罗田水库大坝溃坝风险分析

陈丽贵

(深圳市广汇源环境水务有限公司，广东 深圳 518000)

1 概 述

水库工程建设有助于缓解水资源短缺问题，也有助于改善水资源时空分布差异大的问题。水库修建具有良好的社会、经济、生态效益[1-2]。水库工程建设拦挡水源，在超标准洪水、地震等事件影响下，水库若发生漫顶或管涌溃坝，其蓄滞的大量库水将瞬间倾泻而下，造成下游比较严重的洪水灾害[3-4]。因此，对水库大坝溃坝后的风险进行分析是十分必要的。目前，针对水库溃坝风险分析中，常用的方法是数值模拟、理论计算方法等[5-8]。本文以罗田水库为研究对象，对水库溃坝风险进行研究。

2 工程概况

罗田水库位于深圳市宝安区燕罗街道境内，坝址位于珠江三角洲水系的茅洲河右岸支流罗田水上。水库北侧为东莞大朗镇，东西向有G9411潮莞高速，西侧有S31龙大高速。坝址以上集雨面积F=20 km2，多年平均径流量1.67×108m3。库区多年平均降雨量1 684 mm，主流河长L=9.51 km，平均河床比降J=0.005 4。随着珠江三角洲水资源配置工程的开工建设，罗田水库作为迎接西江来水的第一站，在供水、防洪等工程中将进一步发挥重要的作用。随着使用年限增加，对水库安全进行复核是非常必要的。见图1。

图1 罗田水库地理位置图

3 大坝溃决方式选择

在进行大坝溃坝风险分析时，需要首先确定大坝的溃决方式，从而获取更为可靠的计算结果。目前，大坝的溃决模式可分为全溃和部分溃决，从时间上可分为瞬时溃决和逐渐溃决。影响大坝溃决的因素包括坝体类型、基础形式和造成溃坝的原因等。

大坝瞬时溃决一般多发于重力坝、拱坝等，溃决时间短，几乎在瞬间完成，从安全方面考虑，瞬时溃决一般按照全部溃决考虑。逐渐溃决一般多发于土坝，由于渗流、管涌等因素导致大坝溃决，大坝溃决时间久。罗田水库大坝是典型的均质土坝，因此考虑采用逐渐溃决模式对大坝溃坝影响进行研究。

在进行水库逐渐溃决计算时，其溃坝的溃口慢慢发展扩大直至稳定，稳定下来的溃口宽度b目前有多种模型进行分析。溃口宽度b按照下式计算：

(1)

式中：k为系数，取1.3；W为蓄水量，104m3；B为坝顶长度，m；H0为坝前水深，m。

本次计算假设水库在遭遇校核洪水下，水库发生逐渐溃决。罗田水库在发生溃坝时的溃口宽度见表1。

表1 罗田水库溃坝时溃口宽度参数表

4 溃口流量过程研究

溃坝模式按照坝的类型、材质、坝基以及溃坝原因等，可分为瞬时溃和逐渐溃两种溃决模式，其溃口流量过程也各不相同。由于罗田水库溃坝模式为逐渐溃决，根据实际情况，选用“谢任之统一公式”进行计算，计算指标主要有坝址处的最大流量、最大水深、最大流速和溃坝流量过程线。

4.1 坝址处最大流量、水深和流速

溃口稳定后，逐渐溃决和瞬时溃决均可按照宽顶堰溢流公式，其溃口处的最大流量Qmax、最大水深hd和最大流速vd根据下式进行计算：

(2)

(3)

(4)

式中：Qmax为溃坝最大流量，m3/s；hd为溃坝溃口水深，m；vd为溃口流速，m/s；g为重力加速度，9.8 m/s2。

经计算，罗田水库在逐渐溃决下的溃口处最大流量、水深和流速见表2。

表2 罗田水库溃坝时最大流量、水深和流速

4.2 坝址处溃坝流量过程线

溃坝发生时，在峰顶流量出现以前，为波流量控制，即堰的过水能力超过波的流量，其峰前流量过程线计算公式如下：

(5)

(6)

ρ=KH

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：Qmax为溃坝最大流量，m3/s；W总为总库容，m3；E为坝横断面积，m2；bm为口门宽度，m；λ为流量参数，λ=σn2mn4(1-f)n6λe，σ、m、f分别为沉溺系数、断面形状参数、堰高比，n2、n4、n6分别为指数；e为堰宽比；ρ为平均体积含砂量百分数；n为库容指数，取n=2.3；τ为时间，s。

放空时间按下式计算，近似n=2.5时：

(11)

式中：D2(ξ1)查表为2.495。

(12)

(13)

经过计算，溃口处流量过程线见图2。

图2 罗田水库逐渐溃决溃口处流量过程线

5 溃坝洪水演进分析

5.1 水库溃坝下游最大流量

水库溃坝洪水沿程演进估算可采用下式估算：

(14)

式中：QL为距坝址L(m)断面最大流量，m3/s；W为总库容，m3；Qmax为坝址最大流量，m3/s；Vmax为特大洪水流速；K为经验系数(山区统一取1.3，丘陵区取1.0，平原区取0.85)。

水库溃坝时，水沿着溃口泄出，向下游演进。因此，下游断面的最大水深分布情况大致与断面处的最大流量类似，其示意图见图3，计算成果见表3。

图3 水库逐渐溃决下游最大流量(水深)分布示意图

表3 水库溃坝洪水演进计算成果表

5.2 溃坝洪水传播时间

根据黄河水利委员会水利科学研究所试验求得的溃坝洪水传播时间及概化流量过程线，见图4。

图4 水库溃坝洪水传播时间及流量过程线

洪水起涨时间计算公式为：

(15)

式中：H0为溃坝前上游水深，m；h0为溃坝洪水到达前下游计算断面水深(Q0时水深)，在此近似取值0，m；K1取值0.7×10-3。

最大流量到达时间：

式中：hm为最大流量时的平均水深，m；K2取值1.0。

求得t1、t2后，将流量过程概化为三角形，用下式求得t3：

(17)

经计算，下游不同距离下的最大流量和溃坝洪水的涨落时间见表4。

表4 罗田水库溃坝洪水下游演进表

根据水库现有防洪标准及地理情况分析，一旦水库大坝失事，将危及水库下游1个街道、接近14万人、南光高速公路、107国道、广深高速公路、龙大高速公路等重要交通设施，直接经济损失超1 000亿元。同时，将对下游自然环境、植被及生态环境等造成严重破坏，间接经济损失无法估量。见图5。

图5 罗田水库溃坝洪水演进示意图

6 结 论

水库溃坝风险后果包括生命损失、经济损失和社会环境3个方面的影响。罗田水库发生溃坝时，其溃坝影响区域最大长度为4.51 km，最大宽度为2.61 km，最大水深11.01 m，影响区域为龙大高速、燕川北部工业园、朝阳路、兴达路等区域内的房屋人口等，后果严重。另因实际的水、雨、工情可能与本报告设定的情况有所差异，导致计算结果与实际情况不同。在实时管理的过程中，建议开展罗田水库洪水实时预报预警系统，实现罗田水流域洪水实时、动态分析。