水庫潰壩模擬計(jì)算與洪水演進(jìn)過程分析

丁 曉 霞

(1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024； 2.山西省汾河中下游水務(wù)管理局，山西 太原 030002)

水庫潰壩模擬計(jì)算與洪水演進(jìn)過程分析

丁 曉 霞1，2

(1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024； 2.山西省汾河中下游水務(wù)管理局，山西 太原 030002)

應(yīng)用《山西省水文手冊》公式和經(jīng)驗(yàn)公式對孝義市東安生水庫潰壩洪水及其向下游演進(jìn)過程進(jìn)行了分析，達(dá)到了幫助人們了解小概率事件發(fā)生后相關(guān)地區(qū)受災(zāi)狀況及洪水發(fā)展動(dòng)態(tài)趨勢的效果，并能夠提前建立疏散方法及預(yù)警機(jī)制，將水庫潰壩帶來的損失降至最低，進(jìn)而有效的保障水庫下游人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

土石壩，潰壩，潰壩決口長度，洪水演進(jìn)過程

1 概述

1.1 研究背景與意義

據(jù)中國大壩協(xié)會(huì)2009年統(tǒng)計(jì)，截止到2008年年底我國已建各類水庫87 151座，水庫總庫容7 064億m3，占我國河川總徑流量的26%，為世界已建水庫總庫容的9.9%[1]。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)操作不當(dāng)，缺乏觀察，沒有防控失事風(fēng)險(xiǎn)的對策，并且對于大壩已出現(xiàn)的問題不重視[2]。對于水庫下游具有村落及耕地存在的情況，一旦上游水庫潰決，瞬間下泄的大量洪水會(huì)給下游地區(qū)造成災(zāi)難性破壞，對下游居民的安全及經(jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重危害。因此，對上游水庫進(jìn)行潰壩模擬、計(jì)算，確定潰壩后洪水大小、影響范圍、演進(jìn)過程等是制定防洪減災(zāi)措施及應(yīng)急預(yù)案的重要基礎(chǔ)，同時(shí)也可以為社會(huì)合理發(fā)展布局提供參考。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1.2.1 潰口流量過程的研究

分析潰壩的機(jī)理是計(jì)算潰口流量過程的前提，進(jìn)而需要進(jìn)行大量原始潰壩資料的記錄、整理、分析，以及各種不同的物理實(shí)驗(yàn)，數(shù)值模擬等[3，4]。

1.2.2 潰壩洪水演進(jìn)的研究

潰壩洪水演進(jìn)數(shù)值模擬方法可分為兩大類：一類是分段模型方法，即把壩址作為上、下兩段的分界點(diǎn)，先考慮庫區(qū)情況與下游水位對壩址出流的影響，得出壩址流量過程線，并且將此作為上邊界條件，作為下游做洪水演進(jìn)的依據(jù)。另一類是整體模型解法，即把下游河道、庫區(qū)、壩址作為一個(gè)整體模型來研究，可以適用于各種邊界條件，如自由出流、淹沒出流等，可以由程序根據(jù)壩址上下游水頭差自動(dòng)求出壩址流量過程。

1.3 研究內(nèi)容

本文以孝義市東安生水庫作為工程實(shí)例，結(jié)合公式推求東安生水庫潰壩洪水及其向下游演進(jìn)過程。本文研究內(nèi)容如下：1)綜合水庫的庫容、水位、壩高，根據(jù)公式計(jì)算土石壩潰壩決口長度與壩址最大流量；2)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。

2 研究區(qū)域概況

孝義市坐落于山西省晉中盆地西南隅，呂梁山脈中段東麓，地理位置介于東經(jīng)111°21′～111°56′，北緯36°56′30″～37°18′45″之間。東與介休市隔汾河相望，西與交口、中陽縣毗鄰，南與靈石縣接壤，北與汾陽市交界。

2.1 流域概況

東安生水庫位于孝義市西南，東安生村東南1 km，距市區(qū)約18 km。該水庫于1975年10月竣工，已運(yùn)用40年。水庫位于孝河支流白溝河的中上游，控制流域面積6 km2，流域長3.8 km，平均縱坡5.7‰，多年平均輸沙量為2.4萬m3。庫區(qū)地質(zhì)屬砂頁巖，土石山區(qū)，植被稀少，水土流失現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

2.2 東安生水庫工程概況

東安生水庫是一座小(Ⅱ)型水庫，其任務(wù)是防洪、灌溉。水庫設(shè)計(jì)總庫容55萬m3，調(diào)洪庫容30萬m3，興利庫容5萬m3，死庫容25萬m3，壩高17 m，壩頂長220 m，壩頂寬4.5 m，水庫保護(hù)著下游2個(gè)鄉(xiāng)村，7 000畝耕地，9 200人口的生命財(cái)產(chǎn)安全。

