張濤 單既連 亓立云 胡方

摘要：以平原河道梁濟(jì)運(yùn)河為例，考慮漫溢過(guò)程進(jìn)行河道堤防潰決分洪計(jì)算。對(duì)于由缺口漫溢演變?yōu)闈⒌痰牡谭罎Q，簡(jiǎn)化為先漫溢、后潰堤的兩階段潰決過(guò)程，河道洪水演進(jìn)采用MIKE11 -維水動(dòng)力模型，潰決分洪按側(cè)堰自由出流計(jì)算。在既定的水力條件及假定潰口尺寸條件下，計(jì)算漫溢、漫潰、瞬潰等3種潰決形式的分洪流量、水位過(guò)程，相對(duì)于一階段的瞬潰方案，二階段的漫潰方案的潰決分洪水量較大、潰決時(shí)間較長(zhǎng)，較符合河道堤防潰決發(fā)展過(guò)程。

關(guān)鍵詞：漫潰聯(lián)算；漫溢；平原河道；MIKE11

中圖分類(lèi)號(hào)：TV131

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.06.012

堤防工程是河道防洪工程體系的重要組成部分，通過(guò)修建堤防可有效順導(dǎo)水流，避免河道洪水淹沒(méi)兩岸區(qū)域。在堤防缺口段、險(xiǎn)工段，存在發(fā)生洪水漫溢或堤防垮塌的可能性，堤防潰決將給沿岸地區(qū)帶來(lái)人民生命及財(cái)產(chǎn)損失。目前在大壩潰決演變機(jī)理1、潰決洪水一維及二維演進(jìn)[2.3]等方面研究成果較多，在河道堤防潰決方面，張秀勇[4]研究了黃河下游堤防沖刷破壞機(jī)理，房殿榮[5]通過(guò)土體沖刷試驗(yàn)分析河道堤防潰口破壞過(guò)程。鑒于河道堤防潰決事件較少，以及受堤防材質(zhì)、水文水力條件等不確定性因素影響，常對(duì)潰決演變過(guò)程、潰決尺寸等進(jìn)行簡(jiǎn)化或假定[6]。本文以平原河道梁濟(jì)運(yùn)河為例，假定潰口尺寸，考慮缺口漫溢過(guò)程進(jìn)行潰堤分洪計(jì)算，分析比較漫潰與漫溢、瞬潰等潰決形式的分洪流量、水位過(guò)程。

1 潰決形式

根據(jù)堤防潰決發(fā)生原因，潰決可分為三大類(lèi)：一是漫溢潰決[4]，當(dāng)洪水位超過(guò)堤頂或堤防缺口時(shí)，形成洪水漫溢：二是滲透潰決，洪水水力滲透導(dǎo)致堤防發(fā)生滲水、管涌、流土等，逐步形成潰口，造成潰決[4]；三是沖刷潰決，如在急流段、彎道險(xiǎn)工段，洪水沖刷淘空堤身逐步形成潰口，造成堤防潰決。實(shí)際堤防潰決發(fā)展過(guò)程中，各潰決形式常常相互伴隨發(fā)生，如當(dāng)?shù)谭廊笨诎l(fā)生洪水漫溢時(shí)，隨著洪水長(zhǎng)時(shí)間沖刷缺口兩側(cè)邊坡及缺口底部，缺口可能會(huì)逐漸擴(kuò)大，形成大規(guī)模潰決；在彎道水流沖刷堤防過(guò)程中，洪水同時(shí)會(huì)滲透堤防，造成堤防失穩(wěn)垮塌。

根據(jù)潰決發(fā)展過(guò)程，潰決可分為瞬潰和漸變潰。受地震等因素影響，可能會(huì)導(dǎo)致堤防瞬間垮塌潰決：河道堤防多為土質(zhì)堤防，潰口通常為逐步發(fā)展形成，潰決一般為漸變潰。

