输水渠隧系统典型事故工况水力响应初探

王乾坤, 翟文琳, 管光华, 易放辉, 杨家亮, 黄跃群

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节水灌溉
节水灌溉 ›› 2024 ›› (12) : 87-94. DOI: 10.12396/jsgg.2024251
灌溉工程与装备

输水渠隧系统典型事故工况水力响应初探

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Study on Hydraulic Response of Canal and Tunnel System Under Accident Condition

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摘要

在输水建筑物运行中，及时发现和预警渠隧系统中的异常数据以及其相应的事故工况可以为渠隧系统的安全运行提供重要保障。研究目的在于探索出输水渠隧系统在典型事故工况下的水力响应特征，为灌区管理人员提供事故水力响应特征。基于HEC-RAS软件针对渠隧系统常见的事故工况提出了概化模型，并根据其水力响应特征检验了其有效性。研究表明：①洪水入渠事故发生时，会出现上下游水位上升，上游流量先下降后稳定到原流量的趋势，其中最大漫溢水头为0.14 m。②结构破坏事故发生时，渠道上、下游水位以及下游流量逐步下降，上游流量先上升后下降至原流量的趋势，其中最大泄漏流量为9.95 m3/s。③隧洞局部垮塌事故发生时，渠道上游水位雍高，上游流量，下游水位以及流量均呈现先下降再逐渐恢复至原水位流量的趋势，其中最大雍高水位为0.460 m。该事故概化模型能够较好地反应事故工况下的输水建筑物动态变化情况。本研究得出的水力响应特性可为事故应急预案的制定及应急调度提供借鉴和参考，对发展长距离输水建筑物安全化建设具有一定的推进意义。

Abstract

In the operation of water transport buildings, timely detection and early warning of abnormal data and corresponding accident conditions can provide an important guarantee for the safe operation of canal and tunnel system. The purpose of this paper is to explore the hydraulic response characteristics of the canal and tunnel system under typical accident conditions, so as to provide the accident hydraulic response characteristics for the managers of the irrigation district. In this paper, based on HEC-RAS software, a generalized model is proposed for the common accident conditions of canal and tunnel system, and its effectiveness is tested according to its hydraulic response characteristics. The research shows that: ① When the flood enters the channel, the upstream and downstream water levels will rise, and the upstream flow will first decline and then stabilize to the original flow, with a maximum overflow head is 0.14 m. ② When the structural damage accident occurs, the upstream and downstream water levels and downstream flow of the channel will gradually decline. The upstream flow increases first and then decreases to the original flow, and the maximum leakage flow is 9.95 m3/s. ③ When the local collapse accident of the tunnel occurs, the water level of the upstream channel is high. The upstream flow, downstream water level and flow showed a trend of first decreasing and then gradually recovering to the original water level flow, and the maximum water level was 0.460 m. The generalized accident model can effectively reflect the dynamic change of water transport structures under accident conditions. The hydraulic response characteristics obtained in this study can provide reference for the formulation of accident emergency plan and emergency dispatch, and has significance implications for the development of safety measures in the construction of long-distance water transport systems.

关键词

输水系统 / 渠隧事故 / 水力响应 / 事故识别 / HEC-RAS

Key words

water supply system / canal and tunnel accidents / hydraulic response / accident identification / HEC-RAS

基金

犬木塘水库工程长藤结瓜灌溉水网系统水资源调配关键技术研究与应用

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王乾坤 , 翟文琳 , 管光华 , 易放辉 , 杨家亮 , 黄跃群. 输水渠隧系统典型事故工况水力响应初探[J].节水灌溉, 2024(12): 87-94 https://doi.org/10.12396/jsgg.2024251
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0 引 言

