水庫潰壩洪水計算研究

高興舟，王 貴

(黑龍江省紅衛(wèi)農(nóng)場水務(wù)局，黑龍江建三江156322)

1 引言

潰壩可分為瞬時全饋、部分潰和逐漸全潰。不過，由于導(dǎo)致潰壩的因素甚為復(fù)雜，難于事先全面考慮，從最不利的結(jié)果著想，可以認(rèn)為潰壩是瞬時完成的。因此，以下僅對瞬時全饋或部分潰的情況進(jìn)行討論，所謂全饋，是指壩體全部被沖毀;部分潰則指壩體未全沖毀，或潰口寬度未及整個壩長，或深度未達(dá)壩底，或二者兼有的情況。

實驗表明潰壩水流的物理過程，如圖l所示，潰壩初期，庫內(nèi)蓄水在水壓力和重力作用下，奔騰而出，在壩前形成負(fù)波，逆著水流方向向上游傳播，稱為落水逆波;在壩下形成正波，順著水流方向向下游傳播，稱為漲水順波。由于波速隨水深而增加，所以落水逆波前邊的波速總大于后面的波速，使其波形逐漸展開(但并非水平);壩下游漲水順波的變化正相反，因為后面的波速總大于前面的波速，于是形成了后波趕前波的現(xiàn)象，使波額變陡，成為來勢兇猛的立波(不連續(xù)波)。例如，1928年美國圣佛蘭西斯科壩失事，下游2.2 km處觀察的波額高達(dá)37 m，萬噸大的溫凝土巨塊都被沖走，不過，經(jīng)過一段河槽調(diào)蓄及河床阻力作用之后，立波逐滾坦化，最終消失。圖2所示表示出一次潰壩洪水在壩址及下游各斷面的流量過程線，從圖上可以看出，壩址處峰形極為尖瘦，潰壩后瞬息之間即達(dá)最大值，然后隨時間的推移而急速下降，呈乙字形的退水線。隨著潰壩洪水向下游的演進(jìn)，過程線漸漸變緩。

對于中小水庫，多采用具有一定精度、且較為簡便的半理論半經(jīng)驗公式或經(jīng)驗公式，計算壩址處潰壩最大流量及其向下游的傳播。

圖1 潰壩水流狀態(tài)示意圖

圖2 潰壩洪水沿程演進(jìn)示意圖

2 壩址處潰壩最大流量的計算

調(diào)查潰壩的情況表明，中小水庫的土壩、堆石壩短時間局部饋的較多，剛性壩(如拱壩)和山谷中的土壩容易瞬間潰毀，為安全計，對于設(shè)計情況可考慮按瞬間潰壩處理，以瞬間全潰及局部饋的最大水流理論為指導(dǎo)，在總結(jié)國內(nèi)外各種計算方法的基礎(chǔ)上，對所做600多次試驗資料綜合歸納，得到的適合于瞬間全饋或局部潰的壩址處潰壩最大流量計算公式。經(jīng)使用200多組潰壩試驗記錄和實際的潰壩資料，對該公式和國內(nèi)外的其他公式進(jìn)行檢驗，表明該公式適用條件廣、計算精度高，誤差均不超過土20%。該計算公式為:

式中:Qm為壩址處潰壩最大流量，m3/s;g為重力加速度，m/s2;B為壩址處的庫面寬，通常就等于壩長，m;H為壩前水深，對于設(shè)計條件可取壩高值，m;L為庫區(qū)長度，一般可采用壩址斷面至庫區(qū)上游庫面寬度突然縮小處的距離，m。但實驗證明，L＞5 B后，其影響不再增加，故計算的L/B＞5時仍取L/B等于5;b為潰口的平均寬度，m，最大(全饋時)等于壩長，此值可按以下計算方法估計:當(dāng)潰壩時的蓄水量v≥100萬m3時按b=Klv1/4B1/7H1/2估計(K1為壩體材質(zhì)系數(shù)，對黏土類壩、黏土心墻或斜墻壩和混凝土壩取1.19，均質(zhì)壤土壩取1.98)，當(dāng)V＜100萬m3時按b=K2(VH)1/4估計(壩體施工和管理質(zhì)量好的K2取6.6，差的取9.1)，B、b、H的單位為m，V的單位為萬m3。B/b一般不應(yīng)超過l 7;h為潰口處殘留壩體的平均高度，m，為安全計。對于設(shè)計條件可取h=0;K'不經(jīng)驗系數(shù)，近似按K'=1.4(bh/BH)1/3估計。

3 潰壩最大流量向下游演進(jìn)的計算

壩址處的潰壩流量過程線在向下游演進(jìn)中將不斷展平，漬壩的最大流量將很快衰減。以下介紹一些對于中小水庫設(shè)計使用簡便且有一定精度的經(jīng)驗公式方法。詳見圖3。

圖3 河道洪水驗算輔助線

3.1 水庫下游纂斷面演壩最大流量的計算

潰壩在下游某斷面處形成最大流量，根據(jù)國內(nèi)外許多單位的研究，大都采用下面經(jīng)驗公式計算:

式中:Qm為壩址處的饋壩最大流量，m3/s;Qm，L為Qm演進(jìn)至距壩址L處的漬壩最大流量，m3/s;V為饋壩時的水庫有效蓄水容積，m3;v為洪水期間河道斷面最大平均流速，m/s;kv為經(jīng)驗系數(shù);kv為v值相當(dāng)于洪水傳播速度。

3.2 潰壩最大流到達(dá)下游其斷面所需時間的計算

除了要知道潰壩之后在下游各斷面形成的最大流量外，還需要估計它們在下游各斷面什么時候出現(xiàn)，即需要計算潰壩最大流量從壩址下游某處的傳播時間。

式中:τ為潰壩最大流量從壩址到下游L處的傳播時間，s;Hm為下游斷面處最大流量時的平均水深，m，可根據(jù)式(2)計算的Qm·L;查該斷面的水位流量關(guān)系曲線和水位平均水深關(guān)系曲線求得;Kr為經(jīng)驗系數(shù)，等于0.8～1.2，水深小時取小值，大時取大值;H為饋壩時的壩前水深，m;V為與式(2)同。

4 預(yù)防及應(yīng)急措施

1)水庫管理人員要加強險情監(jiān)測和巡視，做到早發(fā)現(xiàn)、早報告。

2)出現(xiàn)險情時做好水庫調(diào)度，加大下泄流量，同時要會同專家采取正確的應(yīng)急搶險措施，控制險情，保障安全。

3)不但完善水庫搶險預(yù)案，提高預(yù)案的可操作性。

［1］ 裘法軍，邢明.某水庫潰壩洪水計算［J］.大壩與安全，2006 (5).

［2］ 李洋，周孝德，李紅英.潰壩洪水?dāng)?shù)值模擬［J］.東北水利水電，2006(12).

［3］ 張振，張光科，劉超，楊中華.小型水庫潰壩洪水演算探討［J］.東北水利水電，2007(11).

［4］ 馮民權(quán)，許清香，吳巍.A水庫潰壩對B水庫大壩安全的影響研究［J］.水資源與水工程學(xué)報，2008.