潰壩影響分析在淤地壩設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘" 要：秦安縣擬在魏店鎮(zhèn)武家溝新建淤地壩1座，壩址下游溝道內(nèi)分布有村莊和橋梁等重要設(shè)施。為有效評(píng)估淤地壩因特殊原因潰壩后形成的洪水給下游帶來的風(fēng)險(xiǎn)，該文通過潰壩影響分析來論證該淤地壩潰壩時(shí)是否會(huì)對(duì)下游居民產(chǎn)生威脅。通過分析表明，潰決時(shí)產(chǎn)生的洪水將向下迅速傳播，漫過溝床淹沒整個(gè)武家溝門村及橋梁。因此，從工程安全可靠的角度建議重新選址新建淤地壩。

關(guān)鍵詞：淤地壩;潰壩影響分析;潰壩最大流量;過洪能力;工程安全

中圖分類號(hào)：V445" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）18-0088-04

Abstract： Qin'an County plans to build a new warping dam in Wujiagou， Weidian Town， with villages and bridges and other important facilities distributed in the downstream channel of the dam site. In order to effectively evaluate the risk to the downstream caused by the flood caused by the dam break due to special reasons， this paper demonstrates whether the dam break will pose a threat to the downstream residents through the impact analysis of dam break. The conclusion of the analysis shows that the flood caused by the collapse will spread rapidly downward， overflowing the ditch bed and flooding the whole Wujiagoumen village and bridge. Therefore， it is suggested that the new warping dam should be re-located from the perspective of safety and reliability of the project.

Keywords： warping dam; impact analysis of dam break; maximum discharge of dam break; flood capacity; engineering safety

淤地壩作為溝道中興建的滯洪、攔泥、淤地的壩工建筑物，能有效控制侵蝕、滯洪攔泥、淤地造田、減少泥沙流動(dòng)和水土保持及溝道治理。但由于某些特殊原因，例如地震、超標(biāo)準(zhǔn)洪水以及施工與管理的嚴(yán)重失誤，都會(huì)使壩體突然遭到破壞而形成潰壩洪水，可能給下游帶來極其嚴(yán)重的損失。因此必須對(duì)壩址下游有重要設(shè)施的溝道進(jìn)行潰壩影響分析，為工程建設(shè)及管理提供重要依據(jù)。

1" 項(xiàng)目區(qū)基本情況

1.1" 工程地理位置及流域概況

秦安縣武家溝大（2）型淤地壩位于魏店鎮(zhèn)東部約2.7 km處武華村張家屲自然村右側(cè)武家溝溝道內(nèi)，該溝道總長3.4 km，比降93.8‰。壩址地理坐標(biāo)為東經(jīng)105°35′55″、北緯35°05′58″，溝底高程1 545.0 m。壩址以上匯水面積3.4 km2，壩址以下2.0 km處溝道左側(cè)岸坎上區(qū)域分布有武家溝門村，村莊最低高程為1 521.5 m左右。村邊有跨溝橋梁1座，溝道左側(cè)有鄉(xiāng)村公路自武家溝門村盤山而上，交通便利。

1.2" 水文概況

武家溝屬于渭河水系，顯清河左岸一級(jí)支溝，發(fā)源于秦安縣魏店鎮(zhèn)蔡家灣冠子梁，為黃土梁峁溝壑區(qū)地貌，流域下墊面植被較差。

顯清河是葫蘆河右岸的一級(jí)支流，也是葫蘆河在秦安境內(nèi)的第二大支流，發(fā)源于通渭縣吉川鄉(xiāng)王家灣，流經(jīng)秦安魏店、于秦安葉堡鎮(zhèn)牌樓村匯入葫蘆河，全長58 km，流域面積618 km2，平均比降9.52‰，顯清河在秦安縣境內(nèi)河長34.1 km，流域面積為366 km2。

