考慮漫溢過程的一維堤防潰決分洪計算研究

張濤 單既連 亓立云 胡方

摘要：以平原河道梁濟運河為例，考慮漫溢過程進行河道堤防潰決分洪計算。對于由缺口漫溢演變?yōu)闈⒌痰牡谭罎Q，簡化為先漫溢、后潰堤的兩階段潰決過程，河道洪水演進采用MIKE11 -維水動力模型，潰決分洪按側(cè)堰自由出流計算。在既定的水力條件及假定潰口尺寸條件下，計算漫溢、漫潰、瞬潰等3種潰決形式的分洪流量、水位過程，相對于一階段的瞬潰方案，二階段的漫潰方案的潰決分洪水量較大、潰決時間較長，較符合河道堤防潰決發(fā)展過程。

關(guān)鍵詞：漫潰聯(lián)算；漫溢；平原河道；MIKE11

中圖分類號：TV131

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.06.012

堤防工程是河道防洪工程體系的重要組成部分，通過修建堤防可有效順導水流，避免河道洪水淹沒兩岸區(qū)域。在堤防缺口段、險工段，存在發(fā)生洪水漫溢或堤防垮塌的可能性，堤防潰決將給沿岸地區(qū)帶來人民生命及財產(chǎn)損失。目前在大壩潰決演變機理1、潰決洪水一維及二維演進[2.3]等方面研究成果較多，在河道堤防潰決方面，張秀勇[4]研究了黃河下游堤防沖刷破壞機理，房殿榮[5]通過土體沖刷試驗分析河道堤防潰口破壞過程。鑒于河道堤防潰決事件較少，以及受堤防材質(zhì)、水文水力條件等不確定性因素影響，常對潰決演變過程、潰決尺寸等進行簡化或假定[6]。本文以平原河道梁濟運河為例，假定潰口尺寸，考慮缺口漫溢過程進行潰堤分洪計算，分析比較漫潰與漫溢、瞬潰等潰決形式的分洪流量、水位過程。

1 潰決形式

根據(jù)堤防潰決發(fā)生原因，潰決可分為三大類：一是漫溢潰決[4]，當洪水位超過堤頂或堤防缺口時，形成洪水漫溢：二是滲透潰決，洪水水力滲透導致堤防發(fā)生滲水、管涌、流土等，逐步形成潰口，造成潰決[4]；三是沖刷潰決，如在急流段、彎道險工段，洪水沖刷淘空堤身逐步形成潰口，造成堤防潰決。實際堤防潰決發(fā)展過程中，各潰決形式常常相互伴隨發(fā)生，如當?shù)谭廊笨诎l(fā)生洪水漫溢時，隨著洪水長時間沖刷缺口兩側(cè)邊坡及缺口底部，缺口可能會逐漸擴大，形成大規(guī)模潰決；在彎道水流沖刷堤防過程中，洪水同時會滲透堤防，造成堤防失穩(wěn)垮塌。

根據(jù)潰決發(fā)展過程，潰決可分為瞬潰和漸變潰。受地震等因素影響，可能會導致堤防瞬間垮塌潰決：河道堤防多為土質(zhì)堤防，潰口通常為逐步發(fā)展形成，潰決一般為漸變潰。

2 考慮漫溢過程的堤防潰決分洪模型

2.1 漫潰發(fā)展過程

相對于山丘河道，平原河道一般比降較小、洪水流速較小，堤防受洪水瞬間沖垮破堤的現(xiàn)象較少。平原河道岸線多為地上土質(zhì)堤防，鑒于河道沿線居民生產(chǎn)耕作以及交通要求，部分堤段常留有過路缺口，或地面局部沉降塌陷導致部分堤段下沉形成大段缺口7，在遭遇大洪水時缺口段可能發(fā)生洪水漫溢。隨著漫溢水流不斷沖刷，缺口或者基本維持現(xiàn)狀尺寸，即漫溢不潰：或者缺口縱向發(fā)展，加大潰決深度：或者缺口橫向發(fā)展，造成缺口兩翼堤坡垮塌，由漫溢演變?yōu)闈⒌獭Q過程受筑堤土料、修筑質(zhì)量、坡面防沖設施以及洪水水力條件等因素影響。為簡化計算，潰口及漫溢口形狀均假定為矩形，漫溢及漫潰形式見圖1。

對于由漫溢演變?yōu)闈⒌痰臐Q，本文簡化為兩階段的漫潰過程，即先漫溢、后潰堤。在潰堤前為漫溢過程，即自由出流：在水位達到保證水位時刻瞬間潰堤，其中，保證水位根據(jù)河道現(xiàn)狀防洪能力確定，當洪水位達不到保證水位時則確定潰堤在洪峰來臨時刻瞬間潰堤。

