永定橋水庫潰壩洪水計算及對下游影響分析

崔鵬，祝文靜

（1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，鄭州450003；2.鄭州黃河河務(wù)局惠金黃河河務(wù)局，鄭州450045）

永定橋水庫潰壩洪水計算及對下游影響分析

崔鵬1，祝文靜2

（1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，鄭州450003；2.鄭州黃河河務(wù)局惠金黃河河務(wù)局，鄭州450045）

四川省地震多發(fā)區(qū)修建的水庫，在地震等因素作用下，有可能會產(chǎn)生潰壩。結(jié)合四川山區(qū)實(shí)際，優(yōu)選潰壩洪水計算與洪水演進(jìn)模型，并以四川省漢源縣流沙河永定橋水庫為例，分析確定相關(guān)參數(shù)，分析指出水庫潰壩形態(tài)以全潰為主，具有潰壩洪水量極大、洪水演進(jìn)迅速的特點(diǎn)，采用DAMBRK潰壩模型及一維水動力學(xué)模型進(jìn)行潰壩模擬和洪水演進(jìn)分析。研究不僅可為永定橋水庫制定大壩安全管理應(yīng)急預(yù)案提供技術(shù)支撐，也為該地區(qū)水庫潰壩洪水及其影響分析提供參考借鑒。

潰壩模型；洪水演進(jìn)；影響分析

1 引言

潰壩洪水由于其突發(fā)性與破壞性極強(qiáng)，往往給下游造成毀滅性災(zāi)害，是危害極大的災(zāi)害現(xiàn)象。在四川省，處于地震帶上的水庫，存在一定的潰壩風(fēng)險，潰壩洪水一旦發(fā)生，將對下游人民的生命財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。為了預(yù)估潰壩洪水帶來的影響，并提早采取相應(yīng)的措施，將洪水災(zāi)害造成的影響減小到最小程度，有必要進(jìn)行潰壩洪水計算。

水庫潰壩洪水及其演進(jìn)分析是編制水庫大壩安全管理應(yīng)急預(yù)案的基礎(chǔ)，是水庫大壩發(fā)生突發(fā)性安全事故時避免或減少人員傷亡的重要非工程措施。論文以具有較強(qiáng)代表性的四川省漢源縣流沙河永定橋水庫為例，對川西山區(qū)水庫潰壩洪水計算及洪水演進(jìn)進(jìn)行分析。

2 水庫概況

永定橋水庫位于四川省雅安市漢源縣，在大渡河一級支流流沙河上，集水面積143km2。水庫校核標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇，

相應(yīng)洪峰流量722m3/s。大壩為碾壓混凝土重力壩，壩體剖面為三角形，壩頂長度161m，壩頂高程為1545.50m，防浪墻頂高程1546.70m，水庫總庫容1659×104m3，工程任務(wù)為供水，水庫至大渡河口河道長度約41km[1]。

3 潰壩洪水計算

3.1 邊界條件

潰口參數(shù)主要是指口門的形態(tài)和潰口形成的時間。潰口形成的影響因素很多，但對其形成的物理機(jī)制尚不清楚。據(jù)資料統(tǒng)計，潰壩原因由于洪水超過工程泄洪能力而導(dǎo)致潰壩的約占35%，設(shè)計施工缺陷占40%，滲漏、管涌、沉陷、滑坡等原因占25%[2，3]。

3.1.1 潰壩因素

永定橋水庫壩型為碾壓混凝土重力壩，具有強(qiáng)度高、防滲性好、頂部可溢流等特點(diǎn)?？紤]本工程區(qū)地理位置，潰壩因素主要為超標(biāo)準(zhǔn)地震、超標(biāo)準(zhǔn)洪水、上游及庫岸發(fā)生滑坡形成的堰塞體潰決。

3.1.2 潰壩時水位

漫頂潰壩水位一般取壩頂高程加最大漫頂高度，即：

式中，Z漫頂為漫頂潰壩時的水庫壩前水位，m；Z壩頂為壩頂高程，m，本次取防浪墻頂高程1546.7m；h漫頂為漫頂高度，m。

Singh等[4]1982）利用20個潰壩實(shí)例首次定量評估了漫頂高度，在0.15～0.61m之間?？紤]本工程為碾壓式混凝土重力壩，壩頂泄流能力較強(qiáng)，因此，本次分析漫頂高度取1m，即采用1547.7m作為水庫潰決時的漫頂潰壩水位。

