崔 魁，陳建鋒，柳文杰

（1.山東省水利科學研究院，山東 濟南 250014；2.山東省水資源與水環(huán)境重點實驗室，山東 濟南 250014；3.山東省調水工程運行維護中心，山東 濟南 250100；4.山東省調水工程運行維護中心萊州管理站，山東 萊州 261400）

攔河壩或其他擋水建筑物瞬時潰決，發(fā)生水體突泄所形成的洪水稱為潰決洪水。潰決洪水及其演進分析是編制涉水工程安全管理應急預案的基礎，是水利工程發(fā)生突發(fā)性安全事故時科學應對、避免或減少人員傷亡和財產(chǎn)損失的重要非工程措施。本文以濟寧市泗水縣泗張攔水壩為研究對象，對泗張攔水壩潰決洪水計算及洪水演進進行分析，對類似攔水壩潰決洪水災害預防和對下游橋梁運行安全分析評價具有一定的借鑒和參考意義。

1 項目概況

泗張攔水壩位于泗水縣泗張鎮(zhèn)西北部，控制流域面積3.97 km2，河道干流坡度為0.025，河道長2.85 km，設計洪水標準為10 年一遇，設計最大洪峰流量59.15 m3/s；攔水壩為漿砌石壩，壩軸線長31.5 m，其中中間溢流段寬16.5 m，右岸擋水壩段長10 m，左岸擋水壩段長5 m；最大壩高4.5 m，其中中間溢流段高3 m，兩岸擋水壩段高4.5 m；壩頂寬1.2 m。

李莊特大橋位于泗張攔水壩下游170 m 處，共64 個橋墩，2 個橋臺，全長2 121.097 m，橋式類型為“雙線簡支箱梁＋連續(xù)梁”。根據(jù)設計單位提供的橋梁平面位置圖和橋型布置圖，經(jīng)現(xiàn)場查勘，李莊特大橋采用（32+24+32）m 簡支箱梁跨越邢家莊河，河道中共布置2 個橋墩。

2 潰決洪水計算

2.1 計算范圍確定

潰決洪水計算分析范圍為：上游自泗張攔水壩壩體處，下游至李莊特大橋以西，東西向長度約為170 m；左側自泗張攔水壩左岸起，右側至泗張攔水壩右岸，寬度約為31.5 m，區(qū)域總面積為5 355 m2。計算區(qū)域內的主要設施為泗張攔水壩、李莊特大橋等。

2.2 潰決洪水分析

1）潰口寬度。進行潰決洪水分析時，考慮最不利工況，即泗張攔水壩壩體瞬間全潰，則壩體長度即為潰口寬度31.5 m。

2）最大潰決流量。壩體全潰時的最大潰決流量按式（1）計算：

式中：Qm為潰決最大流量，m3/s；B 為壩長，m；H 為壩高，m。

經(jīng)計算，最大潰決流量為112.24 m3/s。

3）潰決流量過程。假設潰決流量過程線的線型為四次拋物線。根據(jù)潰決最大流量Qm和攔水壩潰決時攔蓄水量V 初步確定泄空時間T 為155 s，流量過程線見表1。

表1 潰決流量過程

4）橋址處最大流量和最大流速。橋址處最大流量按式（2）計算：

式中：QLM為當潰壩最大流量演進至距壩址為L 處時，在該處出現(xiàn)的最大流量，m3/s；V 為攔水壩潰壩時的蓄水量，取3 870 m3；Qm為壩址處的潰壩最大流量，取112.24 m3/s；L 為橋距壩址的距離，取170 m；U 為河道洪水期斷面最大平均流速，考慮最不利工況，取3 m/s；K 為經(jīng)驗系數(shù)，取K=1。

經(jīng)計算，潰壩洪水工況下，橋址處最大流量QLM為42.46 m3/s。

5）潰壩洪水傳播時間。將流量過程線概化為三角形，經(jīng)計算，洪水起漲時間t1為13.54 s，最大流量到達時間t2為111.39 s，洪水終止時間為t3為195.83 s，相應流量分別為112.2 m3/s、69.6 m3/s、195.83 m3/s。

6）壩址斷面潰壩洪水最大流速。壩址斷面潰壩洪水最大流速可采用圣維南-A.Rittter 公式計算，經(jīng)計算，泗張攔水壩壩址斷面潰壩洪水最大流速為3.43 m/s。

7）橋址處平均流速。泗張攔水壩距下游李莊特大橋1 700 m，潰壩洪水屬于不穩(wěn)定流，水面線的計算可近似地視為穩(wěn)定流以簡化計算。經(jīng)計算，李莊特大橋斷面在潰壩洪水工況下平均水深0.26 m，斷面平均流速1.83 m/s。