壩址所在溝道流域內(nèi)及其附近無水文站資料，屬無資料地區(qū)的小流域，故設(shè)計(jì)洪峰流量采用《甘肅省暴雨洪水圖集》中提供的推理公式進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)洪水總量采用推理公式凈雨法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算得施工期洪水流量P20%=8.4 m3/s，設(shè)計(jì)洪峰流量P5%=23.8 m3/s，校核洪水流量P0.5%=58.4 m3/s，施工期洪水總量W20%=3.42萬m3，設(shè)計(jì)洪水總量W5%=11.42萬m3，校核洪水總量W0.5%=31.23萬m3。工程區(qū)多年平均侵蝕模數(shù)為5 000 t/km2，計(jì)算得武家溝淤地壩壩址斷面多年平均輸沙量為1.7萬t。壩址斷面多年平均徑流深40 mm，計(jì)算得武家溝淤地壩壩址斷面多年平均徑流量為13.6萬m3。

1.3" 地質(zhì)概況

天水市秦安縣武家溝大（2）型淤地壩位于秦安縣西北部的黃土梁峁低中山區(qū)，屬于秦嶺山地北坡西段與隴中黃土高原西南邊緣復(fù)合地帶，地貌由參差不齊的梁峁、谷坡、河谷和溝谷等微地貌單元組成，多為構(gòu)造低中山，黃土區(qū)梁峁地形發(fā)育，溝壑縱橫，支離破碎，梁脊狹窄，工程區(qū)河谷兩岸地形不對(duì)稱，壩軸線段右岸較陡，左岸稍緩。河谷兩岸侵蝕沖刷作用比較強(qiáng)烈，兩岸沖溝較為發(fā)育，溝壑縱橫。工程區(qū)地勢(shì)北高南低，山脊高程1 680～1 850 m，淤地壩工程段河道基本順直，水流總體流向近西北向，由南向北流，壩區(qū)段河谷呈“U”字型，河床大部分為人工植被覆蓋，沖溝局部可見基巖出露，流水河槽窄而淺，兩岸谷坡較陡，右壩肩坡度在25～55°，左壩肩坡度在22～46°，向下游逐漸變緩，谷坡多為人工林、荒地及雜草覆蓋，表層覆蓋有第四系黃土層，厚度為5.0～15.0 m，沖溝局部可見基巖裸露。

2" 工程設(shè)計(jì)

本工程總庫容為50.5萬m3，根據(jù)SL/T 804—2020《淤地壩技術(shù)規(guī)范》中淤地壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)與淤積年限的規(guī)定武家溝淤地壩屬大（2）型淤地壩工程。確定本工程設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期20年一遇，校核洪水重現(xiàn)期200年一遇。采用攔泥庫容以上壩高和溢洪道過水?dāng)嗝嬉黄疬M(jìn)行調(diào)洪。

根據(jù)壩址地形、地質(zhì)條件、筑壩土料，并考慮施工工期，本工程形式確定為黃土均質(zhì)壩，采用機(jī)械碾壓的方法施工。淤地壩整體由壩體、泄洪建筑物及放水建筑物三大件組成。

壩體：設(shè)計(jì)壩高23.0 m，壩頂長100.0 m，壩頂寬5.0 m，壩坡為迎水坡坡比1∶2.5，背水坡坡比1∶2.0，背水坡在高程1 553 m和1 561 m時(shí)各設(shè)置一道馬道，馬道寬1.5 m。

泄洪建筑物：本次設(shè)計(jì)泄洪建筑物為泄洪洞式溢洪道，布設(shè)于溝道右岸，進(jìn)口高程為設(shè)計(jì)淤積高程1 560.9 m。由進(jìn)口八字墻、控制段、陡坡段及消能防沖設(shè)施等組成。控制段底坡比降為1/100，陡坡段比降為1∶4.0，陡坡出口接挑流鼻坎消能。

放水建筑物：根據(jù)實(shí)測(cè)地形、地質(zhì)情況，考慮施工方便等原因，將涵臥管布設(shè)于左岸，由臥管段、臥管消力池、涵管平段、涵管消力池、涵管陡坡段和鉛絲籠塊石護(hù)坦等組成。