2 考慮漫溢過(guò)程的堤防潰決分洪模型

2.1 漫潰發(fā)展過(guò)程

相對(duì)于山丘河道，平原河道一般比降較小、洪水流速較小，堤防受洪水瞬間沖垮破堤的現(xiàn)象較少。平原河道岸線多為地上土質(zhì)堤防，鑒于河道沿線居民生產(chǎn)耕作以及交通要求，部分堤段常留有過(guò)路缺口，或地面局部沉降塌陷導(dǎo)致部分堤段下沉形成大段缺口7，在遭遇大洪水時(shí)缺口段可能發(fā)生洪水漫溢。隨著漫溢水流不斷沖刷，缺口或者基本維持現(xiàn)狀尺寸，即漫溢不潰：或者缺口縱向發(fā)展，加大潰決深度：或者缺口橫向發(fā)展，造成缺口兩翼堤坡垮塌，由漫溢演變?yōu)闈⒌?。潰決過(guò)程受筑堤土料、修筑質(zhì)量、坡面防沖設(shè)施以及洪水水力條件等因素影響。為簡(jiǎn)化計(jì)算，潰口及漫溢口形狀均假定為矩形，漫溢及漫潰形式見(jiàn)圖1。

對(duì)于由漫溢演變?yōu)闈⒌痰臐Q，本文簡(jiǎn)化為兩階段的漫潰過(guò)程，即先漫溢、后潰堤。在潰堤前為漫溢過(guò)程，即自由出流：在水位達(dá)到保證水位時(shí)刻瞬間潰堤，其中，保證水位根據(jù)河道現(xiàn)狀防洪能力確定，當(dāng)洪水位達(dá)不到保證水位時(shí)則確定潰堤在洪峰來(lái)臨時(shí)刻瞬間潰堤。

2.2 潰決高程及寬度

（1）漫溢口。為簡(jiǎn)化計(jì)算，漫溢口根據(jù)現(xiàn)狀缺口過(guò)水?dāng)嗝娉叽绲刃Ц呕癁榫匦?。漫溢底高程Zf取缺口處底高程，不低于堤外附近地面高程：漫溢寬度B_f，近似按以下公式計(jì)算：式中：A_g為缺口過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；Z_d為堤頂高程，m。

（2）潰口。潰口底高程Z_b，不低于堤底高程，不低于堤外附近地面高程。潰口寬度結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式及專(zhuān)家咨詢(xún)意見(jiàn)綜合確定，文獻(xiàn)[8]推薦的匯流點(diǎn)處潰口寬度B_b經(jīng)驗(yàn)公式為

B_b=4.5（lgB）^3.5+50

（2）式中：B為河道寬度，m。

2.3 水力計(jì)算方法

（1）河道洪水演進(jìn)。根據(jù)洪水源匯過(guò)程，采用MIKE 11 一維非恒定流水動(dòng)力模型[9]進(jìn)行洪水演進(jìn)計(jì)算。該模型基于圣維南方程求解，其連續(xù)方程、動(dòng)量方程分別為式中：A力河道過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；Q為流量，m3/s；u為側(cè)向來(lái)流在河道方向的流速，m/s；t為時(shí)間，s；x為沿水流方向的水平坐標(biāo)；g為河道的側(cè)向來(lái)流量，m3/s；α為動(dòng)量修正系數(shù)；g為重力加速度，m/s2；y為水位，m；S_f為摩阻坡降。

該模型使用6點(diǎn)abbott -lonescu格式隱式差分離散圣維南方程組[9]，適應(yīng)于分汊型河道等復(fù)雜河網(wǎng)的水力計(jì)算，模型計(jì)算精度較高，收斂性較好[3]。

（2）潰決分洪流量。當(dāng)潰口底高程低于堤外周?chē)鷧^(qū)域高程時(shí)，影響潰口分洪出流形態(tài)，易形成淹沒(méi)出流：當(dāng)潰口底高程高于周?chē)孛鏁r(shí)，潰決洪水能向周邊區(qū)域順利下泄，潰決洪水流態(tài)基本為自由出流。本次研究均采用側(cè)堰公式[10]計(jì)算分洪流量過(guò)程，公式為式中：m為自由溢流的流量系數(shù)；σ為淹沒(méi)系數(shù)；Q_b為決口處出_：流流量，m3/s；Z為決口處河道水位，m；Z_b為潰口底高程，m；b為潰決寬度，m。