3 潰壩洪水分析

3.1 壩址最大流量計(jì)算

1)采用《山西省水文手冊》計(jì)算。

最大流量：

(1)

潰壩決口長度：

(2)

(3)

其中，k1為壩體材料系數(shù)，均質(zhì)土壩取1.98；V為潰壩時(shí)有效蓄水量，萬m3；H為潰壩時(shí)水頭或潰壩時(shí)壩前水深，水頭計(jì)算高度采用壩頂高程；B為壩址處庫面寬，取壩長617 m；L為庫區(qū)長度，m，取L/B=5。

2)采用黃河委員會(huì)公式[3]計(jì)算。

最大流量：

(4)

潰壩決口長度：

(5)

其中，K為系數(shù)，粘土類取0.65，壤土類取1.3。

3.2 計(jì)算結(jié)果對比分析

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)。b1為不考慮泥沙淤積的潰口寬度，此時(shí)取V為總庫容55萬m3，取H為壩高17 m，b2為考慮泥沙淤積的潰口寬度，此時(shí)取V為有效庫容30萬m3，取H為有效水深5.8 m；b1，b2都由式(2)和式(5)分別計(jì)算對比。Qm1為b1對應(yīng)的最大潰壩流量，Qm2為b2對應(yīng)的最大潰壩流量；Qm1和Qm2都由式(1)和式(4)分別計(jì)算對比。計(jì)算結(jié)果見表1。由表1可知，淤積對最大流量影響不大，Qm應(yīng)選擇現(xiàn)階段淤積b2對應(yīng)的流量Qm2，而《水文手冊》計(jì)算結(jié)果偏大，保守起見，Qm取《水文手冊》計(jì)算結(jié)果即861 m3/s，再加入正常溢洪道泄量42.91 m3/s，全部下泄洪量為904 m3/s。

表1 b和Qm計(jì)算結(jié)果對比表

4 潰壩洪水演進(jìn)模擬

4.1 潰壩下游流量計(jì)算

潰壩下游流量的計(jì)算公式為：

(6)

其中，QLM為潰壩最大流量演進(jìn)至距壩址為L處時(shí)，在該處出現(xiàn)的最大流量；kvv為山區(qū)河道，取7.15。

4.2 洪水演進(jìn)過程計(jì)算

1)洪水起漲時(shí)間計(jì)算公式：

(7)

其中，L為距壩址的距離；K1為系數(shù)，K1=0.7×10-3。

2)最大流量到達(dá)時(shí)間計(jì)算公式：

(8)

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

3)潰壩下游流量過程線：

(9)

潰壩洪水向下游演進(jìn)過程見表2。

表2 洪水向下游演進(jìn)過程表

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

本文以孝義市東安生水庫作為研究對象，根據(jù)潰壩知識計(jì)算潰壩洪水，對潰壩洪水演進(jìn)過程進(jìn)行了分析。希望能借此方法幫助人們了解小概率事件發(fā)生后相關(guān)地區(qū)受災(zāi)狀況及洪水發(fā)展動(dòng)態(tài)趨勢，進(jìn)而保障人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

1)選取土石壩瞬間全潰的方式，用兩種公式對比分析計(jì)算出潰壩決口寬度與壩址最大流量，使結(jié)果更具有可靠性。

2)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)合谷歌地形圖對潰壩洪水向下游演進(jìn)的過程進(jìn)行了計(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)對于大壩潰決的研究不足，由于目前大壩潰決，尤其是土石壩的潰決機(jī)理比較復(fù)雜，仍未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)果不具有對比性，仍需改進(jìn)。

[1] 鄭守仁.我國水庫大壩安全問題探討[J].人民長江，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.

[5] 謝任之.潰壩水力學(xué)[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，1993.

The reservoir dam-break simulation computation and flood evolution process analysis

Ding Xiaoxia1,2

(1.TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China;2.ShanxiMiddleandLowerReachesoftheFenRiverWaterAffairsAdministrationBureau,Taiyuan030002,China)

The thesis analyzes Dongansheng reservoir dam-break flood and flood evolution process by applyingShanxiHydrologicManualformula and experience formula, achieves the effect of helping people knowing about little probability event disasters and flood development trend, and establishes excavation methods and alarming mechanism beforehand, so as to reduce reservoir dam-break loss and to effectively guarantee people’s lives and property safety.

earth-rockfill dam， dam-break， dam burst length, flood evolution process

1009-6825(2015)28-0215-02

2015-07-21

丁曉霞(1984- )，女，在讀工程碩士

TV697

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