新疆洛浦縣布爾庫木水庫潰壩洪水?dāng)?shù)值模擬

王 振

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊 830000)

潰壩洪水具有突發(fā)性強(qiáng)、歷時短、峰高量大、難以預(yù)測的特點，潰壩洪水突發(fā)事件是破壞力強(qiáng)、危害范圍廣、損失嚴(yán)重的突發(fā)事件。新疆洛浦縣布爾庫木水庫位于灌區(qū)內(nèi)部，為均質(zhì)土壩小型水庫，水庫下游居民點、耕地密布，水庫修建年代早、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低、防洪能力差、管理不到位，一旦發(fā)生潰壩，將對下游造成極為嚴(yán)重的生命、財產(chǎn)損失。截至目前，國內(nèi)外專家學(xué)者對土石壩水庫潰壩洪水?dāng)?shù)值模擬方面取得了豐碩成果[1-6]。本文選用BREACH模型和簡化計算法模擬布爾庫木水庫潰壩洪水，模擬計算成果可為水庫突發(fā)洪水事件應(yīng)急預(yù)案制定和風(fēng)險評估提供技術(shù)支持。因此，開展水庫潰壩洪水研究具有重要的現(xiàn)實意義。

1 工程概況

布爾庫木水庫位于新疆和田地區(qū)洛浦縣多魯鄉(xiāng)境內(nèi)，水庫利用天然洼地筑壩而成，是一座以灌溉為主的引水注入式平原水庫，水庫水源為玉龍喀什河河水。壩址距離洛浦縣多魯鄉(xiāng)政府約2.5 km，地理坐標(biāo)為E80°16′08″，N37°5′45″。

布爾庫木水庫主要由大壩、放水涵洞、引水渠和放水渠組成。水庫正常蓄水位1 324.98 m，正常蓄水位相應(yīng)庫容150×104m3；死水位1 323.00 m，死庫容10×104m3；調(diào)節(jié)庫容140×104m3。水庫大壩為均質(zhì)土壩，全長2 300 m，壩頂高程1 326.5 m，最大壩高4.18 m，工程為小(Ⅰ)型Ⅳ等工程，水庫大壩為4級，地震設(shè)防烈度為Ⅶ度。

2 BREACH模型模擬成果

BREACH模型是由美國國家氣象局Fread研制的一種有關(guān)土壩失事的模型，用來預(yù)測由管道失事或洪水漫溢引起的土壩/堆石壩潰口出流過程和決口大小。

2.1 水量平衡

BREACH模型采用水量平衡關(guān)系模擬水庫水位的變化，公式如下：

(1)

其中：ΔH為計算時段內(nèi)水庫水位變化；Δt為計算時段，較小值；Sa為水面面積；Qi為水庫入庫流量；Qb為流經(jīng)決口的寬頂堰流量；Qsp為溢洪道出流流量；Qo為流經(jīng)壩頂寬頂堰流量。

2.2 潰口流量計算公式

漫頂潰口流量公式采用寬頂堰公式計算：

Qb=3Ab(H-hb)0.5(寬頂堰水流)

(2)

如果決口因管道失事所致，用短管、孔流方程代替寬頂堰水流方程，則：

Qb=Ab[2g(H-hb)/(1+fL/D)]0.5(孔流)

(3)

其中：Ab為水流所流過的堰或潰口的面積；hb為壩下游面決口底部高程；f為達(dá)西摩擦系數(shù)，取決于D50粒徑；L為管道長度；D為管道直徑或?qū)挾取?/p>

2.3 決口寬度

決口最初可認(rèn)為是寬度為B0的矩形，B0=BrY，Y是決口入口處的臨界水深，Y=2/3(H-hb)。Br為無量綱因子，漫溢決口時Br為2，管道失事決口時Br為1。

有效決口深度超過臨界水深dc發(fā)生坍塌，決口由原來的矩形可以變?yōu)樘菪巍?/p>

dc=4Ccosφsinθ′/[γ-γcos(θ′-φ)]

