支溝堰塞湖潰決引發(fā)主河洪水計(jì)算方法研究

張?jiān)瞥?姚令侃,2,3,李致勇

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都　610031；2.抗震工程技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室道路與鐵道工程

抗震技術(shù)研究所,成都　610031；3.高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都　610031)

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支溝堰塞湖潰決引發(fā)主河洪水計(jì)算方法研究

張?jiān)瞥?,姚令侃1,2,3,李致勇1

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都610031；2.抗震工程技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室道路與鐵道工程

抗震技術(shù)研究所,成都610031；3.高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都610031)

摘要：支溝冰磧堰塞湖潰決洪水是我國(guó)鐵路、高速公路建設(shè)未應(yīng)對(duì)過(guò)的新風(fēng)險(xiǎn),此外,西藏地區(qū)的河道還往往具有寬窄相間的復(fù)雜形狀,直接應(yīng)用洪峰展平法計(jì)算潰決洪水的演進(jìn)過(guò)程誤差過(guò)大。通過(guò)水槽實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)由于支溝潰決洪水入?yún)R主河時(shí)分流擴(kuò)散、到達(dá)河道突縮段時(shí)因流態(tài)紊亂導(dǎo)致局部阻力損失增大,洪峰流量和水深在匯口和突縮段均出現(xiàn)明顯衰減。針對(duì)上述的衰減現(xiàn)象,對(duì)李斯特萬(wàn)公式和謝任之公式進(jìn)行修正,在原式基礎(chǔ)上添加了折減系數(shù)以適用于復(fù)雜情況下的洪水計(jì)算。經(jīng)米堆冰湖潰決案例檢驗(yàn)表明:修正后的公式精度明顯提高,可作為一種與鐵路、公路選線原則方案確定階段精度要求相匹配的潰決洪水風(fēng)險(xiǎn)快速評(píng)估方法使用。

關(guān)鍵詞：支溝潰決洪水；水槽實(shí)驗(yàn)；修正公式；折減系數(shù).

我國(guó)是堰塞湖分布最廣、類型最多的國(guó)家，冰磧堰塞湖是其中最具威脅的類型之一。冰磧堰塞湖主要發(fā)育在高海拔的山區(qū)，如西藏就發(fā)育有冰磧堰塞湖925個(gè)，以冰磧松散堆積體為主要成分的冰磧堰塞壩，壩體穩(wěn)定性一般較差，較其他類型的冰湖更易潰決[1]。近年來(lái)，我國(guó)發(fā)生了多起支溝堰塞湖潰決引發(fā)的主河超常洪水災(zāi)害，造成巨大生命財(cái)產(chǎn)損失。例如：1981年西藏波曲河?xùn)|支支溝內(nèi)次仁瑪錯(cuò)兩次發(fā)生冰湖潰決，洪水沖毀中尼公路50 km[2]；2013年尼都藏布江的支溝中然則日阿錯(cuò)冰湖潰決，導(dǎo)致下游橋梁、道路等基礎(chǔ)設(shè)施遭到嚴(yán)重破壞，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)2.7億元[3]。支溝冰磧堰塞湖潰決洪水是我國(guó)鐵路、高速公路建設(shè)未應(yīng)對(duì)過(guò)的新風(fēng)險(xiǎn)[4]，此外，西藏地區(qū)的河道還往往具有寬窄相間的復(fù)雜形狀。因此推算潰決洪水在復(fù)雜情況下的演進(jìn)過(guò)程，對(duì)線路工程可能受災(zāi)范圍進(jìn)行預(yù)測(cè)，成為具有明確應(yīng)用背景的課題。

