澜沧江流域某水电站危险区域识别及溃决过程模拟

吴 迪，李 宇，李大成，梅胜尧，白 杰，张露澄，钟启明，3

(1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081；2.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；3.水利部水库大坝安全重点实验室，江苏 南京 210029)

0 引 言

在水利水电工程中如何保证坝体的稳定运行是大坝运营期内一项关键问题。近年来，全球出现极端气候概率陡增、地质运动频繁，致使水库大坝溃决风险增加，从而诱发灾害，造成严重的经济、社会后果[1]。例如：2018年新疆射月沟水电站由于超标准洪水发生溃决；2021年内蒙古自治区古永安以及新发2座水库大坝连溃，致使下游地区遭受的损失十分严重。本文研究大坝位于澜沧江干流，澜沧江流域全年均有暴雨发生，其下游较易发生洪涝灾害。据统计，1905年、1924年及1966年澜沧江洪峰流量分别达到18 800、16 300、13 900 m3/s，使得中下游的云南地区发生严重的洪涝灾害。同时，该水电站所处板块地震活动频繁，近场区内共记录到M≥4.7级破坏性地震4次，且均位于枢纽区西南侧，其中5.0 ～5.9级的3次、6.1级的1次。地震发生时，该水电站枢纽区有震感，河谷岸坡出现地表滚石。因此，确定该大坝在超标准洪水及地震作用下的溃口形式与溃决过程，对于降低生命、财产损失有着重要意义。

大坝在遭受地震作用时，坝顶中间坝段会发生较大的变形，在上游水荷载的共同作用下极易发生局部溃决。本文采用有限元方法对大坝的应力及位移场进行分析，利用HEC-RAS软件对特定溃口下的洪水演进情况进行研究。HEC-RAS软件已被多次应用于溃决洪水演进分析，Benito等利用HEC-RAS对西班牙塔古斯河流域一次公元前的大洪水进行了模拟[2]；Mohsin等利用HEC-RAS软件成功分析了巴基斯坦某堰塞湖在不同出流情况下对下游造成的影响，并提供了具体的建议及工程措施[3]；蒋先刚等采用HEC-RAS对雅鲁藏布江中游宽谷加查—米林河段的古高能洪水进行了分析[4]。有限元方法是分析大坝变形的有效手段，黄焜等在基于ANSYS的基础上对猴子岩大坝的应力应变特征进行了分析，确定了坝体在各蓄水阶段的应力分布情况[5]；周奕琦等采用非线性有限元方法对一抽水蓄能水电站的坝体应变及应力进行了模拟，研究了大坝变形与水位的关系[6]；历从实等利用有限元软件建立了前坪水库的数值模型，对坝体应力以及变形特性做出进一步探讨[7]。本文在上述研究的基础上对漫顶洪水下坝体危险区域进行识别，分析了其溃决模式及溃决路径，并对该工况下洪水演进情况进行了分析。

1 工程概况

1.1 工程简介

某水电站为澜沧江上游规划推荐开发方案中的一级。电站坝身为一混凝土重力坝，坝址以上流域面积7.49万km2，多年平均流量624 m3/s。正常蓄水位3 054 m，坝顶最大长度441.80 m。坝顶高程3 058.00 m，坝顶宽15 m，坝底高程2 858.00 m，坝底最大宽度184.10 m，最大坝高200 m，相应库容8.45亿m3；死水位3 014 m，调节库容4.74亿m3。该工程属一等大(1)型工程，主要建筑物为1级，次要建筑物为3级。大坝主体采用C9025及C9020二级配碾压混凝土防渗，上游坝面采用1.0 m厚相同标号的变态混凝土。大坝坝体内混凝土分区：在2 910 m高程以下采用C25三级配碾压混凝土，2 910 m高程以上采用C20三级配碾压混凝土。