(4)

其中：C為土壤內(nèi)聚性；Φ為壩料內(nèi)部摩擦角；γ為土壤容重；θ′為壩坡坡腳。

坍塌引起的角度θ′減小到新角度，公式為：

θ′=(θ′+φ)/2

(5)

2.4 決口侵蝕

除側(cè)面坍塌之外，假定決口侵蝕沿底部和側(cè)面同時進(jìn)行。一旦決口沖刷到規(guī)定的壩底，侵蝕只在決口側(cè)面繼續(xù)進(jìn)行。決口侵蝕速度取決于水流輸送侵蝕材料的能力。泥沙輸送關(guān)系用下式表示：

(6)

其中：Qs為壩料沖蝕率；D90、D50、D30分別為小于或等于某粒徑的沙重占總沙重90%、50%和30%的泥沙粒徑；D為用曼寧方程求得的任一瞬時決口水流的水力深度；S為決口底部坡降,假定與壩下游面平行；P為決口總周長；n為曼寧系數(shù)；τc為產(chǎn)生侵蝕所必須超過的Shield臨界剪切力。

在計算時間內(nèi)，模型假設(shè)決口底部和兩側(cè)沖蝕率相等，底部和側(cè)面產(chǎn)生的增量相等，計算公式如下：

ΔHc=QsΔt/PL(1-P)

(7)

其中：L為穿過大壩的決口長度；P為決口材料的孔隙度。

2.5 潰壩流量過程線

本次采用BREACH模型，對布爾庫木水庫潰壩洪水模擬，計算結(jié)束條件為大壩水位與潰口底部高程差小于0.1 m、潰口基本不再出流。經(jīng)計算，壩址處最大潰壩流923 m3/s。

圖1 布爾庫木水庫BREACH模型模擬潰壩洪水

3 簡化計算法模擬結(jié)果

簡化計算法為保守地利用地形與水文過程線資料和憑經(jīng)驗確定的潰決流量表達(dá)式，適用于壩高小于等于12 m的均質(zhì)土壩[7]。

壩址處的最大潰壩流量Qm可以按下式計算：

Qm=2.5FV0.76H0.1

(8)

式中：Qm為最大潰壩流量，m3/s；F為簡化評估特征參數(shù)，F(xiàn)=1.3；V為下泄水的總體積，103m3；H為最大水深，m。

布爾庫木水庫大壩為均質(zhì)土壩，最大壩高4.18 m。從大壩壩高和材料類型方面考慮，可采用簡化計算公式計算最大潰壩流量。經(jīng)計算，布爾庫木水庫大壩壩址處潰壩洪水洪峰為955 m3/s。

4 兩種模擬的分析比較

1) BREACH模型模擬壩址最大潰壩流量923 m3/s，簡化計算法計算最大潰壩流量955 m3/s，兩者相差較小，僅3.5%。

2) BREACH模型模擬結(jié)果為潰壩洪水過程線，為完整的潰決流量過程，可分析最大潰壩流量出現(xiàn)時間。但需綜合水利學(xué)、泥沙、土力學(xué)等學(xué)科知識，參數(shù)多，計算過程復(fù)雜，在資料具備條件下，應(yīng)盡量采用BREACH模型。

3) 簡化計算公式模型簡單，未考慮實際潰壩機(jī)理，僅能計算壩址最大潰壩流量。但所需計算參數(shù)少，計算簡單，在資料缺乏條件下，可采用該方法進(jìn)行初步計算及突發(fā)情況應(yīng)急估算。

5 結(jié) 論

BREACH模型和簡化計算法均能進(jìn)行布爾庫木水庫潰壩模擬，模擬成果可為制定水庫突發(fā)洪水事件應(yīng)急預(yù)案和風(fēng)險評估提供技術(shù)支持，對其他均質(zhì)土壩小型水庫潰壩洪水模擬具有一定指導(dǎo)意義，但應(yīng)根據(jù)水庫資料情況合理選擇計算模型。