3 數(shù)值模擬分析

采用HEC-RAS 軟件對潰決洪水影響進行數(shù)值模擬分析計算。

3.1 模型構建

根據(jù)邢家莊河和李莊特大橋的基本資料建立幾何模型，以特大橋所在位置為界，將河道分為上、下游；同時，為避免河道邊界條件對計算結果的影響，上下游邊界應盡量遠離特大橋位置，因此河道總長取4.5 km，上游河道長2.0 km，下游河道長2.5 km。河道模型如圖1 所示。

圖1 李莊特大橋模型圖

3.2 模擬條件和參數(shù)

模型以潰決洪水工況下經(jīng)過李莊特大橋的最大潰決洪水流量作為上游邊界條件，以下游足夠遠處斷面的正常水深作為下游邊界條件，計算最大潰決洪水流量經(jīng)過李莊特大橋時所形成的流速、水面線高程等水力學參數(shù)。

采用HEC-RAS 模型進行水力計算時，還需設定曼寧系數(shù)n 和擴張、收縮系數(shù)。根據(jù)河道基本情況，河道糙率取0.035；由于建模時，河道上下游斷面均與特大橋處河道斷面相同，即河道斷面沿河道不變，因此河道的擴張、收縮系數(shù)除特大橋附近分別取0.3 和0.1 外，其余河道斷面均取0.03 和0.01。

3.3 數(shù)值分析結果

經(jīng)采用HEC-RAS 軟件模擬計算分析，在潰決洪水工況下，李莊特大橋最大水深和最大流速位于50#~51#橋墩中間，其中上游斷面最大水深0.59 m，平均水深0.3 m，平均流速1.72 m/s，壅水高度0.05 m；下游斷面最大水深0.54 m，平均水深0.27 m，平均流速2.01 m/s。李莊特大橋上下游斷面在潰決洪水工況下水面線和流速分布如圖2、圖3 所示，平均流速、平均水深沿河道變化情況如圖4、圖5 所示。

圖2 上游斷面平均流速和水面線

圖3 下游斷面平均流速和水面線

圖4 邢家莊河平均流速沿程變化曲線

圖5 邢家莊河斷面平均水深沿程變化曲線

由圖4 和圖5 可以看出，李莊特大橋上下游河道各斷面平均流速在1.85 m/s 左右，平均水深在0.262 m 左右，這與橋址處計算結果平均流速1.83 m/s、平均水深0.26 m 基本吻合。

根據(jù)山東新匯建設集團有限公司編制并通過審核的《魯南快速鐵路客運通道臨沂至曲阜段泗水縣青界河特大橋等5 座橋梁防洪評價報告》，李莊特大橋100 年一遇設計洪峰流量為178.25 m3/s，100 年一遇一般沖刷后墩前行進流速為1.57 m/s。潰決洪水計算結果、數(shù)值模擬結果及特大橋設計工況下計算結果見表2。

表2 各工況計算結果匯總表

4 結論與建議

4.1 結 論

泗張攔水壩潰壩潰口寬度為31.5 m，最大潰決流量為112.24 m3/s。若出現(xiàn)潰決洪水，洪水可在13.54 s 到達李莊特大橋處，111.39 s 在李莊特大橋處形成的最大下泄流量42.46 m3/s。計算成果表明：在潰決洪水工況下，李莊特大橋跨越河道處斷面最大流量42.46 m3/s，平均水深0.26 m，斷面平均流速1.83 m/s。數(shù)值模擬結果表明：李莊特大橋上下游河道各斷面平均流速在1.85 m/s 左右，平均水深在0.262 m 左右，特大橋上游斷面最大水深0.59 m，平均水深0.3 m，平均流速1.72 m/s，壅水高度0.05 m；下游斷面最大水深0.54 m，平均水深0.27 m，平均流速2.01 m/s。

綜上，李莊特大橋跨越邢家莊河處，潰壩洪水工況下河道斷面最大流量小于特大橋設計洪峰流量，潰壩洪水工況下河道斷面平均流速較特大橋設計洪水工況下一般沖刷后墩前行進流速有所增大，采取一定措施后，整體防洪風險級別較低，可接受。

4.2 建 議

1）李莊特大橋橋墩布置于河道斷面內，致使過水斷面減小，且潰壩洪水工況下橋址處沖刷問題加劇，建議對河道岸坡和河底進行護砌，以減輕由于建橋后水流流勢變化、局部流速加大對橋梁上、下游兩岸的影響，保證河道的行洪安全。

2）泗張攔水壩、李莊特大橋分別屬于水利、鐵路部門管理，建議建立信息共享機制，建設、完善防汛預警系統(tǒng)，實時掌握攔河壩運行情況，以降低突發(fā)狀況的不利影響。