3" 潰壩影響分析計(jì)算

潰壩影響分析計(jì)算主要是通過下游影響范圍內(nèi)控制斷面處的最大潰壩流量和最高水位計(jì)算來確定淤地壩潰壩對(duì)下游村莊影響。而下游影響范圍控制斷面處的最大潰壩流量主要由壩址處潰壩最大流量決定，由于壩址下游2.0 km附近處為武家溝門村及一座跨溝橋梁，因此確定此處為控制斷面。本次分析先計(jì)算出壩址處的潰壩最大流量，繼而計(jì)算處控制斷面處的最大潰壩流量和最高水位。通過比對(duì)村莊最低地面高程和橋梁最大過洪能力來論證該淤地壩潰壩時(shí)是否會(huì)對(duì)下游居民產(chǎn)生威脅。

3.1" 壩址處潰壩最大流量計(jì)算

當(dāng)壩體局部潰破時(shí)，由于潰決口的寬度和深度與全部潰決時(shí)不同，故潰壩對(duì)最大流量的影響也不盡相同，最大流量計(jì)算的條件也有區(qū)別。本次擬建淤地壩為碾壓式黃土均質(zhì)壩，位于山區(qū)溝道內(nèi)，按照以往資料表明山谷中的土壩在短時(shí)間內(nèi)壩體容易全部潰決。為安全起見，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)一般按瞬時(shí)全部潰決的情況考慮。

1）根據(jù)SL/T 804—2020《淤地壩技術(shù)規(guī)范》附錄A.2.3圣維南公式法（式（1））估算壩址處瞬時(shí)全部潰決時(shí)的潰壩流量，如圖1所示。

式中：QM為潰壩時(shí)壩址處最大流量，m3/s;g為重力加速度;h0為潰壩前的壩前水深，m，本次計(jì)算時(shí)取23;B為壩址斷面的寬度，m，本次計(jì)算時(shí)取100.0。經(jīng)計(jì)算潰壩時(shí)壩址處最大流量QM=9 927.4 m3/s。

2）根據(jù)SL/T804—2020《淤地壩技術(shù)規(guī)范》附錄A.2.4波額流量聯(lián)解公式法（式2）估算壩址處瞬時(shí)全部潰決時(shí)的潰壩流量

經(jīng)計(jì)算潰壩時(shí)壩址處最大流量QM=10 059.7 m3/s。

3）根據(jù)《水文水利計(jì)算》（中國水利水電出版社）第十一章第五節(jié)推薦的鐵道科學(xué)研究院經(jīng)驗(yàn)公式法式（3）估算壩址處瞬時(shí)全部潰決時(shí)的潰壩流量

式中：QM為潰壩時(shí)壩址處最大流量，m3/s;B為壩址處的庫面寬度，m，通常等于壩長;H為潰壩前的壩前水深，m，可取壩高值;L為庫區(qū)長度，m，一般可采用壩址斷面至庫區(qū)上游斷面突然縮小處的距離，L/B后gt;5，其影響不再增加，均按L/B=5取;h為潰口處殘留的壩體平均高度，為安全計(jì)，可取h=0;K′為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，近似按1.4×（bh/BH）1/3;b為潰口的平均寬度，m，全潰壩時(shí)等于壩長，此值可按式（4）估算。

通過對(duì)以上3種潰壩流量方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析：圣維南公式和波額流量聯(lián)解公式計(jì)算結(jié)果相差約1.3%，非常接近，而鐵道科學(xué)研究院經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算結(jié)果較前二者相差約27.6%～28.6%，相差較大。從預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)、保證工程安全的角度，選擇計(jì)算結(jié)果偏大的算法，因此，最終取值以規(guī)范推薦公式波額流量聯(lián)解公式計(jì)算結(jié)果為準(zhǔn)，即按潰壩時(shí)壩址處最大流量QM=10 059.7 m3/s計(jì)。

3.2" 下游某斷面潰壩最大流量的計(jì)算

由于壩址下游2.0 km附近處為武家溝門村，本次下游控制斷面選在武家溝門村右側(cè)溝道（W105°35′47″，N35°5′30.96″）處，最大潰壩流量采用式（5）計(jì)算