目前洪水演進(jìn)分析的方法可分為兩大類[5]。一類是水文學(xué)的方法，主要采用歷史洪水實(shí)測(cè)資料反算出數(shù)學(xué)模型中的參數(shù)，再來(lái)用作洪水演進(jìn)的預(yù)報(bào)，如馬斯京根法、特征河長(zhǎng)法等，但由于潰壩洪水比天然實(shí)測(cè)暴雨洪水大很多，故依據(jù)實(shí)測(cè)資料中反算出的參數(shù)，用以外延，往往效果不好。第二類是水力學(xué)的方法，又分為數(shù)值計(jì)算法和近似計(jì)算法兩種。數(shù)值計(jì)算法基于離散的基本原理(如特征線法、有限差分法、有限元法、有限體積法等)求解圣維南方程組的黎曼問(wèn)題，該方法理論較嚴(yán)密，可考慮較多因素，但需通過(guò)計(jì)算機(jī)編程計(jì)算，計(jì)算過(guò)程繁瑣復(fù)雜，前期工作多，所需時(shí)間長(zhǎng)。近似算法包括洪峰展平法、線性河道法、蓄槽關(guān)系法等，其中洪峰展平法(包括李斯特萬(wàn)公式、謝任之公式)使用便捷且相對(duì)精度較高，是目前我國(guó)潰決洪水快速演進(jìn)計(jì)算中使用最多，運(yùn)用較成熟的方法，但在支溝堰塞湖潰決導(dǎo)致主河洪水、以及河道呈寬窄相間形態(tài)等復(fù)雜情況時(shí)直接應(yīng)用該公式誤差太大。為此，通過(guò)水槽實(shí)驗(yàn)，研究了支溝潰決洪水入?yún)R主河與主河直接突發(fā)洪水的區(qū)別，以及河道突縮對(duì)潰決洪水的影響，對(duì)李斯特萬(wàn)公式和謝任之公式進(jìn)行修正，希望建立一套適用于復(fù)雜情況的潰決洪水演進(jìn)近似計(jì)算方法。

1水槽實(shí)驗(yàn)

1.1　實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)在西南交通大學(xué)水力學(xué)實(shí)驗(yàn)大廳內(nèi)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括：水循環(huán)系統(tǒng)、水槽系統(tǒng)及測(cè)量系統(tǒng)。水泵位于主槽下方，將主槽下儲(chǔ)存的水抽上來(lái)流入主槽模擬天然河水，最后從尾部流下回水渠循環(huán)使用。主槽長(zhǎng)10 m，寬3 m，入口處可放下?lián)醢逍钏?。距離上游口4.3 m的地方連接支槽，支槽下游1 m處進(jìn)入長(zhǎng)1 m、寬1.5 m的突縮段。支槽長(zhǎng)4 m，寬0.33 m，高0.55 m，支槽坡度為7‰。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。

圖1　實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ推矫?單位：cm)

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥⒄樟伺谅〔夭己拥烂锥阎劣衿斩蔚奶卣?，但不是完全按照具體河段設(shè)計(jì)。該段河道帕隆藏布主河和支溝寬度比約為5∶1、支溝與主河多為大角度相交、主河寬窄相間處河道壓縮比約為2∶1，模型設(shè)計(jì)考慮了這些特征。此外，模型主槽底部鋪有碎石和泥沙，邊壁一側(cè)為粗糙的磚塊；實(shí)驗(yàn)?zāi)M潰決方式為瞬時(shí)全潰，形成的大雷諾數(shù)湍流運(yùn)動(dòng)與堰塞湖潰決洪水運(yùn)動(dòng)方式相同。但是，帕隆藏布河道僅作為研究背景考慮，該實(shí)驗(yàn)仍屬相似率不嚴(yán)格條件下的一種概化模型實(shí)驗(yàn)。

測(cè)試方法：洪水流速采用示蹤劑法，水深采用高靈敏度的脈動(dòng)水壓力傳感器測(cè)量，流量通過(guò)所測(cè)得的洪峰流速和洪峰水位推算。潰決洪水演進(jìn)過(guò)程采用高速工業(yè)攝像機(jī)和高清單反相機(jī)進(jìn)行記錄。

1.2　實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)時(shí)先穩(wěn)定一定主河初始水深(以匯口處水深為參考值)，然后分別通過(guò)支槽蓄滿水后釋放模擬支溝潰決，主河用擋板擋住蓄水不同高度后瞬間釋放模擬不同庫(kù)容的主河潰決。具體實(shí)驗(yàn)方案如表1和表2所示。

表1　支溝潰決實(shí)驗(yàn)方案

表2　主河潰決實(shí)驗(yàn)方案

注：每組深度表示蓄水池的蓄水高度。

1.3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1.3.1支溝洪水與主河洪水差異分析

本文從下游同一位置(狹窄段)的流量和洪峰水位兩方面分析了同等潰決庫(kù)容下，支溝洪水和主河洪水對(duì)下游影響的差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

從表3看出，同等潰決庫(kù)容，支溝洪水在流量和洪峰水位上相比主河洪水都有一定衰減，衰減比在0.8和0.9左右?？梢娭蠞Q對(duì)下游的災(zāi)害影響比主河潰決小。根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，支溝洪水沖入主河瞬間，匯口處局部水位驟增，沖向?qū)Π逗笙蛏舷掠畏至鲾U(kuò)散，將洪峰一分為二，上游區(qū)域出現(xiàn)了短暫的雍水現(xiàn)象，向下分流的洪峰繼續(xù)演進(jìn)，這一擴(kuò)散現(xiàn)象起到了削峰作用，致使下游演進(jìn)洪峰流量和水深衰減。支溝洪水入?yún)R主河實(shí)況如圖2所示。