圖1 永定橋水庫潰壩洪水過程線

3.2 潰口洪水計算

永定橋水庫潰壩洪水計算采用美國國家氣象局DAMBRK潰壩洪水計算數(shù)學(xué)模型。模型以潰壩歷時和潰口最終形狀及尺寸為輸入數(shù)據(jù)，假定潰口底部從一個點(diǎn)開始，其寬度以線性速率在整個歷時內(nèi)增長，一直到潰口最終寬度，同時潰口的底部高程也不斷發(fā)展，直到最終位置。根據(jù)流體力學(xué)理論計算壩址泄水過程。該模型通過調(diào)洪演算法和水力學(xué)動力演算法，考慮水位的消落和入庫流量過程的影響，用堰流公式結(jié)合Newon-Raphon迭代法計算潰壩泄流過程。漫壩的潰壩洪水由寬頂堰流公式計算，考慮行進(jìn)流速及下游水位對堰流可能產(chǎn)生的淹沒影響。

根據(jù)永定橋水庫大壩潰決參數(shù)，向DAMBRK模型輸入潰口高程、寬度、邊坡的幾何形態(tài)及其隨時間變化的過程?？紤]到本次分析為瞬時全潰，最大潰口形成時間設(shè)定為8min，并假定8min內(nèi)呈線性擴(kuò)大。同時，向模型輸入水庫庫容曲線、入庫流量等邊界條件，計算步長取1s。

永定橋水庫的各方案潰壩時壩址處洪峰流量極大（見圖1），且潰壩時水位越高，洪峰流量越大。在漫頂水位情況下潰決的洪峰流量為26 000m3/s，在位于正常蓄水位時全部潰決的洪峰流量為19 800 m3/s，在位于正常蓄水位情況下半潰的洪峰流量為14 300m3/s。經(jīng)分析，水庫大約在30min時泄空，各方案潰口處洪水過程線如圖1所示，最大洪峰流量見表1。

表1 永定橋水利工程首部樞紐潰壩洪峰流量成果表

3.3 潰壩洪水的傳播

永定橋水庫下游的流沙河河道斷面形狀窄深，基本為U形河谷，從數(shù)學(xué)模型研究的意義考慮，該段河流的水流表現(xiàn)為比較典型的一維特征，模型計算采用一維水流模型。

AMBRK模型采用水力學(xué)方法或水文擴(kuò)散法進(jìn)行潰壩洪水向下游的的演進(jìn)計算，基本方程為圣維南一維非恒定流方程式[5]：

式中：x為順?biāo)鞣较虻木嚯x,m；t為演進(jìn)時間，min；A為主河槽過水面積，m2；A0為灘地過水面積，m2；q為沿河道單位距離的側(cè)向入流或出流流量，m3/s；Sf為摩阻比降；Se為局部損失比降。該模型以有限差分代數(shù)方程表示偏微分方程，采用Presimann四點(diǎn)偏心隱格式對方程進(jìn)行求解，可得到任一時刻的水位h值和流量Q。

在用差分法求解非恒定流方程時，須求出初始時刻（t=0）各斷面的水位h和流量Q，本模型假定初始時刻為恒定非均勻流，各斷面的初始流量由式（4）計算：

式中，Qi為i斷面處的流量，m3/s；Qi-1為i-1斷面處的流量，m3/s；qi-1為i-1～i斷面間支流初始時刻入流量，m3/s，（i=2,3，…，N）。

初始時刻的水位由式（5）計算：

式中，A為過水面積，m2；B為過水?dāng)嗝骓攲?，m；n為糙率；Δx為斷面間距，m；i為斷面號；g為重力加速度，m/s2。式（5）用Newton-Raphson法求解：首先由曼寧公式求出下游末端水位，由于流量和河道幾何斷面形狀已知，故可求得末端水位[6]。

圖2 永定橋下游河道沿途潰壩洪峰流量

圖3 永定橋水庫潰壩洪水坦化圖

潰壩洪水在向下游的演進(jìn)過程中，受沿程地形地物影響及河槽的作用，潰壩洪水過程線將發(fā)生變形。計算結(jié)果表明，各方案的洪峰流量自壩址向下游逐漸衰減，洪水過程逐漸坦化，衰減和坦化速度由快到慢（見圖2、圖3）。

對于漫頂水位時全潰的方案3，壩址最大潰壩流量為26000m3/s，經(jīng)向下游傳播，隨著衰減速度逐漸放緩，潰壩洪水于河西鄉(xiāng)金龍橋（距永定橋水庫41km處）附近進(jìn)入瀑布溝水電站庫區(qū)，入庫洪峰流量約3510m3/s左右，詳見表2。

