蔡黎明+麻天為

摘 要：簡要介紹了磨子潭水庫的基本情況，遵循“最不利，最可能”的原則，提出了磨子潭水庫可能潰壩的4種典型方案，并根據(jù)這些方案分析了磨子潭水庫潰口洪水的流量過程線，從而為潰壩洪水演進(jìn)模擬入流邊界的設(shè)置提供必要的參考。

關(guān)鍵詞：磨子潭水庫；潰壩；潰口；洪水分析

中圖分類號(hào)：TV122+.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.05.018

在實(shí)際工作中，假設(shè)混凝土壩的潰決方式和潰口形態(tài)，根據(jù)水庫運(yùn)行水位和不同上游來流量值進(jìn)行組合計(jì)算，比較和分析了潰口最大流量、潰口流量過程線。潰口發(fā)展和潰口流量的計(jì)算、模擬是研究潰壩問題的基礎(chǔ)。潰口流量過程線作為潰壩洪水波演進(jìn)的入流邊界，其計(jì)算精確度關(guān)系著潰壩洪水波的演進(jìn)效果，而且還會(huì)影響對潰壩風(fēng)險(xiǎn)的分析和地區(qū)應(yīng)急預(yù)案的制訂。

1 工程概況

磨子潭水庫位于淠河上游安徽省霍山縣境內(nèi)，水庫下游25 km是佛子嶺水庫壩址，它與佛子嶺水庫形成串聯(lián)式的梯級(jí)樞紐，是一座以防洪為主，集灌溉、發(fā)電等功能為一體的綜合水利樞紐。其控制流域面積570 km2，總庫容3.47×108 m3。樞紐工程主要包括攔河壩、溢洪道、泄洪隧洞和發(fā)電廠。攔河壩主體為混凝土支墩大頭壩，它是由中部的12個(gè)雙支墩（ 2～12號(hào)） 壩段、兩壩頭各3個(gè)單支墩壩段、重力壩段、左岸2號(hào)垛以左（壩軸線向上游轉(zhuǎn)折42°）的轉(zhuǎn)折重力壩段組成。其壩頂全長331.0 m，最大壩高83.1 m，壩頂高程 202.0 m，防浪墻頂高程204 m，正常蓄水位187.0 m，設(shè)計(jì)洪水位201.19 m，對應(yīng)壩前水深79.19 m，對應(yīng)庫容為3.47×108 m3，校核洪水位203.93 m，對應(yīng)壩前水深81.93 m，對應(yīng)庫容3.47×108 m3。

2 潰口洪水計(jì)算

2.1 確定潰口形態(tài)

潰口是大壩潰決失事時(shí)形成的口門，其形態(tài)主要取決于壩型和筑壩材料。目前，對實(shí)際潰壩機(jī)理的研究尚不明確，因此，潰口的形態(tài)多用近似假定的方式確定。一般情況下，潰口形態(tài)是由4個(gè)參數(shù)確定的，即潰決歷時(shí)τ、潰口寬度b、潰口底部高程Hb、潰口邊坡的坡比m。第一個(gè)參數(shù)可以確定大壩的潰決形式——是瞬時(shí)潰壩還是逐漸潰壩，后面的3個(gè)參數(shù)則可以確定潰口的斷面形狀——矩形、三角形、梯形，進(jìn)而判斷大壩是局部潰決還是全部潰決。

2.2 計(jì)算潰壩最大流量

潰壩壩址的峰值流量與壩址潰壩前上下游水深、壩址斷面形狀和尺寸有關(guān)，而其計(jì)算方法則取決于潰壩形式——瞬時(shí)全潰、瞬時(shí)部分潰、逐漸潰決。由于筑壩材料和結(jié)構(gòu)形式不同，所以，對于混凝土重力壩或拱壩等剛性體壩，經(jīng)常出現(xiàn)一次性瞬時(shí)全潰或瞬時(shí)部分潰的情況。此次計(jì)算結(jié)合工程的實(shí)際情況，遵循“最不利，最可能”的原則計(jì)算壩體瞬時(shí)全潰、瞬時(shí)部分潰2種情況下的相關(guān)值。對于瞬時(shí)潰壩，水流呈非恒定、不連續(xù)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。目前，國內(nèi)外有不少潰壩潰口流量的計(jì)算模型，比如謝任之提出的統(tǒng)一公式，Sigh和Scarlato等通過實(shí)驗(yàn)觀察修正的寬頂堰流量計(jì)算公式，還有美國國家氣象局FLDWAV模型中使用的潰口流量公式等。本文擬采用謝任之提出的統(tǒng)一公式計(jì)算瞬時(shí)潰壩的最大流量，即：