2.2 潰決高程及寬度

（1）漫溢口。為簡化計算，漫溢口根據(jù)現(xiàn)狀缺口過水斷面尺寸等效概化為矩形。漫溢底高程Zf取缺口處底高程，不低于堤外附近地面高程：漫溢寬度B_f，近似按以下公式計算：式中：A_g為缺口過水斷面面積，m2；Z_d為堤頂高程，m。

（2）潰口。潰口底高程Z_b，不低于堤底高程，不低于堤外附近地面高程。潰口寬度結(jié)合經(jīng)驗公式及專家咨詢意見綜合確定，文獻[8]推薦的匯流點處潰口寬度B_b經(jīng)驗公式為

B_b=4.5（lgB）^3.5+50

（2）式中：B為河道寬度，m。

2.3 水力計算方法

（1）河道洪水演進。根據(jù)洪水源匯過程，采用MIKE 11 一維非恒定流水動力模型[9]進行洪水演進計算。該模型基于圣維南方程求解，其連續(xù)方程、動量方程分別為式中：A力河道過水斷面面積，m2；Q為流量，m3/s；u為側(cè)向來流在河道方向的流速，m/s；t為時間，s；x為沿水流方向的水平坐標；g為河道的側(cè)向來流量，m3/s；α為動量修正系數(shù)；g為重力加速度，m/s2；y為水位，m；S_f為摩阻坡降。

該模型使用6點abbott -lonescu格式隱式差分離散圣維南方程組[9]，適應于分汊型河道等復雜河網(wǎng)的水力計算，模型計算精度較高，收斂性較好[3]。

（2）潰決分洪流量。當潰口底高程低于堤外周圍區(qū)域高程時，影響潰口分洪出流形態(tài)，易形成淹沒出流：當潰口底高程高于周圍地面時，潰決洪水能向周邊區(qū)域順利下泄，潰決洪水流態(tài)基本為自由出流。本次研究均采用側(cè)堰公式[10]計算分洪流量過程，公式為式中：m為自由溢流的流量系數(shù)；σ為淹沒系數(shù)；Q_b為決口處出_：流流量，m3/s；Z為決口處河道水位，m；Z_b為潰口底高程，m；b為潰決寬度，m。

（3）漫溢潰堤分洪聯(lián)合計算。漫溢及潰堤分洪過程采用MIKE11中的側(cè)向潰壩模塊模擬。將潰口處的堤防視為漫溢口，即堤防長度設為漫溢口寬度，堤頂高程設為漫溢高程，漫溢洪水為自由出流：當水位達到保證水位或洪峰來臨時刻開始潰堤，將潰口初始形狀及終止形狀均設為同一潰口形狀，即在潰堤開始瞬間，潰口底高程及潰口寬度瞬間形成，潰堤洪水為自由出流。

3 潰決分洪實例計算

3.1 河道情況

梁濟運河是山東省南四湖流域北部地區(qū)一條承擔防洪排澇、輸水航運等任務的骨干河道，于流全長87.8km，流域面積3 306 km2。該河道為季節(jié)性平原河道，洪水主要由當?shù)乇┯晷纬?，洪水漲落比較緩慢，匯集消退時間較長。流域內(nèi)地形基本為北高南低，干流堤頂高程在20 a-遇洪水位以上1～3 m，支流鄆城新河口段堤防防洪標準相對較低，堤防較單薄，為土質(zhì)堤防：同時，堤防存在道路缺口，缺口處路基為土路結(jié)構(gòu)。在于流樁號42+030鄆城新河口設置1處潰口（見圖2）。

3.2 漫溢口及潰口尺寸

（1）漫溢口?，F(xiàn)狀缺口呈不規(guī)則梯形，缺口上部寬約為55 m，下部寬約為42 m，缺口底最低處高程為38.5 m。根據(jù)斷面尺寸概化方法，并適當考慮缺口受洪水沖刷不斷擴大等因素，確定漫溢口寬度為50 m，漫溢口底高程為38.5 m。

（2）潰口。根據(jù)式（2）計算潰口寬度為164 m，考慮到歷次堤防加固情況并結(jié)合專家咨詢意見，確定潰口寬度為120 m，潰堤底高程為37.7 m。

3.3 計算方案

（1）計算方案。為分析不同潰決形式下的分洪過程，設定漫溢、漫潰及瞬潰3種潰決計算方案，其中瞬潰方案假定堤防按純潰堤形式，不考慮缺口漫溢過程，當水位達到保證水位或洪峰來臨時刻時瞬間潰堤。洪水計算頻率選取20 a一遇、50 a一遇標準。