水是生命之源、生态之基、生产之要，随着人口增长、经济快速发展和社会不断进步，人类对水的需求越来越迫切[1]。由于水资源时空分布不均衡的特点，水资源短缺问题极大地制约了经济社会的发展和人民生活水平的提升[2, 3]，局部地区供需水量矛盾尖锐[4, 5]，而大型灌区与引调水工程是解决用水供需矛盾、优化水资源配置、提高用水效率的有效工程措施[6-8]。此类工程常采用明渠与隧洞相结合的方式输水。其中犬木塘灌区工程是解决衡邵干旱走廊水资源短缺问题的战略性工程。由于长距离输水渠隧系统线路长、沿线地质环境和气象条件差异较大，导致突发事件风险源多、突发事件发生概率大。因此在建成运行后，此类系统往往因为特殊的地质、气象条件或运行管理不善引发事故[9, 10]。事故的发生对工程安全造成巨大威胁。以南水北调中线工程为例，中线槽河段岗头隧洞洞口段就曾因暴雨情况发生过泥石流[11]，根据资料统计，南水北调工程渠段内的渠道滑坡、衬砌裂缝、渡槽渗漏及防洪堤冲毁等事故较为常见[12]。南水北调中线总干渠此类渠道在极端暴雨情况下也较易发生渠道外坡垮塌甚至决口事故[13]。此外，在砂砾石等无黏性土层中也容易发生管涌等渗透破坏事故[14]，由于暴雨洪水入渠或闸门操作不当也可能引发渠道漫溢事故[15]。
余明辉等[16]利用基于一阶迎风格式建立的非均匀沙模型对二维溃堤泥沙和河床演变进行研究。D'Oria等[17]基于事故上下游监测水位提出了一种溃堤流量的方法，并将得到的溃堤流量过程输入HEC-RAS模型中进行溃堤模拟测试。王正中等[18]针对弧底梯形渠道衬砌进行研究，通过部分假设及简化方法建立了混凝土衬砌冻胀破坏的力学模型。
近年来受全球气候变化影响，中国极端灾害呈现突发性、随机性及重大危害性的特点[19]，及时获取事故源信息、迅速进行事故应急调度至关重要。因此，建立合适的事故概化模型对于进一步研究渠隧系统事故工况的水力响应特征具有重要意义。
综上，本文根据几种常见的渠隧系统事故工况下的成因以及机理，基于HEC-RAS模型提出了事故概化模型，以期为长距离输水系统安全运行提供有效参考工具。

1 典型事故概化

在充分考虑犬木塘灌区工程的背景下，最终确定设置洪水入渠导致漫溢、结构破坏及隧洞局部垮塌3类事故作为目标事故类型，设置原因如下。
（1）洪水入渠导致漫溢：犬木塘灌区位于衡邵干旱走廊中心的山区、丘陵地区，地形条件复杂、岗冲交错、起伏剧烈，同时灌溉渠系与多座水库联通，一旦出现洪水入渠或库渠调度事故，极易出现渠道漫溢事故，甚至进一步造成渠道垮塌等次生灾害。
（2）结构破坏事故：该工程也是解决湖南省衡邵干旱走廊水资源短缺的关键性工程，灌区工程的管理需要尽量减少水量损失，而泄漏的存在会导致额外的水量损失，因此对于管涌、渗漏或决口事故的及时识别及定位有助于渠道的及时修复从而节约水量，同时保证供水系统的安全、高效运行。
（3）隧洞局部垮塌：犬木塘灌区工程沿程输水建筑物主要以隧洞为主，以总干渠为例，全长58.46 km，其中隧洞16处共49.28 km，占比约84%。其中，九龙岭隧洞全长约19.26 km，设计流量为27～29 m3/s，为犬木塘灌区工程中最长的一条无压隧洞。灌区工程地质构造复杂，隧洞安全直接关系到整个输配水系统的安全平稳运行，因此对隧洞垮塌类事故的及时检测、定位及治理十分必要。
综上，认为针对洪水入渠导致漫溢、结构破坏及隧洞局部垮塌3类事故的研究符合项目需求、契合工程需要。所选取的3类事故均较为常见，并且一旦发生造成的危害严重。后续的事故仿真、事故工况水力响应特性探究及事故识别研究都将基于这3类事故展开。洪水入渠工况采用加入侧向入流的边界条件进行事故概化；结构破坏工况采用HEC-RAS的决堤功能进行概化；隧洞局部垮塌采用自下而上关闭的溢流闸门进行概化。初始边界条件采用上游恒定流量40 m3/s，下游恒定水位为241.86 m。

