袁昌龍

摘要：土石壩是國(guó)內(nèi)外使用最廣泛的壩型，也是大壩工程建設(shè)歷史上應(yīng)用最廣泛，發(fā)展最快的一種壩型。在數(shù)量眾多的土石壩中，具有防洪功能的大壩占總數(shù)的六成以上，因此大壩的穩(wěn)定與否直接關(guān)系著下游人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，對(duì)下游城鎮(zhèn)的政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)影響較大。洪水影響范圍的確定對(duì)下游社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展意義重大，本期就土石壩潰壩后對(duì)下游的影響范圍確定作淺析。

關(guān)鍵詞：土石壩；潰壩，影響范圍

潰壩影響區(qū)主要是大壩下游地區(qū)，可根據(jù)下游河道走向初步判斷影響區(qū)范圍，要確定具體的洪水影響區(qū)還要進(jìn)行潰壩洪水分析計(jì)算，得出洪水到達(dá)某個(gè)斷面時(shí)淹沒(méi)的水深，推算洪水淹沒(méi)高程，為人員的應(yīng)急轉(zhuǎn)移安置提供理論參考。洪水潰壩分析計(jì)算應(yīng)從大壩的潰口寬度、壩址處的流量、潰壩洪水過(guò)程線分析、壩址最大流量沿程演進(jìn)、洪水傳播時(shí)間過(guò)程具體確定洪水的淹沒(méi)高程。

土石壩潰壩的原因主要是壩體失穩(wěn)，壩體失穩(wěn)主要是通過(guò)洪水漫頂、基礎(chǔ)或大壩管涌、滲漏引起的。潰口的形態(tài)主要通過(guò)近似假定來(lái)確定。根據(jù)假定的不同潰壩形式與不同頻率洪水的組合，即可制定不同的潰壩計(jì)算方案。目前計(jì)算潰壩洪水的水力學(xué)模型較多，所采用的計(jì)算方法和經(jīng)驗(yàn)公式繁多，但對(duì)潰壩決口形式的描述比較一致。

本次以貴州省興義市興西湖水庫(kù)為模型進(jìn)行潰壩計(jì)算，分析水庫(kù)潰壩的影響范圍。興西湖水庫(kù)位于貴州省黔西南州興義市西北部，興西湖水庫(kù)建于1956年，大壩位于珠江流域南盤江支流馬別河的右岸一級(jí)支流納灰河上游河段，處東經(jīng) 104°47′～105°02′、北緯 24°55′～25°04′之間，壩址以上集雨面積34.00km?，為均質(zhì)土壩，壩頂高程1419.50m，最大壩高42.10m，壩頂寬6.00m，壩頂長(zhǎng)176.00m，壩頂設(shè)0.90m高的漿砌塊石防浪墻。水庫(kù)校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇（P=0.1%），相應(yīng)水位1419.30m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容2720.00萬(wàn)m?；設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇（P=2%），主汛期防洪限制水位1416.00m，相應(yīng)庫(kù)容2200.00萬(wàn)m?，死水位1397.40m；調(diào)洪庫(kù)容520萬(wàn)m?，防洪庫(kù)容405萬(wàn)m?，興利庫(kù)容2280萬(wàn)m?，死庫(kù)容390萬(wàn)m?。溢洪道最大下泄流量95.90m?/s，放水隧洞最大泄流量7.00m?/s。放水管設(shè)置于土壩廊道中，長(zhǎng)度為109.50m，為鋼筋砼管，管長(zhǎng)195.00m，內(nèi)徑0.80m，進(jìn)水口底板高程1379m。水庫(kù)下游河道從上游到下游分經(jīng)過(guò)壩口、灑金、貴州醇景區(qū)、萬(wàn)峰林景區(qū)、上納灰，在落水洞進(jìn)入伏流匯入萬(wàn)峰湖。

土石壩潰口計(jì)算最常用的有2種公式：

1 黃河水利委員會(huì)經(jīng)驗(yàn)公式

公式1

式中b為潰口寬度（m），W為總庫(kù)容（萬(wàn)m?），B為潰壩時(shí)壩前水面線寬度或壩頂長(zhǎng)度（m），H為最大壩高（m），K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，黏土取0.65，壤土取1.30。

2 鐵道科學(xué)研究院經(jīng)驗(yàn)公式

公式2

式中b為潰口寬度（m），W為總庫(kù)容（萬(wàn)m?），K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，土石壩取1.19。

在大壩穩(wěn)定設(shè)計(jì)計(jì)算模型中，水庫(kù)達(dá)到校核水位時(shí)水庫(kù)大壩仍然處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此在計(jì)算時(shí)取總庫(kù)容計(jì)算結(jié)果偏小。準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)這個(gè)庫(kù)容應(yīng)該是壩頂高程對(duì)應(yīng)的水庫(kù)庫(kù)容，但大多數(shù)水庫(kù)從校核水位到壩頂高程的高差較小，這部分高差形成的庫(kù)容占校核水位對(duì)應(yīng)的百分比較小，幾乎可以忽略不計(jì)。公式1計(jì)算的潰口寬度b=119.53m，公式2計(jì)算的潰口寬度b=115.67m，潰口寬度b取119.53m，潰口寬度b取119.53m。

在計(jì)算潰口處的最大流量Qm時(shí)，可分為三種情況進(jìn)行分析，即壩體瞬間全垮、壩體瞬間垮掉部分且部分一潰到底、壩體瞬間局部垮掉，剩余殘壩壩高按死水位計(jì)算。

