水庫潰壩洪水與洪水演進(jìn)過程分析計(jì)算

秦 晨

(太原理工大學(xué)，山西 太原 030024)

·水利工程·

水庫潰壩洪水與洪水演進(jìn)過程分析計(jì)算

秦 晨

(太原理工大學(xué)，山西 太原 030024)

以孝義市梁家垣水庫作為研究對(duì)象，參考《山西省水文手冊(cè)》公式計(jì)算潰壩洪水，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)合谷歌地圖計(jì)算潰壩洪水向下游演進(jìn)過程和潰壩洪水淹沒范圍，以確保水庫下游地區(qū)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

土石壩，潰壩，洪水演進(jìn)過程，洪水淹沒范圍

1 概述

1.1 研究背景與意義

據(jù)中國(guó)大壩協(xié)會(huì)2009年統(tǒng)計(jì)，截止2008年年底我國(guó)已建各類水庫87 151座，水庫總庫容7 064億m3，占我國(guó)河川總徑流量的26%，為世界已建水庫總庫容的9.9%[1]。我國(guó)現(xiàn)有大多數(shù)土石壩都是在“大躍進(jìn)”和“文革”時(shí)期建成的，是群眾性政治運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物。壩址大都在建設(shè)前沒有經(jīng)過嚴(yán)格的勘測(cè)，對(duì)筑壩的土料、筑壩方法和地基土層情況，都沒有詳細(xì)和審慎的研究和記載。對(duì)于已經(jīng)完工并且在運(yùn)行的一大批土石壩水庫，不僅在防洪、興利方面發(fā)揮著重大作用，還存在著潰壩的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重威脅水庫下游地區(qū)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。

小型水庫潰壩失事的原因大致為：

1)不夠深入的研究和設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低；

2)施工質(zhì)量控制薄弱，未能滿足設(shè)計(jì)要求；

3)管理和操作不當(dāng)，缺乏觀察，沒有防控失事風(fēng)險(xiǎn)的對(duì)策，并且對(duì)于大壩已出現(xiàn)的問題不重視[2]。

1.2 研究?jī)?nèi)容

本文以孝義市梁家垣水庫作為工程實(shí)例，結(jié)合公式推求梁家垣水庫潰壩洪水及其向下游演進(jìn)過程。

本文研究?jī)?nèi)容如下：

1)綜合梁家垣水庫的庫容、水位、壩高，根據(jù)《山西省水文手冊(cè)》公式計(jì)算土石壩潰壩決口長(zhǎng)度與壩址最大流量。

2)用四次拋物線來概化壩址流量過程線。

3)根據(jù)公式結(jié)合谷歌地圖推求潰壩洪水向下游演進(jìn)過程。

4)應(yīng)用曼寧公式結(jié)合谷歌地圖得出潰壩洪水淹沒范圍。

2 研究區(qū)域概況

2.1 流域概況

梁家垣水庫位于孝義市兌鎮(zhèn)梁家垣南西1.5 km，屬于文峪河流域，地理坐標(biāo)東經(jīng)37°06′02″，北緯111°42′04″，是一座防洪兼灌溉綜合利用的小(Ⅰ)型水庫，水庫興建于1974年，于1977年12月建成，水庫主要保護(hù)下游4個(gè)鄉(xiāng)村、4 000畝耕地、4 000人口的生命財(cái)產(chǎn)安全。

梁家垣水庫位于孝義市柱濮河上，柱濮河是孝河的支流，孝河為文峪河一級(jí)支流。水庫控制流域面積55 km2，水庫設(shè)計(jì)總庫容256.6萬m3。

2.2 梁家垣水庫工程概況

梁家垣水庫是一座以防洪為主、兼顧農(nóng)業(yè)灌溉的小(Ⅰ)型水庫。

水庫總庫容為256.6萬m3，調(diào)洪庫容為117.6萬m3，興利庫容為16萬m3，死水位以下庫容已淤滿，水庫的興利水位為846.0 m，汛限水位為843.0 m，設(shè)計(jì)洪水位為849.92 m，校核洪水位為851.75 m，死水位為843.0 m。

3 潰壩洪水分析

3.1 壩址最大流量計(jì)算

用《山西省水文手冊(cè)》計(jì)算。

土石壩潰決過程是一個(gè)復(fù)雜的水—土耦合過程，為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，潰口大小計(jì)算包含泥沙淤積與未淤積兩種狀態(tài)。