（3）漫溢潰堤分洪聯(lián)合計(jì)算。漫溢及潰堤分洪過(guò)程采用MIKE11中的側(cè)向潰壩模塊模擬。將潰口處的堤防視為漫溢口，即堤防長(zhǎng)度設(shè)為漫溢口寬度，堤頂高程設(shè)為漫溢高程，漫溢洪水為自由出流：當(dāng)水位達(dá)到保證水位或洪峰來(lái)臨時(shí)刻開(kāi)始潰堤，將潰口初始形狀及終止形狀均設(shè)為同一潰口形狀，即在潰堤開(kāi)始瞬間，潰口底高程及潰口寬度瞬間形成，潰堤洪水為自由出流。

3 潰決分洪實(shí)例計(jì)算

3.1 河道情況

梁濟(jì)運(yùn)河是山東省南四湖流域北部地區(qū)一條承擔(dān)防洪排澇、輸水航運(yùn)等任務(wù)的骨干河道，于流全長(zhǎng)87.8km，流域面積3 306 km2。該河道為季節(jié)性平原河道，洪水主要由當(dāng)?shù)乇┯晷纬?，洪水漲落比較緩慢，匯集消退時(shí)間較長(zhǎng)。流域內(nèi)地形基本為北高南低，干流堤頂高程在20 a-遇洪水位以上1～3 m，支流鄆城新河口段堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較低，堤防較單薄，為土質(zhì)堤防：同時(shí)，堤防存在道路缺口，缺口處路基為土路結(jié)構(gòu)。在于流樁號(hào)42+030鄆城新河口設(shè)置1處潰口（見(jiàn)圖2）。

3.2 漫溢口及潰口尺寸

（1）漫溢口?，F(xiàn)狀缺口呈不規(guī)則梯形，缺口上部寬約為55 m，下部寬約為42 m，缺口底最低處高程為38.5 m。根據(jù)斷面尺寸概化方法，并適當(dāng)考慮缺口受洪水沖刷不斷擴(kuò)大等因素，確定漫溢口寬度為50 m，漫溢口底高程為38.5 m。

（2）潰口。根據(jù)式（2）計(jì)算潰口寬度為164 m，考慮到歷次堤防加固情況并結(jié)合專(zhuān)家咨詢(xún)意見(jiàn)，確定潰口寬度為120 m，潰堤底高程為37.7 m。

3.3 計(jì)算方案

（1）計(jì)算方案。為分析不同潰決形式下的分洪過(guò)程，設(shè)定漫溢、漫潰及瞬潰3種潰決計(jì)算方案，其中瞬潰方案假定堤防按純潰堤形式，不考慮缺口漫溢過(guò)程，當(dāng)水位達(dá)到保證水位或洪峰來(lái)臨時(shí)刻時(shí)瞬間潰堤。洪水計(jì)算頻率選取20 a一遇、50 a一遇標(biāo)準(zhǔn)。

（2）水力參數(shù)。對(duì)梁濟(jì)運(yùn)河0+000-86+800河段建立MIKE 11一維水動(dòng)力模型，設(shè)置河道、洪水、建筑物、糙率等參數(shù)。河道斷面間距為100～200 m；設(shè)置流暢河、鄆城新河等主要支流的洪水設(shè)計(jì)過(guò)程為洪水匯人點(diǎn)源，閘壩均按敞泄控制。河道采用分區(qū)糙率，河槽糙率為0.023、灘地糙率為0.035。20 a一遇、50 a一遇洪水河口起始水位分別為36.29、36.79 m。梁濟(jì)運(yùn)河現(xiàn)狀防洪標(biāo)準(zhǔn)基本達(dá)到20 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，河道保證水位采用20 a一遇洪水設(shè)計(jì)水位，其中鄆城新河斷面處保證水位為40.08 m。

3.4 計(jì)算結(jié)果

20 a一遇洪水（p=5%）、50 a一遇洪水（p=2%）下的潰決流量、水位過(guò)程見(jiàn)圖3～圖6。

按照漫潰方案，在20 a一遇洪水下，隨著河道水位的增高，先發(fā)生漫溢：當(dāng)洪峰來(lái)臨時(shí)，由漫溢瞬間演變?yōu)闈⒌?，潰口過(guò)水?dāng)嗝嫠查g擴(kuò)大，潰決流量為最大，與瞬潰方案同時(shí)潰決：隨著洪水的消退，潰決流量逐漸減小直至為零。在50 a-遇洪水下，隨著河道水位的增高，先發(fā)生漫溢：當(dāng)河道水位超過(guò)保證水位時(shí)，由漫溢瞬間演變?yōu)闈⒌?，潰口過(guò)水?dāng)嗝嫠查g擴(kuò)大，潰決流量急劇加大，形成初次潰決洪峰：在洪峰時(shí)刻分洪流量達(dá)到最大，形成二次潰決洪峰：隨著洪水的消退，潰決流量逐漸減小直至為零。

