平原土石壩逐漸潰計算模型的比較分析

張云軒

【摘要】目前我國有近9萬作水庫，其中93%為土石壩；土石壩所使用的材料是松散的當(dāng)?shù)赝潦?，所處的壩基多是地質(zhì)情況不是特別理想的土基，所以土石壩是最容易發(fā)生潰壩的壩型。研究土石壩的方法有很多，本文將土石壩逐漸潰壩分析方法分為三類，比較不同分析方法下所使用的數(shù)學(xué)模型的特點即使用條件，并對每種方法的缺陷及產(chǎn)生缺陷的原因進(jìn)行了論述?！娟P(guān)鍵詞】平原土石壩；逐漸潰；計算方法土石壩是應(yīng)用最早、應(yīng)用最為普遍的一種壩型的一類壩型，不同于拱壩和重力壩所使用混凝土，土石壩的則是當(dāng)?shù)氐耐潦?，而這種材料的孔隙率較大，粘結(jié)力與摩擦角也相對與混凝土較為低下，加之建設(shè)時間較久、管理運(yùn)行操作不當(dāng)?shù)仍颍潦瘔蔚臐温室脖绕渌麎涡透吆芏?，?jù)我國水利部大壩安全管理中心的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：從1954年至2007年，我國共有3503座水庫大壩發(fā)生潰決，其中98%為土石壩。經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者長期研究，發(fā)現(xiàn)瞬間潰和逐漸潰是潰壩的兩種主要形式，在早期的土石壩潰壩研究時，研究人員一般用瞬時潰來模擬土石壩潰壩，因為其瞬時潰壩過程分析較為簡單，但后來隨著研究的不斷深入土石壩的潰決過程不同于使用混凝土材料的重力壩，潰壩時間只有幾十秒，土石壩潰壩持續(xù)時間較長，一般從15min至5h以上不等，且峰頂流量等參數(shù)比較于混凝土壩都小。后來，開始用逐漸潰的模型來研究土石壩的潰壩過程不同于機(jī)理清晰的瞬時潰模型，土石壩潰壩的發(fā)生、發(fā)展和潰決的影響因素較為復(fù)雜，無法簡單地直接模擬，但經(jīng)過國內(nèi)外無數(shù)學(xué)者的努力，這項研究如今已較為成熟。目前，計算潰口流量的主體是對壩址流量過程的計算，研究的基本方法分為物理模型試驗法和數(shù)學(xué)模型法兩種，由于數(shù)學(xué)模型法不需要建造實體模型，所以研究費(fèi)用低廉研究過程放方便簡化，自20世紀(jì)60年代來，已經(jīng)成為了潰壩分析的主流。1、模型的分類對于土石壩逐漸潰的大部分的潰口流量計算多是采用分段模型法，對于分段模型法，其假設(shè)潰口下游水位較低，潰口出流為自由出流，絕對不能引起淹沒出流，所以對于大多數(shù)平原都適用?？梢詫δＰ瓦M(jìn)行簡單的分類，本文大致可以分為三類：第一類的思路是先只設(shè)置初始潰口形狀然后假設(shè)潰口形狀不會改變，然后利用泥沙沖刷公式去計算潰口發(fā)展過程與流量過程，此類方法在研究初期潰口的形成只考慮潰口底部沖蝕引起的潰口發(fā)展，后來經(jīng)過模型的發(fā)展，潰口的發(fā)展逐步考慮到側(cè)向沖蝕與邊坡坍塌，而且考慮到植被與壩體邊坡的影響，此類模型有CRISTOFANO、H-W、BRDAM等；第二類的思路是設(shè)置潰口的預(yù)先設(shè)置潰口的最終尺寸，進(jìn)而反推潰口發(fā)展過程，進(jìn)而反推潰口的發(fā)展過程與流量過程，此類模型有DAMBRK等；第三類是直接對潰口形狀不做假定，而是根據(jù)大壩潰決機(jī)理與剪應(yīng)力分析推導(dǎo)出潰口形狀的解析解，不同于前兩類方法，此類方法的尺寸與形狀都是數(shù)學(xué)解析式的形勢呈現(xiàn)的，此類方法有LOU 、NOGUEIRA。對三類方法進(jìn)行。2、模型的特點綜合分析比較三類方法的特點。