決,潰口底高程為190.00 m,由于潰口較大,水庫(kù)水體下泄速度很快,需要約4 h,水庫(kù)水位便從295.70 m快速降至190.73 m。
圖8 工況1-1與工況2-1潰壩后庫(kù)水位變化
2.3.3對(duì)下游大壩防洪影響分析
下游大壩為碾壓混凝土重力壩,壩頂高程145.00 m,潰壩導(dǎo)致大量水體下泄,潰壩洪水演進(jìn)至下游大壩壩址時(shí),由于該壩址位于峽谷隘口處,河道下泄能力有限,導(dǎo)致壩前水位壅高較多。若大壩由于發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水局部潰決,歷時(shí)為1、3 h時(shí),該電站壩前洪水位分別為169.13、166.38 m;若大壩由于發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水全部潰決,歷時(shí)為1、3 h時(shí),該電站壩前洪水位分別為186.58、182.30 m;若大壩由于突然事件在正常運(yùn)行期發(fā)生完全潰決,歷時(shí)1、3 h時(shí),該電站壩前洪水位為183.64、179.06 m。由此可見(jiàn),各潰壩計(jì)算工況下,上游大壩一旦潰決,洪水必將漫過(guò)下游大壩壩頂。若壩前水位達(dá)到一定高度,壩前水壓力過(guò)大,壩體自重不能滿足其抗滑穩(wěn)定要求時(shí),該大壩便有發(fā)生顛覆潰決的風(fēng)險(xiǎn)。
針對(duì)某面板堆石壩水庫(kù)庫(kù)區(qū)和下游河道的特點(diǎn),通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算與結(jié)果分析,得到以下結(jié)論。
a)面板堆石壩潰壩歷時(shí)的長(zhǎng)短對(duì)水庫(kù)潰壩洪峰流量和洪水位有較大影響,潰壩歷時(shí)越短,則潰壩洪峰越大,壩下游洪水位也會(huì)越高,但是潰壩洪水在向下游傳播過(guò)程中,潰壩歷時(shí)變化對(duì)下游重要村莊及城鎮(zhèn)所在各斷面處的最大流量影響沿程減小。
b)面板堆石壩潰壩最終潰口尺寸對(duì)下游沿程各斷面的流量峰值和最高水位均有很大的影響,潰口最終底部高程越低,潰口越大,下游重要村莊、城鎮(zhèn)所在斷面的洪水流量峰值和最高水位越大,潰壩洪水傳播速度也越快。
c)面板堆石壩潰壩發(fā)生之前大壩壩前水位對(duì)下游沿程各斷面的流量峰值和最高水位均有很大影響。潰壩時(shí)壩前水位越高,庫(kù)內(nèi)水量越大,潰壩后下游各斷面的洪峰流量也越大。
d)研究發(fā)現(xiàn),面板堆石壩潰壩評(píng)估需要考慮潰壩歷時(shí)、最終潰口尺寸及潰壩前大壩壩前水位等因素。延緩潰壩歷時(shí)、穩(wěn)定面板潰口和減小水頭是扼制面板堆石壩潰壩的關(guān)鍵。在本研究計(jì)算的各種潰壩工況中,下游河道兩岸重要鄉(xiāng)鎮(zhèn)的大部分地區(qū)被淹沒(méi)。
e)為減小潰壩洪水災(zāi)害,建議首先要做好水情預(yù)報(bào)工作,萬(wàn)一大壩出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí),應(yīng)迅速通知下游各城鎮(zhèn)組織人員撤離,保證人民生命財(cái)產(chǎn)安全;其次要做好大壩的安全監(jiān)控,定期檢查大壩是否透水滲水,如果發(fā)生滲漏或管涌現(xiàn)象,應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)。