3.5 分洪參數(shù)分析

漫溢、漫潰及瞬潰方案的潰決特征值見(jiàn)表1。漫潰方案的潰決流量、水位過(guò)程見(jiàn)圖7。

（1）潰決發(fā)展過(guò)程。同一量級(jí)洪水下，漫潰方案的潰決時(shí)長(zhǎng)為最長(zhǎng)。漫潰與漫溢方案中，漫溢階段的分洪流量、水位過(guò)程均一致：漫潰與瞬潰方案中，潰堤初始階段的分洪流量、水位過(guò)程有所差異，但分洪過(guò)程逐漸趨于一致。

（2）分洪洪峰。同一量級(jí)洪水下，瞬潰方案的分洪洪峰為最大，漫潰次之，漫溢為最小。漫潰方案中，在漫溢階段，潰決處河道水位相比未發(fā)生潰決時(shí)的河道水位有所下降，潰堤時(shí)的分洪水頭相對(duì)于瞬潰方案潰堤時(shí)的分洪水頭較小，因此分洪洪峰流量相對(duì)較小。

（3）分洪水量。漫潰方案的分洪水量為最大，瞬潰次之，漫溢為最小。漫溢方案中，僅有漫溢口分洪，由于漫溢高程相對(duì)較高、漫溢口寬度較窄，因此同量級(jí)洪水標(biāo)準(zhǔn)下其分洪水量為最小。一般情況下，潰決分洪水量越大，造成的淹沒(méi)范圍越大，淹沒(méi)歷時(shí)越長(zhǎng)，將造成的洪災(zāi)損失越大，相對(duì)于漫溢及瞬潰方案，漫潰方案對(duì)防洪安全尤為不利。

（4）潰決事件驗(yàn)證分析。一般平原河道發(fā)生堤防垮塌的可能性較小，在堤防過(guò)路缺口、局部堤高不達(dá)標(biāo)等堤段，遭遇大洪水可能發(fā)生漫溢而不潰堤：或是漫溢后，沖刷、滲透破壞等因素導(dǎo)致漫溢演變?yōu)闈⒌?。?jù)資料記載，該流域1964年8月普降大雨，造成支流鄆城新河河口段漫溢決口，口門(mén)寬約為40 m；1957年、1993年及2004年等年份，強(qiáng)降雨導(dǎo)致鄆城新河等多條支流漫溢受災(zāi)。鑒于河道潰決事件發(fā)生較少，缺少潰決演變過(guò)程、流量等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)考慮潰口演變機(jī)理的復(fù)雜性[1，6]，本文假定不同的演變過(guò)程及潰口尺寸以簡(jiǎn)化計(jì)算。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）在土質(zhì)堤防缺口段隨著漫溢水流不斷沖刷漫溢口，漫溢口可能在縱向及橫向發(fā)展，由漫溢演變?yōu)闈⒌?。在既定條件下，對(duì)比分析了漫潰與漫溢、瞬潰等潰決形式的分洪流量及水位過(guò)程，相對(duì)于一階段過(guò)程的瞬潰形式而言，采用簡(jiǎn)化的兩階段漫潰形式更符合潰決發(fā)展過(guò)程：同量級(jí)洪水條件下，漫潰的分洪水量為最大、潰決時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)，將造成更大的洪災(zāi)淹沒(méi)損失。

（2）本文對(duì)潰決分洪流量是按側(cè)堰自由出流計(jì)算的，未考慮淹沒(méi)區(qū)洪水演進(jìn)對(duì)河道潰決分洪的水力影響，應(yīng)探討河道一維洪水與淹沒(méi)區(qū)二維洪水的耦合計(jì)算，進(jìn)一步研究堤防潰決演變機(jī)理。

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