第一類的優(yōu)點在于求解的結(jié)果只要潰口形狀接近，求得的流量過程誤差比較穩(wěn)定，不同經(jīng)驗公式的偏差較小；缺點在于對參數(shù)，特別是筑壩材料的參數(shù)要求比較苛刻，需要土體的容重、級配、內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力、含水率、孔隙率、糙率、干重度等參數(shù)。產(chǎn)生這個缺點的原因經(jīng)分析為該類方法使用的泥沙沖刷公式是由是力學(xué)與土力學(xué)公式推求得來，所以對水流形態(tài)參數(shù)與筑壩土體的參數(shù)要求較為繁多。第二類的優(yōu)點在于建?？焖?，計算簡單，計算需要的參數(shù)較少而且數(shù)據(jù)獲得較為容易，只需要知道庫容及庫容水位曲線、壩高、壩體長度即可；但是缺點就是一次方法建起數(shù)學(xué)模型會因使用的計算公式的不同產(chǎn)生較大誤差，存在誤差不穩(wěn)定情況。產(chǎn)生此類缺點的原因本文歸結(jié)為三點：一是假設(shè)的潰口的最終形狀與實際潰口的最終形狀有誤差；二是不同經(jīng)驗公式本身也有誤差存在；三是因為此類方法的核心假設(shè)在于假設(shè)潰口發(fā)展為勻速，與實際不符。第三類方法的優(yōu)點在于不用假設(shè)潰口的形狀，實際潰口的發(fā)展基本不可能為前兩種方法假設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)的矩形、三角形、梯形、拋物線形，所以不對潰口形狀進(jìn)行預(yù)先假設(shè)也就減少了因潰口假設(shè)與實際情況偏差引起的誤差；此類方法的缺點是需要知道筑壩土體的臨界剪應(yīng)力與不同情況下的土體實際剪應(yīng)力，所以參數(shù)較難獲得，而且此類方法的求解的關(guān)鍵是平衡段面的尋找（LOU模型）與有效剪應(yīng)力，即每個點的總剪切應(yīng)力與臨界剪切應(yīng)力的尋找（NOGUEIRA模型）；產(chǎn)生此類誤差的原因在于本身模型的假設(shè)條件：Lou認(rèn)為，潰壩水流在空間與時間上發(fā)展，當(dāng)達(dá)到一個平衡斷面即停止，所以LOU模型就使用最有效的穩(wěn)定斷面來描述潰口形狀； Nogueira認(rèn)為潰口形狀是由有效剪切應(yīng)力決定的。所以基于這些思想所以就必須需要這些參數(shù)。3、模型的適用條件此上三類方法的使用條件都是土石壩逐漸潰且下游水位較小，潰口出于自由出流，對于大多數(shù)平原水庫來說，以上的潰壩模型基本都適用。其中，第一類方法的使用條件是對于水庫的參數(shù)資料較為齊全；第二類方法則是只知道水庫的基本參數(shù)，已知參數(shù)較少，特別是對于壩體壩基土體的參數(shù)資料獲取不全的情況下使用最優(yōu)；第三類方法應(yīng)該由于使用不同情況下的臨界剪應(yīng)力與實際剪應(yīng)力，參數(shù)不易獲得，在實際應(yīng)用中很少使用。4、結(jié)論本文首先對于土石壩逐漸潰壩的條件下各種研究方法進(jìn)行了分類，然后說明數(shù)學(xué)模型實驗的方法為研究的主流，然后，對于各種潰壩數(shù)學(xué)模型提出了自己分類并對每種模型的特點進(jìn)行了分析與比較，最終對于每種方法的使用條件及使用這種方法可能帶來的缺陷進(jìn)行分析，并對于產(chǎn)生此類缺陷的原因進(jìn)行了說明。5、結(jié)語通過本文的論述，希望能對土石壩逐漸潰壩的各種模型的特點有更加清晰地認(rèn)識，能對與土石壩，特別是平原土石壩的潰壩研究更加準(zhǔn)確，以減少因潰壩事故造成的人員財產(chǎn)安全受損。參考文獻(xiàn)：[1]水利部大壩安全管理中心.全國水庫垮壩登記冊[R].南京：水利部大壩安全管理中心，2008.[2]陳生水.土石壩潰決機(jī)理與潰壩過程模擬.北京：中國水利水電出版社，2012.[3]黃毅，顏夢宇.土石壩逐漸潰潰口流量過程簡便計算方法.[J].黑龍江水利.2016，2（7）：13-17.