（1）壩體瞬間全垮時(shí)，采用圣維南公式進(jìn)行計(jì)算：

公式3

式中；Qm—潰壩時(shí)壩址處最大流量（m?/s）；H0—潰壩前的壩前水深（m），42.1m；B—壩頂長(zhǎng)度（m），208m。Qm＝8÷27×208×9.80.5×42.11.5=

52701.84m?/s

（2）壩體瞬間垮掉部分且部分一潰到底時(shí)：

根據(jù)大壩形狀來(lái)看，按上述計(jì)算潰口寬度119.53m一潰到底，幾乎相當(dāng)于全垮狀態(tài)，故此種工況潰口寬度采用59.77m計(jì)算。

采用肖克利契公式進(jìn)行計(jì)算：

公式4

Qm=8/27×9.80.5×（208/59.77）0.25×59.77×

42.11.5=20683.18 m?/s

（3）壩體瞬間局部垮掉，剩余殘壩壩高按死水位計(jì)算：

公式5

h—?dú)堄鄩胃撸╩），取20m（死水位到基底高度）。Qm=8512.97m?/s

不同潰壩情況下水庫(kù)壩址斷面潰壩最大流量成果見(jiàn)下表。

瞬間全潰流量過(guò)程線與Qm、Q0及W有關(guān)，其水量平衡方程為：

公式6

式中：W 為潰壩前水庫(kù)的蓄水量；Q0 為潰壩前下泄流量，量級(jí)差距較大，可忽略；Qm為潰壩洪峰流量。計(jì)算上述三種不同潰壩總歷時(shí)T：

T=5×2720×104/52701.84=2580.56s（壩體瞬間全垮時(shí)）

T=5×2720×104/20683.18=6575.39s（當(dāng)瞬間局部潰壩且一潰到底時(shí)）

T=5×2720×104/8512.97=15975.63s（當(dāng)瞬間局部潰壩時(shí)）

洪水到達(dá)下游斷面時(shí)的洪峰流量按以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

公式7

式中：Qm為潰口處洪峰流量，m；W為可泄水量（潰壩庫(kù)容），2720萬(wàn)m?；L為計(jì)算斷面距壩址的距離，m；Vc為河道洪水期斷面最大平均流速，若無(wú)資料，一般山區(qū)可采用3～5m/s，半山區(qū)2.0～3.0m/s，平原地區(qū)1.0～2.0m/s。水庫(kù)位于山區(qū)，本次計(jì)算取4m/s，K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，山區(qū)可采用1.1～1.5，半山區(qū)1.0，平原區(qū)0.8～0.9，本次計(jì)算取1.2。

根據(jù)興西湖水庫(kù)下游河道的走向及下游地形，判斷下游影響區(qū)主要為沿河兩岸的村寨，從上游到下游分別是壩口、灑金、貴州醇景區(qū)、萬(wàn)峰林景區(qū)、上納灰。各村寨距離壩址的距離從1∶10000地形圖上測(cè)得，通過(guò)公式7計(jì)算得出興西湖水庫(kù)潰壩洪水到達(dá)下游各斷面的最大流量見(jiàn)表2。

興西湖潰壩后，洪水主要沿著納灰河河道走向，沖刷納灰河兩岸的農(nóng)田和建筑物，洪水先后流經(jīng)壩口，長(zhǎng)堂到達(dá)風(fēng)洞，沿風(fēng)洞向南威脅灑金、貴州醇景區(qū)及下五屯部分街道，經(jīng)過(guò)陽(yáng)光盆景園到達(dá)萬(wàn)峰林景區(qū)北門，順勢(shì)而下，威脅萬(wàn)峰林景區(qū)內(nèi)的村寨，經(jīng)過(guò)魚(yú)隴、將軍橋、上納灰、下納灰，到落水洞進(jìn)入伏流，洪水最后流入萬(wàn)峰湖。

按照黃河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究所（1977）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，求得潰壩洪水傳播時(shí)間，公式如下

洪水起漲時(shí)間：

公式8

最大洪峰流量到達(dá)時(shí)間：

公式9

洪水消落時(shí)間： 公式10

式中時(shí)間單位均為s：

k1為系數(shù)，k1=（0.63～0.73）×10-3，取0.68×10-3；k2為系數(shù)，k2=0.8～1.2，取1.0；hm為洪峰流量時(shí)的平均水深，即與Qm相應(yīng)的平均水深；

根據(jù)以上公式計(jì)算水庫(kù)潰壩洪水到達(dá)各斷面時(shí)間，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表3。

洪水達(dá)到下游時(shí)的淹沒(méi)深度按照大壩全潰時(shí)洪水延程演進(jìn)流量來(lái)計(jì)算，即：

公式11

式中：h為淹沒(méi)深度，m；Qlm為全潰時(shí)大壩洪水延程演進(jìn)流量，m?/s；水庫(kù)位于山區(qū)，本次計(jì)算VC取4m/s。

L為計(jì)算斷面的平均長(zhǎng)度，m。

通過(guò)計(jì)算洪水達(dá)到下游時(shí)的淹沒(méi)水深，得到洪水的淹沒(méi)高程，進(jìn)而繪制出洪水潰壩風(fēng)險(xiǎn)圖，在應(yīng)急搶險(xiǎn)中起到指導(dǎo)性作用。鑒于圣維南方程存在的局限性，加上潰壩洪水的變化過(guò)程復(fù)雜，在分析潰壩洪水時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理取值，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)急搶險(xiǎn)情況，合理安排搶險(xiǎn)任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳慶龍.土石壩潰壩分析與防治[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2018（4）：2429.