表2 永定橋水庫潰壩洪水沿程最大流量成果表

潰壩洪水水位高程如表3所示。

表3 永定橋水庫潰壩洪水沿程最高水位成果表m

4 合理性分析

潰壩洪水經(jīng)驗(yàn)公式——肖克利契公式在瞬時局部潰壩計算中運(yùn)用較多。當(dāng)大壩潰到河床底部時其公式如下：

式中，Qm為潰壩時壩址處最大流量，m3/s；h0為潰壩前的壩前水深，m，本此分析采用潰壩水位減潰口底高程，m；B為壩址斷面的平均寬度，m；b為潰口寬度，取壩址斷面平均寬度，m。

按照前述條件對永定橋水庫壩址潰壩洪峰流量進(jìn)行計算，成果如表4所示，與DAMBRK模型成果相近。

表4 永定橋水庫潰壩洪峰流量成果比較表m3/s

5 結(jié)論

1）永定橋水庫正常運(yùn)行期發(fā)生潰決時，壩前最大洪峰流量可達(dá)約19800m3/s，隨后向下游逐漸衰減，至河西鄉(xiāng)金龍橋處進(jìn)入瀑布溝水庫庫區(qū)，入庫洪峰流量2540m3/s。

2）永定橋水庫潰決后，12min到達(dá)下游10km的宜東鎮(zhèn)海亭村，30min到達(dá)下游20km的富莊鎮(zhèn)，80min到達(dá)下游30km的九襄鎮(zhèn)，122min進(jìn)入下游41km的瀑布溝水庫庫區(qū)。

3）由于目前對無法對地震進(jìn)行有效預(yù)測，但可對其他類型的地質(zhì)災(zāi)害有效地預(yù)警，因此，需建立充足的預(yù)警措施，加強(qiáng)對水庫庫區(qū)的巡查和觀測工作，如發(fā)現(xiàn)潛在的地質(zhì)災(zāi)害危險，應(yīng)及時降低水庫水位，通知淹沒范圍內(nèi)群眾迅速轉(zhuǎn)移至安置場所，直至危險排除解決。潰壩發(fā)生后，水庫洪水傳播至瀑布溝庫區(qū)僅為140min，應(yīng)組織危險區(qū)內(nèi)群眾盡快撤離。

【1】黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司.永定橋水利工程初步設(shè)計[R].鄭州：黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，2013.

【2】水利部水利管理司.全國水庫垮壩登記冊(1981—1990)[Z].北京：水利部，1993.

【3】謝任之.潰壩水力學(xué)[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，1989.

【4】Singh,K.P.,and Snorrason,A.1982.“Sensitivity of out flow peaks and flood stages to the selection of dam breach parameters and simulation models.”State Water Survey(SWS)Contract Rep.No.288,Illinois Dept. of Energy and Natural Resources,SWS Division,Surface Water at the Univ.of Illinois.2-8.

【5】芮孝芳.水文學(xué)原理[M].北京：中國水利水電出版社，2004.

【6】李煒，等.水力計算手冊[K].北京:中國水利水電出版社，2006.

Analysis on Flood Calculation and Impact on Downstream of Dam-Break of Yongding Bridge Reservoir

CUI Peng1,ZHU Wen-jing2
(1.Yellow River Engineering Consulting Co.Ltd.,Zhengzhou 450003,China；2.Yellow River Bureau of Huijin,Zhengzhou,Zhengzhou 450003,China)

Under the factors such as earthquakes,dam-break is easy to happen to the reservoirs in earthquake-prone areas of Sichuan.Combined with the reality in Sichuan mountains,dam-break flood calculation and flood evolution model are optimized.Taking Yongding bridge reservoir of Liusha River in Hanyuan County,Sichuan Province as an example,the related parameters are analyzed and determined.The analysis indicates that the dam-break is mainly total dam-break with the characteristics of huge-volume flood and high-speed evolution.DAMBRK model and one-dimensional hydrodynamic model are adopted to simulate the dam-break and flood evolution.The research can not only provide technical support for contingency plans of dam safety management of Yongdingqiao reservoir,but also provide reference for dam-break flood and its impact in this area.

dam-break model;flood evolution;influence analysis

TV133.2；TV122+.4

A

1007-9467（2016）11-0082-04【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.139

2016-10-11

崔鵬（1982～），男，河南鄭州人，工程師，從事水文分析及研究。