3.2 壩址流量過程線

用四次拋物線來概化流量過程線。

4 潰壩洪水演進(jìn)模擬

4.1 洪水演進(jìn)過程計(jì)算

1)洪水到達(dá)時(shí)間計(jì)算公式：

(1)

其中，L為距壩址距離；K1為系數(shù)，等于0.7×10-3。

2)洪峰到達(dá)時(shí)間計(jì)算公式：

(2)

其中，K2為系數(shù)0.8～1.2，等于1.2；hM為最大流量時(shí)的平均水深。

4.2 洪水淹沒范圍分析

根據(jù)以上方法計(jì)算出各斷面洪水位后，將各相鄰斷面洪水位連接，得到水庫下游洪水影響范圍。梁家垣水庫下游高程均勻下降，研究區(qū)5 km。高差67 m，取河道比降0.013 4。查《水文手冊(cè)》。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

本文以孝義市梁家垣水庫作為研究對(duì)象，根據(jù)公式計(jì)算潰壩洪水，對(duì)潰壩洪水演進(jìn)過程和洪水淹沒范圍進(jìn)行了分析。希望借此方法有效幫助相關(guān)地區(qū)應(yīng)對(duì)小概率潰壩事件的發(fā)生，進(jìn)而有效的保障人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

1)通過系統(tǒng)查看分析我國(guó)大壩潰壩統(tǒng)計(jì)情況，闡述了潰壩事故發(fā)生對(duì)下游地區(qū)造成的嚴(yán)重后果，提出水庫潰壩數(shù)值計(jì)算及洪水演進(jìn)過程的必要性。

2)選取土石壩瞬間全潰的方式，計(jì)算得到壩址最大流量。

3)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)合谷歌地形圖對(duì)潰壩洪水向下游演進(jìn)的過程和潰壩洪水淹沒范圍進(jìn)行了分析計(jì)算，突出了受保護(hù)村莊的地理位置。

5.2 建議

本人在研究潰壩洪水?dāng)?shù)值計(jì)算及洪水演進(jìn)的過程中，由于自身能力有限，所獲得的資料也不盡完善，另外，所涉獵的理論有限，本文仍存在值得進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

1)在大壩潰決的研究仍有不足，土石壩的潰決機(jī)理比較復(fù)雜，仍沒有十分完善且具有公信力的理論出現(xiàn)。本文經(jīng)過比較選取了較為接近實(shí)際的公式進(jìn)行計(jì)算，但與真實(shí)情況仍有一定差距。另外，在確定潰決方式時(shí)，選取了危害性最大的瞬間全潰方式，也與實(shí)際情況不符。對(duì)于潰壩機(jī)理仍有待進(jìn)一步的研究。

2)洪水演進(jìn)計(jì)算中僅僅使用公式進(jìn)行了推導(dǎo)，沒有運(yùn)用洪水演進(jìn)模擬軟件，使得結(jié)果不具有對(duì)比性，仍需改進(jìn)。

[1] 鄭守仁.我國(guó)水庫大壩安全問題探討[J].人民長(zhǎng)江，2012，43(21):1-5.

[2] 田 川，李 巍.土石壩潰壩原因分析[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2011(1):273-275.

[3] 李 云，李 君.潰壩模型試驗(yàn)研究綜述[J].水科學(xué)進(jìn)展，2009，20(2):304-310.

[4] 史宏達(dá)，劉 臻.潰壩水流數(shù)值模擬研究進(jìn)展[J].水科學(xué)進(jìn)展，2006，17(1):129-135.

Analysis and calculation on reservoir dam-break flood and flood evolution process

Qin Chen

(TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

Taking Liangjiayuan reservoir as the research target, the paper refers toShanxiHydrologicalManualFormulafor calculating dam-break flood, applies experience formula, combines Google map for computing dam-break flood evolution process and dam-break flood submerging range, with a view to guarantee economic construction and people’s property and life safety in the reservoir downstream region.

earth-rock dam, dam-break, flood evolution process, flood submerging range

1009-6825(2015)30-0217-02

2015-08-20

秦 晨(1983- )，男

TV131.4

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