表3　主支溝洪峰流量比較

圖2　支溝洪水入?yún)R主河實(shí)況

1.3.2河道突縮對(duì)潰決洪水的影響分析

本實(shí)驗(yàn)在穩(wěn)定水流下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與前人研究結(jié)果能較好吻合[6]。

現(xiàn)研究在潰決洪水時(shí)河道突縮段對(duì)水流影響是否和穩(wěn)定水流下有差異，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算了兩種情況下水流在突縮段與突縮段前的流量和水深百分比值，結(jié)果如表4所示。

表4　寬窄段流量水深百分比值

穩(wěn)定水流的流量水深衰減為潰決洪水到達(dá)前河道局部阻力損失的結(jié)果。潰決洪水到達(dá)突縮段后流量水深衰減增大，且衰減程度與潰決總量和河道初始水深無(wú)關(guān)，大概在穩(wěn)定水流的基礎(chǔ)上流量多折減了0.6～0.7，水深多折減了0.8～0.9。根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，穩(wěn)定水流下突縮段流態(tài)相對(duì)平穩(wěn)，而潰決洪水在該處流態(tài)復(fù)雜、紊亂，部分水流被反彈，出現(xiàn)明顯的頂托現(xiàn)象，受頂托影響局部雍水嚴(yán)重，這一現(xiàn)象導(dǎo)致潰決洪水到達(dá)時(shí)局部阻力損失增大。

2支溝潰決引發(fā)主河洪水演進(jìn)近似計(jì)算方法

在潰決洪水演進(jìn)中，主要關(guān)心沿程的流量、水深、流速3個(gè)因素。本文提出的潰決洪水演進(jìn)近似計(jì)算方法：流量采用李斯特萬(wàn)公式計(jì)算，水深采用謝任之公式計(jì)算，流速利用已算得流量和水深推算。

2.1　李斯特萬(wàn)流量計(jì)算公式的修正

李斯特萬(wàn)公式

(1)

式中，QLM為當(dāng)潰壩最大流量演進(jìn)至距壩址L處時(shí)，在該處出現(xiàn)的最大流量；W為潰決的總庫(kù)容量；Qm為壩址處的潰壩最大流量；L為距壩址的距離；v為河道洪水期斷面最大流速，在有資料的山區(qū)可采用歷史上的最大值，如無(wú)資料，一般山區(qū)可采用3.0～5.0 m/s，半山區(qū)可采用2.0～3.0 m/s，平原區(qū)可采用1.0～2.0 m/s；K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，山區(qū)K=1.1～1.5，半山區(qū)K=1.0，平原區(qū)K=0.8～0.9。黃河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究所根據(jù)實(shí)際資料分析認(rèn)為[7]，式中的值應(yīng)取下列數(shù)值：山區(qū)河道，vk=7.15；半山區(qū)河道，vk=4.76；平原河道，vk=3.13。由原始推導(dǎo)[4]可知經(jīng)驗(yàn)系數(shù)與河道糙率、河流縱比降以及河床斷面指數(shù)(河床斷面形狀)等河道阻力因素相關(guān)。其中河道糙率表征邊界表面對(duì)水流阻力影響的各種因素的綜合系數(shù)，也是衡量河流能量損失大小的一個(gè)特征量，它與河床表面粗糙度、植被、河道彎曲、沉積和沖刷等因素有關(guān)[8-9]。

本文研究的支溝堰塞湖潰決引發(fā)主河洪水的情況，其物理過(guò)程為：支溝潰決洪水先在溝道中演進(jìn)，至溝口處入?yún)R主河，導(dǎo)致主河流量突然增加，形成洪峰，匯流后的主河洪水繼續(xù)演進(jìn)，洪峰逐步衰減。我們提出一種簡(jiǎn)化計(jì)算方法：將匯流后的主河洪水仍分為兩部分，其一，支溝潰決洪水；其二，匯流前的主河水流，一般情況下主河按穩(wěn)定水流考慮，即將沿程流量設(shè)為定值。這樣可主要關(guān)注支溝潰決洪水入?yún)R前后的演進(jìn)全過(guò)程，而入?yún)R后的主河流量，按二者相加處理。