. （1）

式（1）中：λ為流量系數(shù)；B0為潰口平均寬度，m；g為重力加速度，m/s2；H0為潰壩時(shí)壩前平均水頭，m。

當(dāng)大壩瞬時(shí)全潰時(shí)：

. （2）

當(dāng)大壩瞬時(shí)部分潰時(shí)：

. （3）

式（2）（3）中：m為斷面形狀系數(shù)；σ為沉溺系數(shù)；λe為矩形斷面、自由出流、口門拉至河底、堰寬比為e的流量系數(shù)；f為堰高比；n2，n4，n6分別為指數(shù)。

2.3 壩址斷面潰壩流量過程線

潰壩流量過程線可以概化為4次拋物線型或2.5次拋物線型，即當(dāng)潰壩初瞬流量陡增至Qmax時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)流量迅速降為潰壩前入庫流量Q0所形成的下凹曲線。在工程中，多選擇4次拋物線型。其具體工作流程是先擬定過程線總歷時(shí)T，再驗(yàn)算過程線與Q=Q0直線間的水量是否等于潰壩庫容。如果不相等，則需要調(diào)整T值，直到二者相等為止。

3 計(jì)算方案的選取和結(jié)果分析

3.1 計(jì)算方案

方案Ⅰ潰壩條件：瞬時(shí)全潰，庫水位取校核洪水位，即203.93 m；潰口底部高程為122 m；下泄庫容為3.47×108 m3；潰口寬度取壩址斷面平均河谷寬度，約為165.5 m；水庫上游來流量取與校核洪水位對應(yīng)的洪峰流量，即12 400 m?/s。

方案Ⅱ潰壩條件：瞬時(shí)部分潰，庫水位取校核洪水位，即203.93 m；潰口底部高程為163 m；下泄庫容為2.94×108 m3；潰口寬度取壩址斷面潰口底部以上平均河谷的寬度，約為220 m；水庫上游來流量取與校核洪水位對應(yīng)的洪峰流量，即12 400 m?/s。

方案Ⅲ潰壩條件：瞬時(shí)全潰，庫水位取設(shè)計(jì)洪水位，即201.19 m；潰口底部高程為122 m；下泄庫容為3.47×108 m3；潰口寬度取壩址斷面平均河谷寬度，約為165.5 m；水庫上游來流量取與設(shè)計(jì)洪水位對應(yīng)的洪峰流量，即6 640 m3/s。

方案Ⅳ潰壩條件：瞬時(shí)部分潰，庫水位取設(shè)計(jì)洪水位，即201.19 m；潰口底部高程為163 m；下泄庫容為2.665×108 m3；潰口寬度取壩址斷面潰口底部以上平均河谷寬度，約為220 m；水庫上游來流量取與設(shè)計(jì)洪水位對應(yīng)的洪峰流量，即6 640 m3/s。

3.2 結(jié)果分析

潰壩流量計(jì)算結(jié)果詳見表1，4種方案潰壩流量過程線如圖1、圖2、圖3、圖4所示。

由表1可知，通過計(jì)算4種方案的相關(guān)值，可得到壩址處潰壩峰值流量和下泄庫容放空用時(shí)。方案Ⅰ潰壩峰值流量最大，方案Ⅳ潰壩峰值流量最小，方案Ⅱ下泄庫容放空用時(shí)最長，方案Ⅲ下泄庫容放空用時(shí)最短。

由圖1、圖2、圖3、圖4可知，在4種潰壩條件下，在分析壩址斷面處潰口流量過程線的變化時(shí)，并沒有考慮到岸邊溢洪道、新老泄洪洞對潰口流量過程線的影響，而潰口流量在潰壩初迅速達(dá)到了潰壩峰值流量Qmax，之后又隨時(shí)間迅速展平，最后達(dá)到潰壩前入庫流量Q0.比較圖1和圖3可知，壩前水頭越高，潰壩洪水波攜帶的重力勢能就越高，潰壩峰值流量就越大，破壞能力就越強(qiáng)。

4 結(jié)論

磨子潭水庫多年平均徑流量為17.6 m?/s，歷年最大洪峰流量為9 350 m?/s，大壩采用千年一遇的校核標(biāo)準(zhǔn)，與其對應(yīng)的流量為12 400 m?/s。當(dāng)水庫遇到入庫洪水量超過設(shè)計(jì)洪水量或是其他突發(fā)情況，比如地震、戰(zhàn)爭等時(shí)，存在一定的潰壩風(fēng)險(xiǎn)。即使方案Ⅳ的潰壩峰值流量為66 039 m?/s，其真正流量也遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)流量。

文中潰口流量過程線的計(jì)算中并沒有考慮到潰口形成過程對其的影響，但是，在“最不利，最可能”的原則下，這種計(jì)算方式也是比較合理的，它能滿足工程的實(shí)際需要。在此過程中，較為準(zhǔn)確的潰口流量過程線的計(jì)算方法對計(jì)算潰壩洪水波演進(jìn)、分析潰壩風(fēng)險(xiǎn)、制訂地區(qū)應(yīng)急預(yù)案是非常有利的。因此，后續(xù)探尋較為準(zhǔn)確的潰口流量過程線計(jì)算方法是很有必要的。

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〔編輯：白潔〕