式中：QM，l為控制斷面處最大流量，m3/s;V為水庫潰壩時(shí)的庫容，m3，本次計(jì)算時(shí)取50.5萬;l為壩址斷面至壩控制斷面的距離，m，本次計(jì)算時(shí)取2 000;VM為洪水期溝道斷面的最大流速，m/s;K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算控制斷面處最大流量QM，l=1 530.7 m3/s。

3.3" 下游某斷面潰壩最高水位的計(jì)算

下游影響范圍控制斷面的最高水位，可根據(jù)控制斷面處的最大潰壩流量、河床斷面形狀、糙率和河床比較，采用明渠均勻流公式（式（6））計(jì)算

QM，l=ωC ， " （6）

R為控制斷面處的水力半徑，m。i為水力比降，由壩址斷面和控制斷面高差除以兩斷面間沿溝間距而得，m，計(jì)算得i=3%。n為糙率，可根據(jù)溝道特征選用，本次取值為0.040。

1）原橋址斷面最大過洪能力為（不考慮凈空高度）79.5 m3/s，安全行洪最大過洪能力為56.2 m3/s。若將通村道路便橋（原便橋跨度×高=3.5 m×4.5 m）跨度加寬至8.0 m（與堤防等距），最大行洪能力（不考慮凈空高度）為257 m3/s，安全行洪最大過洪能力為174.9 m3/s。原橋址及堤防斷面處最大潰壩流量水深為15.5 m，超出橋底高程11.0 m，此時(shí)武家溝門村被完全淹沒。

2）若將堤防完全拆除并退線至溝谷最大寬度，按QM，l=1 530.7 m3/s，最大溝谷寬度50 m，洪水期溝道斷面的最大流速4.0 m/s（同前）計(jì)算，則控制斷面處水深為5.8 m，高于武家溝門村莊高程0.5 m，此時(shí)武家溝門村亦被淹沒。

3.4" 潰壩最大流量到達(dá)下游某斷面所需時(shí)間的計(jì)算

黃河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院根據(jù)實(shí)驗(yàn)求得其計(jì)算公式（式（7）），即

式中：τ為潰壩最大流量從壩址到下游l（m）處的傳播時(shí)間，s;hm為控制斷面處最大流量時(shí)的平均水深，m。kτ為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，等于0.8～1.2，水深小時(shí)取小值，大時(shí)取大值;H、l、V與式（3）、（5）相同。

經(jīng)計(jì)算τ=406 s，即洪水演進(jìn)至村莊處需要?dú)v時(shí)不足7 min，遠(yuǎn)不足村莊人員轉(zhuǎn)移所需時(shí)間。

4" 結(jié)論

通過模擬壩址瞬時(shí)全部潰決的情況，對(duì)下游進(jìn)行潰壩影響分析，計(jì)算后得到結(jié)論：壩址處全部潰決時(shí)將產(chǎn)生最大流量為10 059.7 m3/s的洪水、洪水沿溝道向下迅速傳播，406 s后傳播至下游2.0 km處武家溝門村邊溝道，屆時(shí)洪水將漫過溝床淹沒整個(gè)武家溝門村和村邊橋梁。因此，考慮到下游居民的安全建議，從工程安全可靠的角度建議重新選址新建淤地壩。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國水利部.淤地壩技術(shù)規(guī)范：SL/T 804—2020[S].北京：中國水利水電出版社，2020.

[2] 李繼清，門寶輝，等.水文水利計(jì)算[M].北京：中國水利水電出版社，2015.

[3] 李煒.水力計(jì)算手冊(cè)[M].2版.北京：中國水利水電出版社，2006.

[4] 馬瑞，張富，周波，等.甘肅省淤地壩工程的潰壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型[J].水土保持通報(bào)，2021，41（4）：139-144.

[5] 杭朋磊.黃土高原淤地壩系洪災(zāi)潰決風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[D].西安：西安理工大學(xué)，2020.

[6] 張楊，曹偉等.基于二維數(shù)學(xué)模型的淤地壩潰壩模擬研究[J].山西水土保持科技，2019（3）：14-17.