油罗口水库溃坝洪水计算与风险评估

摘要：针对5000年一遇校核洪水副坝可能发生管涌导致溃坝的情况，应用Breach数学模型和River2D二维洪水演进计算软件，计算了最初7 h溃口流量与时间关系过程线，建立了坝址至下游赣州钴冶炼厂段有限单元数值模型，模拟了副坝溃决后研究范围内的洪水演进过程，估算了生命损失值，分析了生命社会风险。结果表明，副坝发生溃坝后，洪水将影响到2个行政村（镇）、15个自然村（区），受灾人口达70 462人，溃坝警报时间小于或等于5 h，生命损失值达百人以上，生命社会风险是不可容忍的。该研究成果可作为水库制定大坝安全管理应急预案的参考依据。

关键词：溃坝洪水；洪水演进；淹没范围；风险评估；数值模拟；生命损失

中图分类号：TV122 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2014）06-0189-03

水库是防洪体系与水利基础设施的重要组成部分，在防洪、灌溉、供水、发电和改善生态与环境等方面发挥着巨大的作用，但是水库也存在着溃坝风险；而随着社会和国民经济的迅速发展，洪水灾害所造成的损失越来越大，洪水灾害风险研究已成为灾害研究中的一个重要内容。因此模拟溃坝洪水，准确预测堤坝的溃决过程及其坝下游洪水演进，对于处置溃坝突发性洪水灾害，提升应对突发安全事件能力，具有十分重大的意义。江西省油罗口水库作为章江流域的控制性工程，担负着下游大余县城、南康市10余万人口、2 533.33 hm2农田生命财产安全及京九铁路、赣韶高速、323国道等重要设施的安全重任。本文在已有溃坝洪水数学模型的基础上，对油罗口水库溃坝洪水进行模拟与分析，旨在为水行政主管部门制定大坝防洪减灾工作规划及水库大坝管理应急预案提供依据。

1 溃坝洪水数值模型

1.1 溃坝坝址处洪水模型

本文采用美国国家气象局基于预报土坝洪水过程线而开发的Breach数学模型[1-2]。该模型建立在水力学、泥沙输移、土力学、大坝几何尺寸与数学特征、水库库容特征、溢洪道特征及入库流量随时间变化的基础上，可以模拟均质坝或不同特性材料组成的坝壳和心墙坝，因管涌引起的溃坝。

发生管涌溃坝模式，溃口流量计算公式如下[3]：

式中：Qb为流量；A为管涌横断面积；g为重力加速度；H为上游库水位；HP为管涌初始平均高程；f为摩擦系数；L为管涌长度；D为管涌直径（宽度）。

式中：NR为雷洛数，其余符号含义同式（1）。

1.2 水库下游洪水演进数值模型

本文研究溃坝洪水流量对下游的影响，采用基于圣维南方程守恒形式的二维平均水深有限单元数值模型进行模拟[4]。控制方程如下：

式中：H为水深；qx、qy分别为x、y方向与流速相关的流量强度；U、V分别为x、y方向平均流速；g为重力加速度；ρ为水的密度；Sox、Soy分别为x、y方向河床坡度；Sfx、Sfy分别为x、y方向阻力坡度；τxx、τxy、τyx、τyy为水平方向紊动应力张量。

2 油罗口水库大坝溃坝洪水对下游的淹没计算2.1 工程概况

油罗口水库大坝位于江西省赣州市大余县城以西章江上游10 km处，1971年建成，是一座以防洪为主，兼供水、发电、灌溉等综合效益的大（2）型水库。主坝为碾压式黏土心墙坝，最大坝高36.0 m，坝顶长177.0 m。副坝为碾压式黏土斜墙坝，位于主坝左岸天然垭口处，最大坝高31.0 m，坝顶长93.0 m。溢洪道为河岸开敞式，设在副坝左岸，设4扇10 m×6.8 m钢质弧形闸门。发电引水隧洞位于副坝与溢洪道之间，由引水明渠、隧洞及压力钢管组成。发电厂房为坝后式地面厂房，设2台3 000 kW的水轮发电机组。

