王海麗

（新疆塔里木河流域喀什管理局，新疆喀什844700）

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水庫(kù)大壩潰壩事故洪水預(yù)測(cè)數(shù)值計(jì)算研究

王海麗

（新疆塔里木河流域喀什管理局，新疆喀什844700）

摘要：水庫(kù)大壩在調(diào)蓄洪峰、農(nóng)業(yè)灌溉、水力發(fā)電等多方面發(fā)揮著重大作用。然而受施工因素和地質(zhì)因素影響，水庫(kù)堤壩開始出現(xiàn)安全隱患，堤壩滲漏引發(fā)的災(zāi)害性事件頻頻發(fā)生，因此研究大壩防潰決和洪水預(yù)測(cè)具有重要意義?；趪?guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，從堤壩瞬時(shí)潰壩水流的控制方程出發(fā)，計(jì)算水庫(kù)大壩瞬間全潰的洪水洪峰流量、持續(xù)時(shí)間、壩址流量過程線。希望為今后水庫(kù)大壩防潰決設(shè)計(jì)提供理論支持。

關(guān)鍵詞：水庫(kù)；大壩；潰決；洪水預(yù)測(cè)

0 引言

當(dāng)前，我國(guó)已經(jīng)建成各類水庫(kù)8萬余座，受施工因素和地質(zhì)因素影響，許多水庫(kù)大壩的建設(shè)水平不高并且缺乏維護(hù)。從1954年至今，我國(guó)有3000多座水庫(kù)發(fā)生潰壩，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡［1-2］。水庫(kù)堤壩逐漸出現(xiàn)安全隱患，堤壩滲漏引發(fā)的災(zāi)害性事件頻頻發(fā)生，因此研究大壩防潰決和洪水預(yù)測(cè)具有重要意義。洪水的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致河道出現(xiàn)高水位、高流速，并對(duì)岸坡進(jìn)行嚴(yán)重的沖刷，出現(xiàn)水毀事故，同時(shí)大尺度的洪水還會(huì)威脅水庫(kù)大壩安全［3］。潰壩的出現(xiàn)一般是洪水以立波形式向下游急速推進(jìn)的結(jié)果，最大流量產(chǎn)生在壩址處，出現(xiàn)全潰后，水庫(kù)內(nèi)的水往往在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)就會(huì)泄空。潰壩洪水的洪峰流量、流速、破壞力遠(yuǎn)大于一般洪水，造成的災(zāi)害往往是毀滅性的。

當(dāng)前，潰壩洪水的研究方法有解析法、數(shù)值模擬法、實(shí)驗(yàn)法等。由于洪水對(duì)應(yīng)的物理流場(chǎng)中存在間斷波，數(shù)值模擬起來較為困難。隨著計(jì)算機(jī)水平的提高，多位學(xué)者進(jìn)行潰壩洪水的數(shù)值模擬計(jì)算，潰壩洪水?dāng)?shù)值模擬手段主要有：激波擬合法和激波捕捉法［4］?；趪?guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，從堤壩瞬時(shí)潰壩水流的控制方程出發(fā)，計(jì)算水庫(kù)大壩瞬間全潰的洪水洪峰流量、持續(xù)時(shí)間、壩址流量過程線。希望為今后水庫(kù)大壩防潰決設(shè)計(jì)提供理論支持。

1 瞬時(shí)潰壩控制方程

由于大壩類型和水庫(kù)容量不同，潰壩事故出現(xiàn)的概率也不相同，根據(jù)國(guó)際大壩委員會(huì)給出的統(tǒng)計(jì)資料：土壩發(fā)生潰壩的概率最高，占總潰壩數(shù)量的50%；重力壩占25%；支墩壩、拱壩占25%［5］。從水庫(kù)容量角度看，中小型水庫(kù)發(fā)生潰壩事故的比例最高，占整體的80%以上。潰壩的類型很多，按照潰壩發(fā)展時(shí)間劃分為瞬時(shí)潰壩、逐漸潰壩。重力壩、拱壩、支墩壩一般都是瞬時(shí)潰壩，本文將重點(diǎn)研究此類型的潰壩［6-7］。

根據(jù)瞬時(shí)潰壩的水流流態(tài)，一般在潰壩上游出現(xiàn)逆行負(fù)波，在潰壩的下游形成順行正波，圖1給出了水庫(kù)大壩瞬時(shí)潰壩后的洪水波形。逆行負(fù)波以波速ω0向上游傳播，由于波前水深較大，因此波前速度大于波后速度。

圖1 瞬時(shí)潰壩后的洪水波形示意圖

潰壩洪水一般不考慮旁側(cè)流入的情形，連續(xù)性方程為：

水流斷面面積隨時(shí)間的梯度與流量隨沿程的梯度之和為0，說明洪水凈流入多少水量就增加多少。此外，水流為漸變流，在河道底坡i變化不大時(shí)，流動(dòng)還應(yīng)滿足動(dòng)量方程：