1.2 地质概况

工程区域涉及鲜水河-滇东地震带、藏中地震带及喜马拉雅地震带，场址位于藏中地震带内。研究区内共记有M≥4.7历史强震60次，该区域内地震活动强度大，但频度不高。

该水电站水库区和坝址区地震动参数有所不同，以坝址上游达冲纳冲沟为界线，冲沟以上库区位于0.15g区，地震基本烈度为Ⅶ度；冲沟以下库区及坝址位于0.20g区，坝址地震基本烈度为Ⅷ度，水库区区域构造稳定性较好。

2 基于有限元理论的危险区域识别

2.1 有限元基本原理

大坝主体与防浪墙等混凝土材料采用线弹性模型，应力应变关系符合广义虎克定律[8]，即

(1)

式中，σ为正应力；τ为切应力；E为杨氏弹性模量；v为泊松比；ε为正应变；γ为切应变。

岸坡材料模型的单轴抗压、抗拉、弹性模量、泊松比等参数以实际地质勘测报告为准。模型中岩土本构关系采用简单的弹性本构模型，在达到破坏准则之前，单元保持线弹性的力学性质，并采用Mohr-Coulomb破坏准则[9]。

2.2 计算模型建立

该物理模型由坝体、岸坡等组成，数值模型长1 200 m，宽1 000 m，高670 m，在该尺寸下可忽略边界效应对计算结果的影响。该模型由solid65(坝体)和solid45(基岩)2种单元组成。solid45单元用于三维实体结构模型，每个节点有X，Y，Z等3个方向上的自由度，该单元具有塑性、蠕变、膨胀、大应力、大变形和大应变的特征[10]。solid65单元能跟踪预测混凝土弹性行为、开裂和压碎特性。本模型采用精度较高的四面体进行网格划分，该网格具有力学性能好、计算结果精确等特点[11-12]。由于本文主要研究对象为坝体，因此对两岸边坡进行了简化。模型单元划分效果如图1所示，总计约160万个单元。

图1 模型单元划分效果

2.3 危险区域识别

2.3.1 初始地应力

工程岩体在受到开挖、爆破、地震等各类工程扰动与自然灾害之前，已经处于一定初始应力状态下。已有研究表明，初始地应力对工程结构的受力、变形与失稳破坏起到了关键的作用。在计算前应对初始地应力进行分析，且在后续的计算中将已有地应力代入作为初始条件，由于地质体在自重作用下形变已趋于稳定，初始形变应做归零处理。

2.3.2 库水漫顶坝体变形计算

当上游水位漫顶时，坝体的应力云图如图2所示。从图2可知，坝体的最大拉应力区主要集中在坝体与建基面交汇处，最大值约为0.9 MPa，远小于混凝土材料的标准抗拉强度，坝体最大主应力整体为拉应力，在该主应力方向上坝体材料主要受拉；在小主应力方向上坝体整体均呈现受压状态，在左右岸坝肩处应力水平最低，中下部建基面处应力水平最高。由于最大、最小主应力作用方向相互垂直，且呈现一压一拉状态，此时坝体混凝土材料在外界扰动条件下易破坏。

图2 水位过顶下水电站坝体最大、最小主应力分布云图(单位：Pa)

坝体的总位移分布云图如图3所示。从图3可以明显看出，位移最大区域(29 mm)出现于坝顶中心点附近，呈水波状散射减小，由于左右岸边坡、坝基的嵌固作用，在建基面处位移最小(6 mm)。

图3 水位过顶下水电站坝体总位移云图(单位：m)

根据前述分析，坝体应力呈现一压一拉状态，为一不利荷载，当坝体承受强震及上游水流冲击作用时，坝顶中心点位移还将进一步加大直至破坏。

3 溃坝过程分析

3.1 溃决模式及路径

3.1.1 风险要素识别

在危险区域判定完毕之后，本文对该情况下的溃坝概率及后续溃坝位置及溃坝过程进行了分析，根据水电站工程布置、水文气象、地形地貌、社会经济等基本情况，结合大坝设计资料，查找分析大坝主要风险要素，包括工程风险要素、环境风险要素和人为风险要素。其中地震为工程风险要素中对坝体影响较大的一个因素，当水电站遭遇超过校核地震(100 a超越概率1%时基岩水平向峰值加速度为0.53g)的强震时，可能会导致坝顶中心薄弱部位出现破坏，严重时发生瞬时局部溃坝。