（2）水力參數(shù)。對梁濟運河0+000-86+800河段建立MIKE 11一維水動力模型，設置河道、洪水、建筑物、糙率等參數(shù)。河道斷面間距為100～200 m；設置流暢河、鄆城新河等主要支流的洪水設計過程為洪水匯人點源，閘壩均按敞泄控制。河道采用分區(qū)糙率，河槽糙率為0.023、灘地糙率為0.035。20 a一遇、50 a一遇洪水河口起始水位分別為36.29、36.79 m。梁濟運河現(xiàn)狀防洪標準基本達到20 a一遇洪水標準，河道保證水位采用20 a一遇洪水設計水位，其中鄆城新河斷面處保證水位為40.08 m。

3.4 計算結(jié)果

20 a一遇洪水（p=5%）、50 a一遇洪水（p=2%）下的潰決流量、水位過程見圖3～圖6。

按照漫潰方案，在20 a一遇洪水下，隨著河道水位的增高，先發(fā)生漫溢：當洪峰來臨時，由漫溢瞬間演變?yōu)闈⒌?，潰口過水斷面瞬間擴大，潰決流量為最大，與瞬潰方案同時潰決：隨著洪水的消退，潰決流量逐漸減小直至為零。在50 a-遇洪水下，隨著河道水位的增高，先發(fā)生漫溢：當河道水位超過保證水位時，由漫溢瞬間演變?yōu)闈⒌?，潰口過水斷面瞬間擴大，潰決流量急劇加大，形成初次潰決洪峰：在洪峰時刻分洪流量達到最大，形成二次潰決洪峰：隨著洪水的消退，潰決流量逐漸減小直至為零。

3.5 分洪參數(shù)分析

漫溢、漫潰及瞬潰方案的潰決特征值見表1。漫潰方案的潰決流量、水位過程見圖7。

（1）潰決發(fā)展過程。同一量級洪水下，漫潰方案的潰決時長為最長。漫潰與漫溢方案中，漫溢階段的分洪流量、水位過程均一致：漫潰與瞬潰方案中，潰堤初始階段的分洪流量、水位過程有所差異，但分洪過程逐漸趨于一致。

（2）分洪洪峰。同一量級洪水下，瞬潰方案的分洪洪峰為最大，漫潰次之，漫溢為最小。漫潰方案中，在漫溢階段，潰決處河道水位相比未發(fā)生潰決時的河道水位有所下降，潰堤時的分洪水頭相對于瞬潰方案潰堤時的分洪水頭較小，因此分洪洪峰流量相對較小。

（3）分洪水量。漫潰方案的分洪水量為最大，瞬潰次之，漫溢為最小。漫溢方案中，僅有漫溢口分洪，由于漫溢高程相對較高、漫溢口寬度較窄，因此同量級洪水標準下其分洪水量為最小。一般情況下，潰決分洪水量越大，造成的淹沒范圍越大，淹沒歷時越長，將造成的洪災損失越大，相對于漫溢及瞬潰方案，漫潰方案對防洪安全尤為不利。

（4）潰決事件驗證分析。一般平原河道發(fā)生堤防垮塌的可能性較小，在堤防過路缺口、局部堤高不達標等堤段，遭遇大洪水可能發(fā)生漫溢而不潰堤：或是漫溢后，沖刷、滲透破壞等因素導致漫溢演變?yōu)闈⒌?。?jù)資料記載，該流域1964年8月普降大雨，造成支流鄆城新河河口段漫溢決口，口門寬約為40 m；1957年、1993年及2004年等年份，強降雨導致鄆城新河等多條支流漫溢受災。鑒于河道潰決事件發(fā)生較少，缺少潰決演變過程、流量等實測數(shù)據(jù)，同時考慮潰口演變機理的復雜性[1，6]，本文假定不同的演變過程及潰口尺寸以簡化計算。

4 結(jié)語

（1）在土質(zhì)堤防缺口段隨著漫溢水流不斷沖刷漫溢口，漫溢口可能在縱向及橫向發(fā)展，由漫溢演變?yōu)闈⒌獭Ｔ诩榷l件下，對比分析了漫潰與漫溢、瞬潰等潰決形式的分洪流量及水位過程，相對于一階段過程的瞬潰形式而言，采用簡化的兩階段漫潰形式更符合潰決發(fā)展過程：同量級洪水條件下，漫潰的分洪水量為最大、潰決時長較長，將造成更大的洪災淹沒損失。

（2）本文對潰決分洪流量是按側(cè)堰自由出流計算的，未考慮淹沒區(qū)洪水演進對河道潰決分洪的水力影響，應探討河道一維洪水與淹沒區(qū)二維洪水的耦合計算，進一步研究堤防潰決演變機理。

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