1.1 洪水入渠

在HEC-RAS计算模型中，洪水入渠可通过对指定断面添加侧向入流边界条件的方式概化。为进一步仿真洪水入渠导致的渠道漫溢事故，可在HEC-RAS软件中为明渠段设置单侧或双侧堤坝，堤顶高程设置为渠顶高程，一旦水位高于渠顶，水流通过单侧堤坝发生漫溢。堤坝外侧可设置蓄水区用于实时监测漫溢流量及水量，洪水入渠事故概化图见图1，洪水入渠导致的漫溢事故概化示意图见图2。
图1 洪水入渠事故概化图

Fig.1 Flood inlet accident generalization

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图2 渠道漫溢事故概化

Fig.2 Generalization of channel overflow accident

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1.2 结构破坏

在HEC-RAS计算模型中，可选用非恒定流模块中的堤坝决堤功能近似仿真渠道管涌、渗漏或决口等结构破坏事故，其计算原理见图3。初期由于坝体的渗漏，导致坝体受到侵蚀，决堤初期采用孔口出流计算公式进行计算；当坝体开始滑动，水流与大气发生接触时，转为采用堰流公式计算溃坝流量。与漫溢事故一致，也需为待溃明渠段设置单侧堤坝，堤坝外设置蓄水区用于监测溃堤流量及水量。不同之处在于，HEC-RAS中决堤功能需要对破坏形状、破坏大小、破坏历时、溃坝过程线、孔流系数、堰流系数等一系列溃堤参数进行设置。犬木塘灌区工程结构破坏事故概化示意图见图4。
图3 HEC-RAS决堤功能

Fig.3 HEC-RAS breakwater function

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图4 结构破坏事故概化

Fig.4 Generalization of structural failure accidents

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1.3 隧洞垮塌

隧洞局部垮塌事故仿真需要在计算过程中瞬时改变隧洞断面形状，运用传统仿真模型难以实现。采用HEC-RAS中的Overflow Gates溢流闸门实现，该类型闸门可实现自下而上的关闭，可用于近似仿真隧洞局部垮塌后的断面堵塞情况。如图5所示，事故未发生时，溢流闸门全开，隧洞正常运行；事故一旦发生，可以通过调整溢流闸门的开度近似仿真不同断面堵塞情况下的隧洞局部垮塌事故。由于隧洞垮塌事故一般发生较为迅速，因此设置溢流闸门开度的变化也瞬间完成。
图5 HEC-RAS溢流闸门

Fig.5 HEC-RAS overflow gate

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2 仿真建模与结果

2.1 仿真算例

本文以犬木塘水库工程作为实例进行仿真分析。
犬木塘水库工程位于湖南省资水中上游邵阳市境内，总库容1.4 亿m3，是犬木塘灌区补充水源的骨干工程。工程主体包括渠首提水泵站、渠道及渠系建筑物等，渠系总长223.3 km，包括1条总干渠、5条干渠、11条骨干支渠，渠首泵站设计流量40 m3/s。灌区工程的特点是长距离输水渠隧，其沿程地理情况较为复杂且水工建筑物多，种类繁杂（图6）。
图6 犬木塘干渠示意图

Fig.6 Schematic diagram of the location of the main canal

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其中本文选取犬木塘灌区主干渠全段作为干渠研究对象，全长约57 km，共划分为8个渠池。建模干渠的基本参数见表1。
表1 干渠基本参数

Tab.1 Basic parameters of trunk canal

渠池编号 渠池长度/m 渠底坡度 糙率 底宽/m 设计流量/（m3·s-1）
渠池1 2 374 1/2 500 0.014 5.8 40.0
渠池2 491 1/3 000 0.014 5.5 38.0
渠池3 10 648 1/3 000 0.014 5.4 36.5
渠池4 3 938 1/3 000 0.014 5.4 36.0
渠池5 19 438 1/3 000 0.014 5.0 29.0
渠池6 8 529 1/3 000 0.014 4.3 21.0
渠池7 4 295 1/3 000 0.014 4.3 20.0
渠池8 6 985 1/3 000 0.014 3.5 12.0

2.2 渠隧系统事故工况

为探究上文中所概化3种事故类型分别对应设置3种工况并针对其水力响应特性作探究，3种事故的发生时刻均设置为2 h，事故工况设置见表2，其恒定流边界条件为上游恒定流量40 m3/s，下游恒定水位为241.86 m，沿程分水流量按照设计工况进行设置。对于此3类事故工况的设置原因见下文工况设置内容中详述。
表2 工况设置