2.2 坝址处溃坝流量计算

根据已有资料对油罗口水库大坝破坏模式识别、破坏路径及溃坝概率的分析，确定大坝溃决形式为渐溃，最大失事可能为5000年一遇校核洪水下副坝212.0 m高程处发生管涌破坏导致溃坝[5]。按照Breach模型软件文本输入格式，输入相关计算参数（表1、表2），选择模拟时间为7 h，计算出的坝址溃口流量与时间关系过程线见图1。

2.3 水库下游溃坝洪水演进计算

2.3.1 有限单元数值模型的构建

本文研究范围为油罗口水库大坝坝址至下游赣州钴冶炼厂处，全长约12.7 km。研究范围内所有支流等内边界条件资料欠缺，且溃坝情况下影响不大，因此不予考虑，仅考虑

地势较高的山包。采用ArcGIS软件平台[6-8]，根据江西省测绘局测量的1∶1万地形图，提取相关边界和空间信息数据生成计算域，应用River2D二维计算软件[9-11]，采用三角形单元划分网格生成有限单元数值模型，见图2。

2.3.2 计算参数

入口边界条件：以图1溃口流量过程线来表示。

出口边界条件：以出口断面水位流量关系来表示。

河道糙率系数：考虑淹没区域无实测糙率资料，参照有关工程经验，河道糙率取为0.034，陆地糙率取为0.04，城市建筑群糙率取为0.3。

2.3.3 溃坝洪水淹没影响分析

计算模拟时间步长取为10 s，水库大坝坝址至下游赣州钴冶炼厂处洪水淹没水深风险图，见图3。

根据溃坝洪水淹没水深图，5000年一遇校核洪水副坝管涌导致溃坝情况下，溃坝洪水影响涉及2个行政村（镇）、15个自然村（区），总受灾人口达70 462人。

2.3.4 溃坝生命损失及社会风险值估算

根据研究范围内溃坝下泄洪水的淹没区域，考虑溃坝发生在白天和夜晚两种不同情况（假定白天从上午7时到下午5时，夜晚从下午5时到早上7时），采用影响因子法[12]（白天取0.7，夜晚取0.85），计算出淹没区域的风险人口数，然后依据溃坝洪水严重性与DV值之间的关系[13]，对淹没区域内的溃坝洪水严重性进行定性划分，并假定油罗口水库大坝管理单位对所有淹没区域的警报时间都是一样的基础上，采用李雷-周克发[14]建议的我国风险人口死亡率建议表，按照Graham法[15-16]，计算出在不同的警报时间WT情况下，淹没区白天和晚上的生命损失值（LOL）及生命社会风险值（fN），见表3。

对于大型水库来说，如果溃坝人数超过100人，则小于1.0×10-6/（a・人）的生命社会风险是可接受的，超过1.0×10-5/（a・人）的生命社会风险是不可容忍的[12]。从表3可知，当警报时间小于或等于5 h，研究范围内由溃坝造成的生

命社会风险是不可容忍的。因此，当油罗口水库遭遇5000年一遇校核洪水位发生副坝溃坝时，即使是发生在白天，水库运行管理单位对研究范围内发出的警报时间须保证大于5 h以上，否则其所造成的生命社会风险是不可容忍的。

3 结语

本文应用二维有限单元数值模型的方法，模拟了油罗口水库溃坝下游洪水演进过程，绘制了研究区间淹没水深分布图，分析了溃坝后造成的生命社会风险。该研究结果可在油罗口水库大坝运行管理单位制定大坝安全管理应急预案时，为其确定溃坝洪水淹没范围及程度的划定、人员转移（避险）路线及区域的设置等方面提供参考，从而有利于提高预案的可操作性，增强运行管理单位抵御溃坝洪水灾害的能力。

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