潰決洪水在支溝內(nèi)演進(jìn)至溝口前，可直接利用式(1)計(jì)算。但式(1)未考慮其入?yún)R主河時(shí)的擴(kuò)散削峰作用以及到達(dá)河床突縮斷面時(shí)局部阻力損

失增大的影響，所以其在匯口以下的流量計(jì)算需要對(duì)式(1)進(jìn)行修正后再使用。提出修正公式如下

式中，Lj為匯口離潰口距離；Lsi為第i個(gè)寬闊河谷突縮區(qū)域距潰口距離(i=1、2、3…)；fj為匯口流量折減系數(shù)；fs為河道突縮流量折減系數(shù)。

現(xiàn)以圖1為例對(duì)公式的應(yīng)用進(jìn)行說(shuō)明：在計(jì)算支溝潰決洪水在匯口以下的流量時(shí)，將公式分為兩段，洪水演進(jìn)到斷面1和斷面2之間時(shí)，由于受到其入?yún)R主河時(shí)削峰作用的影響，流量會(huì)進(jìn)行一次折減，采用式(2)計(jì)算；洪水通過(guò)斷面2之后，還應(yīng)考慮突縮段對(duì)潰決洪水的影響，對(duì)流量進(jìn)一步折減，折減次數(shù)取決于通過(guò)的突縮段數(shù)量，采用式(3)計(jì)算。

2.2　謝任之水深計(jì)算公式的修正

謝任之公式

(4)

式中，A為河道斷面寬度；m為河床斷面指數(shù)；Hm0為壩址處的最大水深；Hmx為距壩址x處的最大水深；W為潰決的總庫(kù)容量；i0為河道縱比降;h0為河道初始水深。

該式與李斯特萬(wàn)公式同為洪峰展平法，具有相同的缺點(diǎn)，同理，提出修正公式

式中，hj為匯口水深折減系數(shù)；hs為寬闊河谷突縮水深折減系數(shù)。

3米堆冰湖潰決引發(fā)的帕隆藏布江洪水計(jì)算案例分析

帕隆藏布江是西藏東南部順構(gòu)造線發(fā)育的線性河流(圖3)。大支流多呈樹枝和羽毛狀，而干流多呈格子狀。流域內(nèi)無(wú)論是干流還是大支流，都呈寬窄相間，盆地眾多的特點(diǎn)。干流自上游向下有然烏、松宗、卡達(dá)等3個(gè)盆地。盆地之間多由峽谷或?qū)捁嚷?lián)結(jié)，如：然烏—松宗峽谷，波密—松宗寬谷，索通—通麥峽谷，通麥—排龍—河口峽谷等[10]。

圖3　帕隆藏布江地形圖

1988年7月15日23時(shí)30分米堆溝光謝錯(cuò)發(fā)生潰決[11]，6.4×106m3蓄水量的冰湖有5.4×106m3水體在13 h內(nèi)排走，潰口最大洪峰流量達(dá)1 270 m3/s，洪峰歷時(shí)0.5 h。根據(jù)水文資料記載[3]帕隆藏布江平均流速3 m/s，1988年平均流量為924.04 m3/s。本文利用上文修正公式計(jì)算了匯口至松宗鎮(zhèn)72個(gè)斷面的流量和洪峰水位，由于整個(gè)流域?yàn)樯钋袓{谷，將河道簡(jiǎn)化為矩形河槽，由曼寧公式得出匯口下游初始水深。匯口至每個(gè)斷面的河流縱比降和斷面寬度從1∶50 000的電子矢量地形圖獲取。

米美村、玉普鄉(xiāng)和宗壩村分別為3個(gè)寬闊河谷區(qū)域。潰決洪水依次在圖3所示4個(gè)斷面處進(jìn)行流量和水深折減，因?yàn)楹拥罃嗝嫱豢s變化比例與模型實(shí)驗(yàn)接近，折減系數(shù)直接取實(shí)驗(yàn)值，即fj取0.8，fs取0.7，hj和hs均取0.9。

洪水進(jìn)入帕隆藏布江后與主河匯合，流量突然增大后繼續(xù)沿主河道向下游演進(jìn)，經(jīng)折減最后到達(dá)松宗鎮(zhèn)流量只有1 035.21 m3/s，接近帕隆藏布江原有流量(924.04 m3/s)，河流趨于平穩(wěn)，可見米堆冰湖潰決洪水影響范圍大概在帕隆藏布流域下游60 km內(nèi)。支溝潰決洪水沿程流量如圖4所示。