Tab.2 Condition setup table

序号 工况类型 概化方式 工况设置
1 渠道漫溢事故 断面设置洪水入渠 单侧漫溢，50%设计流量洪水入渠
2 结构破坏事故 明渠一侧出现溃口 溃口宽度1 m，溃口高度4 m
3 隧洞垮塌事故 隧洞内断面堵塞 隧洞中段垮塌，断面堵塞60%

2.3 渠道漫溢事故水力响应特性研究

2.3.1 工况设置

为探究洪水入渠导致渠道漫溢事故下的水力响应特性，考虑工程实际进行漫溢工况的设置：洪水入渠导致的漫溢事故只能发生在明渠段，而第4号渠池全长4.62 km，为整个总干渠中最长的一段明渠段渠池，该渠池地势较低、附近多为山区且周围存在许多长藤结瓜水库，在极端情况下因暴雨或水库异常调度而发生洪水入渠事故的几率更大，因此根据工程实际选取总干渠第4号明渠段渠池作为漫溢事故的主要研究对象。
渠池4结构变化形式为渡槽-土渠-渡槽-土渠，考虑到漫溢事故最常出现于渠池最下游闸前位置，将洪水入渠点设置在最后一段朱家岭土渠中点（桩号：-18 120）处，其设计流量为36 m3/s。同时根据其设计资料判断：该处明渠段存在发生单侧漫溢的条件（一侧为挖方、一侧为填方），算例选取示意图见图7。
图7 漫溢事故算例选取

Fig.7 Selection of spill accident examples

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考虑到犬木塘总干渠的加大流量为120%设计流量，洪水入渠流量设置过小可能会导致工况设置无法导致渠道漫溢，而设置过大可能使非恒定流流态变化过于剧烈，影响仿真可信度，故本次漫溢工况的仿真方式设置为单侧漫溢，设置洪水入渠流量为50%设计流量。

2.3.2 仿真结果及分析

当洪水入渠事故发生后，渠池内水位逐渐壅高，由于工程布置原因，经过50 min后漫溢最先发生在朱家岭渡槽与朱家岭土渠渐变段位置，并逐渐向上下游发展。最终导致整个朱家岭渡槽、朱家岭土渠至下游闸前均发生漫溢。事故发生约24 h后，该渠池逐渐达到稳定漫溢状态。
漫溢流量过程如图8所示，洪水入渠发生后的第50 min漫溢发生，而后漫溢流量在19 h内逐渐升高至稳定漫溢流量
图8 漫溢流量过程

Fig.8 Overflow flow process

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13.03 m3/s。同时计算出：漫溢事故发生后的2 h内，漫溢水量达到5.21 万m3；漫溢水量在6 h内达到20.33 万m3；12 h内漫溢水量达到46.66万m3。漫溢水位及水头沿程过程线如图9和图10所示，最大漫溢水头出现在在朱家岭渡槽与朱家岭土渠渐变段位置，为0.14 m。
图9 沿程漫溢水位

Fig.9 Overspill level along the way

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图10 沿程漫溢水头

Fig.10 Overflow head along the way

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分析图9以及图10可知，漫溢事故发生后，渠池上下游水位均有所上升，下游水位上涨幅度1.128 m大于上游水位上涨幅度0.450 m。事故渠池下游流量监测值出现先增大后减小的规律，洪水入渠后事故点下游流量由29 m3/s首先增加至38.82 m3/s，而在漫溢出现后流量逐渐减小，最后达到一个稳定状态33.97 m3/s。事故渠池上游流量36 m3/s则出现先减小至33.24 m3/s后上升至原流量36 m3/s的规律，这是由于洪水入渠的阻滞以及稳定漫溢的逐渐形成造成的。分析该漫溢事故响应过程，认为仿真结果基本符合水力学规律，仿真结果可信。

