土石壩漫頂潰壩模擬分析計(jì)算

李欽智

(新疆石河子市新疆瑪納斯河流域管理局， 新疆 石河子　832000)

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土石壩漫頂潰壩模擬分析計(jì)算

李欽智

(新疆石河子市新疆瑪納斯河流域管理局， 新疆 石河子832000)

本文對(duì)土石壩的潰壩模式進(jìn)行了簡(jiǎn)述，針對(duì)土石壩漫頂潰壩模擬分析的概化數(shù)學(xué)模型編制了計(jì)算程序，并結(jié)合大洼水庫(kù)潰壩的工程實(shí)例進(jìn)行數(shù)值模擬，與該工程實(shí)例的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較分析，進(jìn)一步說明土石壩漫壩計(jì)算過程中數(shù)學(xué)模型與假設(shè)對(duì)計(jì)算結(jié)果、精度、風(fēng)險(xiǎn)分析的重要性。

土石壩； 漫壩； 模型； 計(jì)算分析

1　引　言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，中國(guó)水利水電工程的建設(shè)也在訊速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前中國(guó)的土石壩數(shù)量居世界首位，而中國(guó)土石壩的年潰壩概率也從以前遠(yuǎn)超世界其他國(guó)家逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜐温蕠?guó)家[1]。資料顯示，土石壩的潰壩主要由兩方面造成：?洪水等原因引起的漫壩，導(dǎo)致壩體坍塌破壞而造成潰壩；?壩基等滲透破壞，逐漸造成壩體滲漏最終導(dǎo)致土石壩的滲透潰壩。本文主要研究土石壩漫頂潰壩時(shí)潰口的流量過程變化。土石壩的潰決屬于逐漸潰決，漫頂潰決時(shí)間可能持續(xù)若干小時(shí)，潰壩洪水流量逐步增大，至峰值流量后逐步減小。潰口洪水流量過程決定了對(duì)下游影響的范圍和程度，通過對(duì)潰口形狀的假設(shè)，用數(shù)學(xué)模型來概化描述潰口及洪水的發(fā)展過程，為實(shí)際工程中的洪水過程預(yù)測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)分析提供依據(jù)。

潰壩的發(fā)生、發(fā)展和潰決程度等受到多種因素(如潰壩原因、壩體尺寸和材料、庫(kù)容及下游水位等)影響，模擬難度非常大。盡管如此，在過去幾十年中，中國(guó)在土石壩的潰壩模擬領(lǐng)域取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，出現(xiàn)許多新的研究成果，如：潰口發(fā)展模式、潰決機(jī)理、大尺度物理模型實(shí)驗(yàn)成果等。土石壩潰決模型可分為兩大類。第一類主要利用一些關(guān)鍵參數(shù)(如：潰口歷時(shí)、潰口最終寬度等)，通過簡(jiǎn)單的時(shí)變過程(如：潰口尺寸的線性發(fā)展假設(shè))模擬潰口的發(fā)展；還有一些模型通過建立庫(kù)容等關(guān)鍵參數(shù)與潰口發(fā)展速度、最大潰壩洪水流量之間的回歸方程來模擬潰壩過程?？偟膩碚f這類模型較簡(jiǎn)便，對(duì)數(shù)據(jù)輸入要求較少，使用較方便，但由于未涉及實(shí)際的潰壩機(jī)理，精確度較低，故此類模型僅可用于初步計(jì)算。第二類模型通過結(jié)合水力學(xué)、泥沙、土力學(xué)等學(xué)科的綜合知識(shí)構(gòu)建一個(gè)時(shí)變過程以模擬實(shí)際的潰壩過程和潰壩洪水過程線，比較典型的有P-T模型、BEED模型和BREACH模型等[2]。

2　土石壩潰口概化模擬分析

2.1潰口流量概化過程及其驗(yàn)證

鄧剛等[8]提出了基于假設(shè)的潰口流量概化模型，模型基于如下假設(shè)：?潰口形狀假定為倒梯形；?以恒定值的材料沖刷速度作為潰口深度發(fā)展的控制指標(biāo)；?假設(shè)潰口達(dá)到洪峰流量時(shí)潰口深度停止發(fā)展；?采用寬頂堰流量公式計(jì)算潰口流量。

