混凝土壩瞬潰對(duì)水庫(kù)水力學(xué)研究

張曉剛

(大石橋市水利事務(wù)中心，遼寧 大石橋 115100 )

1 概 述

隨著國(guó)家科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)在水利工程領(lǐng)域的發(fā)展也是飛速進(jìn)行，大批水利工程的修建改善了河道的水利通航、水力發(fā)電、生態(tài)環(huán)境改善。但隨著大壩修建的年限增長(zhǎng)，大壩老化及受到自然災(zāi)害的沖擊都有可能發(fā)生潰決。目前，研究潰壩主要有物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)比物理模型試驗(yàn)，數(shù)值模擬相對(duì)可重復(fù)性強(qiáng)、節(jié)約成本、反演程度高[1]。

目前，潰壩洪水計(jì)算模型是水力學(xué)分析潰壩發(fā)生的重要工具，一直備受國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和引用，許多學(xué)者對(duì)這一問題進(jìn)行了大量的研究[2-3]。如唐友一通過分析研究得出潰壩潰口瞬時(shí)的最大流量 、流量過程線的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，適用于河道型水庫(kù)、湖泊水庫(kù)的潰壩計(jì)算。謝任之[4]通過公式推導(dǎo)給出瞬時(shí)全潰、局部潰、逐漸潰的潰壩壩址峰值流量計(jì)算“統(tǒng)一公式”，并給出相應(yīng)的流量參數(shù)表。王立輝討論了梯級(jí)水庫(kù)同時(shí)潰和相繼潰、底坡等因素對(duì)潰壩波在河道傳播的影響程度。因此在前人研究的基礎(chǔ)上，本文主要通過Flow-3d建立數(shù)學(xué)模型研究混凝土壩瞬潰的上下游水位、流量變化，以期得到較為可靠的水力學(xué)參數(shù)，并為混凝土壩瞬潰提供重要的參考基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)學(xué)模型建立

通過CAD建立混凝土壩的幾何模型，通過Flow-3d進(jìn)行模型的驗(yàn)證。根據(jù)圖1所示，分別設(shè)置上游、潰口、下游3處水位波動(dòng)模擬點(diǎn)，壩高50 m，假定潰口尺寸30×50 m，潰口位于壩體中心潰決條件為壩前水位50 m漫頂潰決，下游水位10 m。

圖1 模型布置圖

2.2 模型驗(yàn)證

2.2.1 潰決方式

通過建立的數(shù)學(xué)模型以漫頂潰壩進(jìn)行模型的驗(yàn)證，即上游水位H=50 m，下游水位H=10 m，預(yù)設(shè)潰口整體壩高50 cm，假定潰口尺寸30×50 m，具體見圖2。

圖2 潰口瞬時(shí)潰決方式

2.2.2 潰口流速驗(yàn)證

由圖3可知，潰口流速的實(shí)驗(yàn)值與模擬值在驗(yàn)證的20 s時(shí)間內(nèi)吻合度很高，兩者差異小，最大誤差為1.2%。數(shù)學(xué)模型建立的準(zhǔn)確可靠，可以作為本文研究的理論基礎(chǔ)。

圖3 潰口水位對(duì)比圖

3 混凝土壩瞬潰的數(shù)值模擬

3.1 上下游水位

數(shù)值模擬混凝土壩瞬潰時(shí)，上游監(jiān)測(cè)點(diǎn)在潰口1 m處，下游監(jiān)測(cè)點(diǎn)在潰口3 m處，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果繪出上下游水位波動(dòng)圖，見圖4-圖5。由圖4和圖5可知，在混凝土壩瞬潰的5 s之內(nèi)上游水位在0.5 s左右時(shí)開始下降，在0.5～2 s水位下降緩慢，在第2 s驟然下降較快；下游水位在0.4 s時(shí)開始上驟然上升，在1.5 s左右上升到最高點(diǎn)H=30 m，在2.5 s之后緩慢波動(dòng)水位穩(wěn)定在H=15 m。

圖4 上游水位過程線

圖5 下游水位過程線

3.2 潰口流量

模擬潰口流量圖見圖6。

圖6 模擬潰口流量圖

根據(jù)數(shù)值模擬值可知，混凝土壩在瞬潰時(shí)流量是逐漸降低，在10 s內(nèi)流量降低的緩慢，10～80 s下降較快，可見混凝土壩在瞬潰時(shí)候最佳的封堵時(shí)間為瞬潰的1 min之后，在此之前流量及流速較大，封堵難度大且危險(xiǎn)。

4 結(jié) 論

1) 通過Flow-3d建立混凝土壩的瞬潰模型，根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果可知計(jì)算快捷方便、準(zhǔn)確可靠，可以計(jì)算類似的水力學(xué)發(fā)生過程，為試驗(yàn)提供相驗(yàn)證的數(shù)據(jù)。

2) 計(jì)算混凝土壩瞬潰時(shí)上下游水位波動(dòng)、潰口流量變化等水力學(xué)特性，可見在混凝土壩瞬潰時(shí)潰口的流速及流量較大，變化較快。因此，對(duì)于混凝土壩在瞬潰時(shí)應(yīng)注重潰口上下游附近的流量、流速及水位的變化情況，采取相應(yīng)的封堵和救援措施。