2.4 结构破坏事故水力响应特性分析

2.4.1 工况设置

为探究管涌、渗漏或决口等结构破坏事故下的水力响应特性，考虑工程实际进行结构破坏的设置：结构破坏事故多发于明渠段，尤其在填方土渠段内更易发生，而第4号渠池全长约4.62 km，为整个总干渠中最长的一段明渠段渠池，其结构变化形式为渡槽-土渠-渡槽-土渠，存在适于进行结构破坏事故仿真的条件，因此根据工程实际选取总干渠第4号明渠段渠池作为结构破坏事故的主要研究对象。
结构破坏点设置在最后一段朱家岭土渠中点（与工况1相同，桩号：-18 120）处，其设计流量为36 m3/s。溃口形状设置为梯形（坡度为0.5），溃堤历时设置为1 h。考虑到朱家岭土渠底宽为2.3 m、渠道高5.18 m，在朱家岭土渠中点的一侧设置溃口，初步设置溃口宽度为1 m、溃口高度为4 m。

2.4.2 仿真结果及分析

由于管涌、渗漏、决口等结构破坏事故破坏机理及破坏过程复杂，对于灌溉渠道而言，该类事故仿真的主要目的是为了得到渠道的决口泄漏流量过程，在HEC-RAS软件中利用堤坝的决堤功能可以得到泄漏流量过程线见图11。由计算结果可知，渠道结构破坏事故发生后，渠道泄漏流量迅速增大至峰值9.95 m3/s，随着事故的进一步发展，泄漏流量逐渐下降至稳定值6.92 m3/s，达到稳定泄漏状态。同时可利用泄漏流量过程线对泄漏水量进行计算：结构破坏发生后的2 h内，泄漏水量达到4.52 万m3；6 h内泄漏水量达到14.76 万m3；12 h内泄漏水量达到29.73 万m3。
图11 泄露流量过程

Fig.11 Leakage flow process

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分析图12可知，结构破坏事故发生后，渠池上下游水位均有所下降，下游水位下降幅度0.917 m大于上游水位下降幅度0.127 m。由于泄漏的出现，事故点下游流量监测值由29 m3/s逐渐下降至22.08 m3/s。事故点上游流量36m3/s则出现先上升至36.54 m3/s后下降至原流量36 m3/s的规律，这是由于泄漏事故的出现以及稳定泄漏的逐渐形成造成的。分析该结构破坏事故响应过程，认为仿真结果基本符合水力学规律，仿真结果可信。
图12 结构破坏事故监测结果

Fig.12 Monitoring results of structural failure accidents

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2.5 隧洞垮塌事故水力响应特性分析

2.5.1 工况设置

为探究隧洞局部垮塌事故下的水力响应特性，考虑工程实际进行结构破坏的设置：九龙岭隧洞全长约19.26 km，设计流量为27～29 m3/s，为犬木塘灌区工程中最长的一条无压隧洞，关系到整个输配水系统的安全平稳运行。在突发事故条件下，可能产生局部有压等复杂流态，应急反应不及时或调度措施不合理都可能导致严重的结构破坏事故，威胁供水安全。因此根据工程实际选取总干渠九龙岭隧洞所在的第5号渠池作为隧洞垮塌事故的主要研究对象。
渠池5结构变化形式为暗涵-隧洞，初步考虑隧洞垮塌位置为隧洞中段，设置在九龙岭隧洞中点（桩号：-27 984）处，设计流量为29 m3/s，算例选取示意图见图13，在工况设置上，过小的堵塞面积可能会导致不具有代表性，而堵塞面积过大，则有可能导致隧洞明满流交替，从而失去仿真的真实性。故在本文中隧洞局部垮塌造成的断面堵塞面积比例设置为60%。考虑到隧洞高度为5.14 m，垮塌堵塞面积比例设置为60%（设置溢流闸门开度2.37 m）。而由于隧洞垮塌事故一般发生较为迅速，因此设置溢流闸门开度的变化也瞬间完成。
图13 隧洞局部垮塌事故算例选取

Fig.13 Selection of numerical examples of local tunnel collapse accidents

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2.5.2 仿真结果及分析

由于大部分的隧洞中并无水位及流量的监测点，因此对于隧洞局部垮塌事故是否会导致隧洞中出现明满流交替现象认识不足，隧洞局部垮塌事故期望通过事故仿真探究隧洞内部的水力响应特性并加以分析，仿真结果见图14。由计算结果可知，在隧洞中段设置局部垮塌事故，断面面积堵塞60%时，垮塌断面前水位骤升1.487 m，垮塌断面后水位骤降0.591 m而后又逐渐回升。该仿真工况下，事故点上游出现了一段局部壅水但暂未出现有压流现象。
图14 隧洞局部垮塌结果示意图