考慮到潰口開始及潰壩結(jié)束時(shí)均存在一個(gè)漸進(jìn)過程，即潰口流量增長(zhǎng)并非在潰壩開始時(shí)就達(dá)到一定速度，而潰壩結(jié)束時(shí)，流量也是緩慢減小，直至與水庫(kù)入流逐步達(dá)到一致，本文對(duì)上述模型[8]的假設(shè)進(jìn)行了一定調(diào)整，將達(dá)到峰值前后的土石壩潰口流量過程線分別概化為不同的二次函數(shù)過程，以在繼續(xù)保證模型簡(jiǎn)潔性的同時(shí)改善模型的數(shù)值特性，使?jié)瘟髁窟^程線兩端光滑可導(dǎo)，以便在分析中與原流量過程無縫連接。具體過程如下：

當(dāng)0

(1)

當(dāng)t1

(2)

設(shè)潰壩全過程中水庫(kù)水量變化值為ΔV，則

(3)

即

(4)

全過程水量平衡可知出庫(kù)洪量等于入庫(kù)洪量與庫(kù)容減少量之和，可得：[8]

(5)

(6)

代入式(1)可得：

(7)

同理，潰口平衡以后:

(8)

即

(9)

綜上，潰口發(fā)展的全過程可概化為：

(10)

2.2迭代算法的驗(yàn)證

本文所描述潰壩流量計(jì)算過程具體算法流程圖見圖1。

圖1　潰壩流量過程線計(jì)算流程

將此計(jì)算模型代入以下工程實(shí)例[3]當(dāng)中計(jì)算，大洼水庫(kù)潰壩時(shí)，一些實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬參數(shù)見表1、表2。

表1　潰壩實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

表2　大洼水庫(kù)漫頂潰壩過程數(shù)值模擬參數(shù)表[3]

注H為壩高；W為壩頂寬度；S為下游坡比；B0為初始潰口寬度；Hco為初始潰口深度；Qc為上游入庫(kù)流量；d50為平均粒徑；d90/d30為粒徑比；n為壩體孔隙率；γs為壩體顆粒重度；φ為壩體內(nèi)摩擦角；θ為壩體下游坡角；c為壩體黏聚力，m為流量系數(shù)。

通過此數(shù)學(xué)模型編制的程序?qū)ι鲜龉こ虒?shí)例進(jìn)行計(jì)算可得:

t1=721.305s,z1=6.81478m,H1=9.7m,Qp=54.304m3/s,H2=7.958m,t2=2863.1s。根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)得出的潰口流量過程曲線見圖2。

圖2　潰口流量過程線

計(jì)算流量過程與模型實(shí)測(cè)結(jié)果在規(guī)律上較為一致，計(jì)算潰口峰值流量Qp=54.304m3/s。略大于實(shí)測(cè)峰值流量Q=42.25m3/s,計(jì)算峰值流量出現(xiàn)在721s,而實(shí)測(cè)峰值出線在800s左右，數(shù)據(jù)較為接近，當(dāng)潰口結(jié)束時(shí)計(jì)算時(shí)間約為47min,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中潰口結(jié)束發(fā)展的時(shí)間為45min，具有較小誤差。計(jì)算潰口流量過程線中右側(cè)趨于定值是因?yàn)樵Ｐ图僭O(shè)中潰口最終狀態(tài)是進(jìn)出水量達(dá)平衡狀態(tài)，曲線最終趨于定值，而實(shí)測(cè)潰口數(shù)據(jù)為停止進(jìn)水，故實(shí)測(cè)流量過程線中曲線最終Q為零。模型計(jì)算圖像的整體趨勢(shì)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相似，故可說明模型在實(shí)際工程計(jì)算中是可用的，且具有較高準(zhǔn)確度。