3.1.2 溃坝模式及溃决路径

对识别水电站大坝风险要素，可采用破坏模式分析确定溃坝模式和溃坝路径。破坏模式是指在大坝风险要素作用下，导致水库大坝最终破坏的路径。本文破坏模式分析采用FMECA(Failure modes，effects and criticality analysis)法[13-14]，主要分析水电站碾压混凝土重力坝和泄水建筑物的可能破坏模式、后果和危害程度，分析结果见表1。限于篇幅所限，本文仅列出危害程度较高的溃坝模式、后果以及危害程度。

表1 水电站破坏模式、后果和危害程度分析

由表1可知，水电站危害程度高的破坏模式有：①强震作用下坝体薄弱部位结构破坏；②战争或恐怖袭击作用下坝体结构破坏。这两种破坏模式的发生概率相较其他情况而言非常低，但后果极为严重，其中恐怖袭击造成的坝体损伤形态多样难以确定，而地震作用下的坝体溃决形式可按第3节中的危险区域确定。根据前述风险要素分析结果和FMECA法分析结果，可以得到水电站主要溃坝模式与溃坝路径，即强震→坝体薄弱部位结构破坏→产生溃口→坝顶高程不足→不能及时加高坝顶→漫顶→干预无效→溃坝。

3.2 溃坝区域及溃坝过程

本工况考虑水电站在正常蓄水位3 054.00 m的情况下，坝址附近发生强震导致坝体结构发生破坏。根据前节的有限元分析，当坝体承受强震及上游水流冲击作用时，坝顶中心点位移还将进一步加大直至破坏，结合本工程抗震复核计算分析成果，确定溃口范围如图4所示。一般混凝土坝为瞬时溃决，即溃口在很短时间内达到最大，故溃坝时间取0.1 h。

图4 强震作用下坝体发生瞬时部分溃决工况溃口尺寸(单位：尺寸cm；高程m)

水电站在遭遇强震后发生瞬时部分溃决，溃坝洪水流量过程和库水位变化情况见图5。从图5可知，溃坝流量在0.1 h达到峰值流量78 136 m3/s后不断下降。

图5 强震作用下坝体发生瞬时部分溃决工况溃坝洪水流量过程和库水位变化曲线

水电站在强震作用下发生瞬时部分溃决后洪水最大淹没范围如图6所示。此种溃口形式下，对洪水演进过程进行模拟，获取洪水最大淹没范围，洪水演进过程的洪峰流量、最大流速、洪峰到达时间等风险要素。溃坝洪水将于1.2 h后到达下游的RG乡，于4.2 h后到达下游水电站。上游水电站一旦发生溃坝，下游下游水电站应及时响应，溢洪洞和泄洪洞全开，全力敞泄以防止洪水漫坝。

图6 强震作用下坝体发生瞬时部分溃决工况洪水最大淹没范围

4 结 论

本文利用有限元方法计算了漫顶洪水下坝体的应力及形变情况，该区域位于坝顶中心点附近，最大值达到29 mm。当库水位较高且发生较强的近场地震时，该区域极有可能发生进一步变形甚至破坏，为一危险区域。同时，本文采用风险要素分析和FMECA法分析，得到了某水电站的主要溃坝模式与溃坝路径，为后续溃坝过程分析提供了依据。

采用HEC-RAS软件对该种工况下的洪水演进进行计算，发现溃坝瞬间洪水流量高达78 136 m3/s，之后洪水流量不断下降。淹没区水深在3 m以上，洪水对下游的乡镇及大坝均有影响，洪峰将于1.2 h后淹没RG乡并进一步演进至DD、WB等乡镇，于4.2 h后到达下游水电站。一旦发生此种情况，下游水电站应及时响应，全力敞泄防止洪水漫顶，相应淹没区乡镇居民应及时转移。