Fig.14 Schematic diagram of the result of local tunnel collapse

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分析图15可知，隧洞局部垮塌事故发生后，渠池内并未发生流量流入与流出，故稳定后流量均为事故发生前流量。事故渠池上游水位流量先下降后逐渐上升至原流量，而事故点下游流量先下降后逐渐上升至原流量。由于垮塌的出现，事故渠池上游水位上升0.460 m，事故点下游水位则出现先下降0.565 m后上升至原水位的规律，这是由于垮塌事故的出现以及稳态的逐渐形成造成的。分析该隧洞垮塌事故响应过程，认为仿真结果基本符合水力学规律，仿真结果可信。由表3中所示的各种典型事故渠池上下游水位流量响应规律可以看出，渠池在发生不同的事故时会造成不同的上下游水位流量变化。
图15 隧洞局部垮塌事故监测结果

Fig.15 Monitoring results of local tunnel collapse accident

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表3 各典型事故工况渠池水位、流量响应规律

Tab.3 Response rules of water level and flow in each typical accident condition

工况类型 渠池上游 渠池下游
水位 流量 水位 流量
洪水入渠并发生漫溢 ↑ 先↓后↑至原流量 ↑ 先↑后↓
结构破坏 ↓ 先↑后↓至原流量 ↓ ↓
隧洞局部垮塌 ↑ 先↓后↑至原流量 先↓后↑至原水位 先↓后↑至原流量

3 讨 论

（1）洪水入渠事故发生时，会出现上下游水位上升，这是由于洪水流量进入渠池导致上下游水位的上升，而上游流量先下降后稳定到原流量的趋势，这是由于洪水入渠先是对上游流量造成阻滞，而后形成稳定漫溢。该仿真造成的上下游水位流量规律符合水力学规律，且该洪水入渠工况并未发展为急流。认为仿真可信，工况设置合理。
（2）结构破坏事故发生时，由于泄露流量的出现导致上下游水位均下降，而事故上游流量呈现先上升后下降至原流量的规律，这是由于渗漏初期下游水位快速下降导致的上下游水位差变大造成的。分析该结构破坏事故响应过程，认为仿真结果基本符合水力学规律，仿真结果可信。
（3）隧洞垮塌事故发生时，渠道上游水位逐步上升，上下游流量和下游水位以及上游流量先下降后上升至原流量、水位的趋势，这是由于隧洞局部垮塌事故发生后，渠池中并未发生流量流入与流出，故稳定后流量均为事故发生前流量。而上游水位的雍高以及下游水位的下降并回升是由于垮塌事故的出现以及稳态的逐渐形成造成的，且由HEC-RAS仿真结果得出水面线可以看出隧洞并没有出现明满流交替的情况。分析该隧洞垮塌事故响应过程，认为仿真结果基本符合水力学规律，仿真结果可信。
本文提出了3种渠隧系统事故概化的方式，并得出了3种典型事故的水力响应规律，对于后期建立在线的事故识别系统以保障渠隧系统安全有着十分重要的意义，同时这也是水利智慧化以及数字化建设的必然要求。

4 结 论

本文首先基于HEC-RAS软件，介绍了基于HEC-RAS软件针对3类目标事故类型的具体仿真概化方式，并考虑工程实际设置了3种事故工况对所建事故仿真模型进行检验。最后从事故现象和监测结果2方面，对3类事故的水力响应特性进行了分析。主要结论如下。
（1）提出了针对3类事故的具体仿真概化方式：洪水入渠事故通过添加侧向入流边界实现，通过设置堤坝及蓄水区的方式仿真渠道漫溢。结构破坏事故使用HEC-RAS决堤功能近似仿真。隧洞局部垮塌事故通过设置自下而上关闭的溢流闸门瞬时改变隧洞的断面形状，近似仿真隧洞局部垮塌后的断面堵塞情况。
（2）通过3类事故的仿真结果表明，事故仿真模型的计算结果符合水力学响应规律，计算结果可信。所提出的3类事故概化方式效果较好，能够基本实现事故的精细化仿真并输出事故工况下的水力响应过程。
（3）基于仿真结果，对3类事故工况下的水力响应特性进行了总结。本研究得出3种不同的渠道事故发生时所对应的水力响应规律，可为下一步渠道事故的研究提供依据。

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