圖4　支溝潰決洪水沿程流量

當(dāng)洪峰水位高于線路高程，線路即被淹沒(méi)水毀。通過(guò)DEM提取線路高程數(shù)據(jù)，利用修正后的謝任之公式計(jì)算沿程洪峰水位，水毀路段長(zhǎng)22.28 km；而使用傳統(tǒng)謝任之公式計(jì)算，水毀公路里程30 km，根據(jù)災(zāi)害調(diào)查資料[2]，米堆冰湖潰決洪水毀壞了沿程公路22 km，修正公式計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際情況。

流速反映了洪水對(duì)沿程線路、橋梁等工程設(shè)施的沖刷作用，可根據(jù)上文修正公式計(jì)算的洪峰流量和水深估算?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明沿途河道兩岸沖刷嚴(yán)重，尤其是峽谷段大段公路路基被沖毀，計(jì)算得到潰決洪水流速在狹窄段遠(yuǎn)大于寬闊段，表現(xiàn)出更大的沖刷作用，在狹窄段的斷面流速最大接近18 m/s，而在寬闊河谷斷面，流速僅有2 m/s，其余河段流速范圍多在5～10 m/s，斷面寬窄變化明顯的河段流速急劇變化，計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際情況。

4結(jié)論

(1)水槽實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，支溝潰決洪水入?yún)R主河會(huì)因?yàn)闆_到對(duì)岸向上游擴(kuò)散一部分而對(duì)洪水起到了削峰作用，導(dǎo)致下游洪峰流量及水深相比主河上同等庫(kù)容潰決的洪水明顯衰減；潰決洪水通過(guò)河道突縮段時(shí)，流態(tài)相比穩(wěn)定水流通過(guò)突縮段時(shí)更加紊亂復(fù)雜，局部阻力損失增大，流量及水深衰減程度更嚴(yán)重。

(2)針對(duì)支溝堰塞湖潰決引發(fā)主河洪水并在復(fù)雜河道行進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的衰減現(xiàn)象，對(duì)李斯特萬(wàn)公式和謝任之公式進(jìn)行了修正。通過(guò)米堆冰湖潰決引發(fā)帕隆藏布江洪水的案例分析，表明修正公式既能保持傳統(tǒng)公式方便快捷的特點(diǎn)，針對(duì)復(fù)雜情況下的潰決洪水計(jì)算又能提高精度，可作為一種與鐵路公路選線原則方案確定階段精度要求相匹配的潰決洪水風(fēng)險(xiǎn)快速評(píng)估方法使用。

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Research on Calculation of Main River Flood Triggered by Tributary Dammed Lake OutburstZHANG Yun-cheng1, YAO Ling-kan1,2,3, LI Zhi-yong1

(1.School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2.Road and Research

Institute, Sichuan Key Laboratory of Seismic Engineering and Technology, Chengdu, 610031 China;

3.MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Chengdu 610031, China)

Abstract：Outburst flood of tributary moraine dammed lakes is a new risk and the railway and highway construction have never dealt with it. In addition, Tibetan river channels have complex shapes with different widths and the error is too big when peak flattening method is used directly to calculate outburst flood. Based on the flume experiment, we find that when the tributary flood flows into the main river it is shunted and diffused, and the local resistance loss increases because of the flow disturbance when the flood arrives at the sudden contraction section in the channel; and the flow and peak water level attenuate significantly in that two sections. The Lee Stevan formula and Xie Renzhi formula are modified for the attenuation, and attenuation coefficients are added to original formulas to apply to complex situations of flood calculation. Midui moraine lake outburst illustrates that the modified formulas have higher accuracy and can be used for rapid assessment of outburst flood risk, which matches the accuracy requirements of the principle scheme of the railway line selection.

Key words：Outburst flood in tributary; Flume experiment; Modified formula; Attenuation coefficient

中圖分類號(hào)：TV87

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.006

文章編號(hào)：1004-2954(2016)02-0028-05

作者簡(jiǎn)介：張?jiān)瞥?1991—)，男，碩士研究生，主要從事鐵路公路災(zāi)害防治及安全技術(shù)，E-mail：269591907@qq.com。通信作者：姚令侃(1953—)，男，教授，博士，研究方向：鐵路公路工程災(zāi)害防治及安全技術(shù)，E-mail:yaolk@swjtu.edu.cn。

基金項(xiàng)目：中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃課題(2013G014-A-3、2014G004-A-6)；國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41030742)

收稿日期：2015-07-19； 修回日期：2015-07-28