式中：A為水流斷面面積，m2；t為水流時(shí)間，h；Q為流量，m3/s；x為水平位移，m；Z為水位，m；R為水力半徑，m；C為阻力系數(shù)；v為流動(dòng)速度，m/s；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋琺/s2。

2 瞬時(shí)潰壩洪水預(yù)測(cè)計(jì)算

本文研究的葉爾羌河山區(qū)擬建水庫(kù)，水庫(kù)正常水位為1775m，額定庫(kù)容為7620萬m3，其中死庫(kù)容為1340萬m3。但是水庫(kù)大壩下游8km處有一個(gè)縣城，因此大壩安全對(duì)下游防洪至關(guān)重要。一旦水庫(kù)發(fā)生潰壩，將會(huì)給下游居民帶來毀滅性的災(zāi)難。該水庫(kù)大壩為土石壩，散粒體結(jié)構(gòu)，壩頂海拔1778m，壩底海拔1694m，壩頂長(zhǎng)度338m，壩底長(zhǎng)度133m，壩高84m。

假設(shè)該大壩發(fā)生瞬時(shí)全潰的情形有兩種：

（1）水庫(kù)在正常水位情況下出現(xiàn)管涌等情形，進(jìn)而發(fā)生瞬時(shí)潰壩；

（2）水庫(kù)出現(xiàn)壩頂溢流，導(dǎo)致瞬時(shí)潰壩。

對(duì)上述兩種情形進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得出第一種情形的作用水頭為39m，第二種情形的作用水頭為42.2m。第一種情形的潰口寬度為235.4m，第二種情形的潰口寬度為235.4m。第一種情形的洪峰流量為53200m3/s，第二種情形的洪峰流量為59800m3/s。由此可見壩頂溢流的洪峰流量更大，此種潰壩情形更危險(xiǎn)。

隨后對(duì)潰壩洪水持續(xù)時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，瞬時(shí)潰壩的洪水流量與最大流量、下泄流量、水庫(kù)容積等因素有關(guān)。當(dāng)達(dá)到最大流量QP時(shí)，就可以根據(jù)其他幾個(gè)參數(shù)求解出水庫(kù)的泄空時(shí)間T，此時(shí)間即為潰壩洪水持續(xù)時(shí)間。同樣對(duì)上述兩種潰壩情形進(jìn)行計(jì)算得出：第一種情形的水庫(kù)容積為6280萬m3，持續(xù)時(shí)間為1.15h；第二種情形的水庫(kù)容積為6860萬m3，持續(xù)時(shí)間為1.12h。

根據(jù)潰壩洪水持續(xù)時(shí)間T、最大流量QP和下泄流量Q0就可得出水庫(kù)大壩瞬時(shí)潰壩的流量過程，兩種瞬時(shí)潰壩情形的出流過程數(shù)據(jù)列于表1。其中t為水庫(kù)潰壩時(shí)間，Q為潰壩流量。

表1 兩種瞬時(shí)潰壩情形的出流情況

將兩種瞬時(shí)潰壩情形的出流數(shù)據(jù)繪制成流量過程線。圖2為第一種情形的流量過程線，圖3為第二種情形的流量過程線。

圖2 第一種瞬時(shí)全潰情形的流量過程線

圖3 第二種瞬時(shí)全潰情形的流量過程線

計(jì)算結(jié)果顯示，潰壩洪水傳播速度很快，1h左右就可以全部泄完。到達(dá)縣城所用時(shí)間不超過1h，鑒于水庫(kù)對(duì)縣城的威脅較大，因此應(yīng)當(dāng)建立完善的預(yù)警系統(tǒng)。并例如數(shù)值軟件對(duì)水庫(kù)潰壩模型進(jìn)行有限元分析，依據(jù)分析結(jié)果開發(fā)出防洪風(fēng)險(xiǎn)圖。

3 結(jié)語(yǔ)

洪水發(fā)生會(huì)導(dǎo)致河道出現(xiàn)高水位、高流速，并對(duì)岸坡進(jìn)行嚴(yán)重沖刷，出現(xiàn)水毀事故，同時(shí)大尺度的洪水還會(huì)威脅水庫(kù)大壩安全。潰壩洪水的洪峰流量、流速、破壞力遠(yuǎn)大于一般洪水，造成的災(zāi)害往往是毀滅性的。潰壩洪水?dāng)?shù)值模擬手段主要有：激波擬合法和激波捕捉法?；趪?guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，從堤壩瞬時(shí)潰壩水流的控制方程出發(fā)，計(jì)算水庫(kù)大壩瞬間全潰的洪水洪峰流量、持續(xù)時(shí)間、壩址流量過程線。研究表明，潰壩洪水傳播速度很快，1h左右就可以全部泄完，對(duì)下游縣城安全威脅較大。

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中圖分類號(hào)：TV698

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1008-1305（2016）02-0056-02

DOI：10.3969/j.issn.1008-1305.2016.02.024

收稿日期：2015-01-05

作者簡(jiǎn)介：王海麗（1980年—），女，工程師。