3　結(jié)　語(yǔ)

本文對(duì)潰口及洪水水流進(jìn)行假設(shè)，以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)編制程序?qū)ν潦瘔蔚臐⒖诤樗髁窟M(jìn)行了模擬計(jì)算，并對(duì)模型模擬計(jì)算的結(jié)果進(jìn)一步進(jìn)行計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)影響潰口流量及峰值出現(xiàn)時(shí)間的兩個(gè)重要因素為潰壩的來水流量及土石壩壩體下游坡角。這兩個(gè)因素分別從壩體外部洪水的影響和壩體自身兩個(gè)方面描述出了土石壩漫壩潰壩的重要原因，同時(shí)提醒我們?cè)谶M(jìn)行土石壩的潰壩分析時(shí)要對(duì)洪水、土石壩自身材料、結(jié)構(gòu)進(jìn)行著重分析。

該模型及程序可以較好地運(yùn)用到梯級(jí)水庫(kù)防洪應(yīng)急調(diào)度及風(fēng)險(xiǎn)分析當(dāng)中，通過兩個(gè)模型對(duì)同一工程實(shí)例的模擬計(jì)算分析，說明程序具有較高準(zhǔn)確度。

綜合對(duì)模型計(jì)算時(shí)的調(diào)試過程，土石壩的漫頂潰壩受到外來洪水及土石壩壩體自身的影響，也對(duì)土石壩在設(shè)計(jì)及建造過程提出了建議。在土石壩的設(shè)計(jì)建造過程中應(yīng)該充分分析水文條件的影響，并對(duì)土石壩設(shè)計(jì)、施工的質(zhì)量提出更高的要求。同時(shí)需要對(duì)潰壩模擬分析進(jìn)行更深層次研究，以便可以更準(zhǔn)確、更形象地描述土石壩漫壩時(shí)潰口的發(fā)展過程，并能更好地對(duì)梯級(jí)水庫(kù)群潰壩風(fēng)險(xiǎn)分析做出貢獻(xiàn)。

[1]水利部大壩安全管理中心.全國(guó)水庫(kù)垮壩登記冊(cè)[Z].南京：水利部大壩安全管理中心，2008.

[2]姚志堅(jiān)，彭瑜.潰壩洪水?dāng)?shù)值模擬及其應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2013.

[3]陳生水.土石壩潰決機(jī)理與潰壩過程模擬[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2012.

[4]錢寧，萬兆惠.泥沙動(dòng)力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，1999.

[5]韓其為，何明民.泥沙起動(dòng)規(guī)律及起動(dòng)流速[M].北京：科學(xué)出版社，1999.

[6]SINGH V P.Dam breach modelling technology[M].Dordrecht:Kluwer Academic Publishers，1996.

[7]李家星，趙振興.水力學(xué)[M].南京：河海大學(xué)出版社，2001.

[8]鄧剛.土石壩漫頂潰口洪水過程概化計(jì)算模型[A].中國(guó)大壩協(xié)會(huì).高壩建設(shè)與運(yùn)行管理的技術(shù)進(jìn)展——中國(guó)大壩協(xié)會(huì)2014學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].北京：中國(guó)大壩協(xié)會(huì)，2014.

Simulation analysis and calculation of earth-rock dam overtopping failure

LI Qinzhi

(XinjiangShiheziXinjiangManasiRiverBasinAdministration,Shihezi832000,China)

In the paper, dam failure mode of earth-rock dam is introduced briefly. Computing procedure is formulated aiming at the generalization mathematical model of earth-rock dam overtopping failure simulation analysis. In addition, the engineering example of Dawa Reservoir dam failure is combined for numerical simulation. The data is comparatively analyzed with measured data in the engineering example. The importance of mathematical models and assumptions on calculation results, precision and risk analysis in the process of earth-rock dam overtopping calculation is further described.

earth-rock dam; overtopping; model; calculation and analysis

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.09.009

TV641

B

1005-4774(2016)09- 0033- 03