大壩圍堰潰壩洪水演進(jìn)預(yù)測(cè)分析

劉荷蕾

(黑龍江省慶達(dá)水利水電工程有限公司，哈爾濱 150000)

隨著建壩數(shù)量的不斷增多，各種涉及臨時(shí)建筑物的安全問(wèn)題也日益突出。施工期若發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水，圍堰潰決后風(fēng)險(xiǎn)巨大，故對(duì)圍巖潰壩的洪水演進(jìn)預(yù)測(cè)分析十分重要。文章結(jié)合歷史監(jiān)測(cè)資料，計(jì)算某水庫(kù)上游圍堰不同潰決工況下的最大下泄流量，選取典型斷面得出洪水演進(jìn)結(jié)果，并分析對(duì)下游河道覆蓋區(qū)的影響后果。研究成果對(duì)該領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)研究具有一定的實(shí)際參考價(jià)值。

1 摘 要

水庫(kù)潰壩一般分為瞬時(shí)潰決和逐漸潰決兩種，前者通常為大壩自身材料或結(jié)構(gòu)缺陷，后者是臨時(shí)建筑物如圍堰的垮塌破壞造成[1]。潰壩研究主要分析洪水對(duì)下游河道、村落、工業(yè)等造成的災(zāi)難和后果。文章采用對(duì)客觀水文變化精準(zhǔn)，全面反映洪水特征的水力學(xué)法。

2 圍堰調(diào)洪計(jì)算原理

2.1 圍堰瞬間全潰最大下泄流量[2]

1)里特爾公式：

(1)

式中：QM為最大潰壩流量；B為水面寬；g為重力加速度；H0為上游平均水深。

2)謝任之公式：

(2)

2.2 圍堰逐漸潰決最大下泄流量

局部潰口寬度計(jì)算公式為[3]：

b=kW0.25B0.167H0.50

(3)

式中：b為潰口平均寬度；k為與壩體材料有關(guān)，其中黏土類、心墻土取1.19，均值黏土類取1.98；W為潰壩庫(kù)容；B為壩頂長(zhǎng)度或水面寬；H為壩前水深。

潰口寬度隨時(shí)間推移呈線性關(guān)系，表達(dá)式如下：

(4)

式中：B為瞬時(shí)潰口寬度； B0初始潰口寬度，一般可取5-20m；t潰決歷時(shí)；Tf為潰口發(fā)展時(shí)間。

潰口發(fā)展時(shí)間表達(dá)式：

Tf=0.00254KVr0.53Hb(-0.90)

(5)

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

某水利樞紐位于中國(guó)四川省境內(nèi)，工程等別為Ⅰ等工程，主要建筑物由攔水壩、壩身泄洪底表孔、供水系統(tǒng)等組成，水庫(kù)總庫(kù)容為7.5億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容6.8億m3。其中大壩按1級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，次要建筑物為3級(jí)，臨時(shí)建筑物為4級(jí)[4]。

施工期導(dǎo)流方式為河床隧洞導(dǎo)流，上游圍堰采用土石擋水圍堰，圍堰高度約為46.8m，堰頂長(zhǎng)度172m，上游邊坡為1∶1.6，下游邊坡1∶1.4[5]。導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為10a一遇洪水，相應(yīng)洪峰流量為2730m3/s。壩體平面布置，見(jiàn)圖1。

圖1 壩體平面布置圖

3.2 水文氣象

根據(jù)氣象站1970-2018年實(shí)測(cè)資料記載，水庫(kù)所處地區(qū)多年平均氣溫11.6℃，極端最高氣溫36.3℃，最低氣溫-17.5℃；多年平均降水量1052mm，多年平均蒸發(fā)量1368mm，多年平均風(fēng)速0.92m/s。上游圍堰在大壩上游約130m，圍堰上游河長(zhǎng)94km，控制流域面積2036km2。

3.3 計(jì)算成果

3.3.1 瞬間全潰最大下泄流量計(jì)算

全潰型潰壩流量公式分別采用10a一遇和20a一遇洪峰標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算[6]。上游圍堰瞬間全潰洪峰流量計(jì)算成果表，見(jiàn)表1。

表1 上游圍堰瞬間全潰洪峰流量計(jì)算成果表

從表1中可以看出，兩種方法的參數(shù)取值不同，謝任之分析了潰壩瞬間的連續(xù)波，臨界流和不連續(xù)波流態(tài)，里特爾公式假定壩下游無(wú)水、壩上下游河槽斷面為矩形，后者試用范圍較窄。計(jì)算成果相差不大，故最大潰壩流量選用謝任之公式。

3.3.2 逐漸潰決最大下泄流量計(jì)算

上游圍堰潰口寬度計(jì)算成果表，見(jiàn)表2。

表2 上游圍堰潰口寬度計(jì)算成果表

續(xù)表2 上游圍堰潰口寬度計(jì)算成果表

從表2可以看出，兩種方法的計(jì)算結(jié)果相差不大，但前者綜合壩體土質(zhì)結(jié)構(gòu)、水面寬、潰壩庫(kù)容和壩前水深參數(shù)，故潰口寬度采用鐵科院公式。

3.3.3 圍堰潰決最大下泄流量確定

上述對(duì)上游圍堰瞬潰和逐潰兩種形式潰壩流量計(jì)算方式均為經(jīng)驗(yàn)公式，潰壩流量和潰口寬度計(jì)算在此基礎(chǔ)上需結(jié)合模型試驗(yàn)的驗(yàn)證最終確定。故圍堰潰決潰口處最大流量采用黃委會(huì)公，上游圍堰最大潰壩流量計(jì)算成果表，見(jiàn)表3。

表3 上游圍堰最大潰壩流量計(jì)算成果表

從表3可以看出，兩種方法的計(jì)算結(jié)果相差不大，但肖克利契公式未考慮潰口寬度，故最大潰壩流量采用水道試驗(yàn)站公式。

3.4 洪水演進(jìn)分析

潰壩洪水主要危害下游，應(yīng)對(duì)潰壩后下游洪水淹沒(méi)范圍進(jìn)行分析。文章考慮河道形狀、河勢(shì)及河道周邊，選取典型斷面10個(gè)圍堰潰壩洪水過(guò)程線，見(jiàn)圖2；節(jié)選典型斷面sw5水位流量見(jiàn)圖3；10a一遇見(jiàn)圖4；20a一遇洪水過(guò)程見(jiàn)圖5。

圖2 圍堰潰壩洪水過(guò)程線

圖4 10a一遇潰壩洪水過(guò)程線

圖5 20a1遇潰壩洪水過(guò)程線

根據(jù)潰壩洪水演進(jìn)成果，10a一遇洪水和20a一遇洪水工況下，各斷面洪水水位差異不大，對(duì)下游造成的影響基本是相同的， 20a一遇洪水工況下潰壩洪水將對(duì)河道下游43km，923.4hm2范圍內(nèi)產(chǎn)生一定影響。

4 結(jié) 論

文章基于某水利樞紐工程歷史水文水資源監(jiān)測(cè)資料，結(jié)合大壩圍堰瞬時(shí)潰決和逐漸潰決兩種工況，通過(guò)比對(duì)選取適宜參數(shù)計(jì)算河道最大下泄流量，選取典型斷面分10a一遇、20a一遇計(jì)算潰壩后的洪水流量，最終得出圍巖潰決后河道下游河道覆蓋區(qū)的影響范圍和后果。

表4 水庫(kù)圍堰潰壩洪水計(jì)算表