水庫潰壩洪水計算研究

高興舟，王 貴

(黑龍江省紅衛農場水務局，黑龍江建三江156322)

1 引言

潰壩可分為瞬時全饋、部分潰和逐漸全潰。不過，由于導致潰壩的因素甚為復雜，難于事先全面考慮，從最不利的結果著想，可以認為潰壩是瞬時完成的。因此，以下僅對瞬時全饋或部分潰的情況進行討論，所謂全饋，是指壩體全部被沖毀;部分潰則指壩體未全沖毀，或潰口寬度未及整個壩長，或深度未達壩底，或二者兼有的情況。

實驗表明潰壩水流的物理過程，如圖l所示，潰壩初期，庫內蓄水在水壓力和重力作用下，奔騰而出，在壩前形成負波，逆著水流方向向上游傳播，稱為落水逆波;在壩下形成正波，順著水流方向向下游傳播，稱為漲水順波。由于波速隨水深而增加，所以落水逆波前邊的波速總大于后面的波速，使其波形逐漸展開(但并非水平);壩下游漲水順波的變化正相反，因為后面的波速總大于前面的波速，于是形成了后波趕前波的現象，使波額變陡，成為來勢兇猛的立波(不連續波)。例如，1928年美國圣佛蘭西斯科壩失事，下游2.2 km處觀察的波額高達37 m，萬噸大的溫凝土巨塊都被沖走，不過，經過一段河槽調蓄及河床阻力作用之后，立波逐滾坦化，最終消失。圖2所示表示出一次潰壩洪水在壩址及下游各斷面的流量過程線，從圖上可以看出，壩址處峰形極為尖瘦，潰壩后瞬息之間即達最大值，然后隨時間的推移而急速下降，呈乙字形的退水線。隨著潰壩洪水向下游的演進，過程線漸漸變緩。

對于中小水庫，多采用具有一定精度、且較為簡便的半理論半經驗公式或經驗公式，計算壩址處潰壩最大流量及其向下游的傳播。

圖1 潰壩水流狀態示意圖

圖2 潰壩洪水沿程演進示意圖

2 壩址處潰壩最大流量的計算

調查潰壩的情況表明，中小水庫的土壩、堆石壩短時間局部饋的較多，剛性壩(如拱壩)和山谷中的土壩容易瞬間潰毀，為安全計，對于設計情況可考慮按瞬間潰壩處理，以瞬間全潰及局部饋的最大水流理論為指導，在總結國內外各種計算方法的基礎上，對所做600多次試驗資料綜合歸納，得到的適合于瞬間全饋或局部潰的壩址處潰壩最大流量計算公式。經使用200多組潰壩試驗記錄和實際的潰壩資料，對該公式和國內外的其他公式進行檢驗，表明該公式適用條件廣、計算精度高，誤差均不超過土20%。該計算公式為:

式中:Qm為壩址處潰壩最大流量，m3/s;g為重力加速度，m/s2;B為壩址處的庫面寬，通常就等于壩長，m;H為壩前水深，對于設計條件可取壩高值，m;L為庫區長度，一般可采用壩址斷面至庫區上游庫面寬度突然縮小處的距離，m。但實驗證明，L＞5 B后，其影響不再增加，故計算的L/B＞5時仍取L/B等于5;b為潰口的平均寬度，m，最大(全饋時)等于壩長，此值可按以下計算方法估計:當潰壩時的蓄水量v≥100萬m3時按b=Klv1/4B1/7H1/2估計(K1為壩體材質系數，對黏土類壩、黏土心墻或斜墻壩和混凝土壩取1.19，均質壤土壩取1.98)，當V＜100萬m3時按b=K2(VH)1/4估計(壩體施工和管理質量好的K2取6.6，差的取9.1)，B、b、H的單位為m，V的單位為萬m3。B/b一般不應超過l 7;h為潰口處殘留壩體的平均高度，m，為安全計。對于設計條件可取h=0;K'不經驗系數，近似按K'=1.4(bh/BH)1/3估計。

3 潰壩最大流量向下游演進的計算

壩址處的潰壩流量過程線在向下游演進中將不斷展平，漬壩的最大流量將很快衰減。以下介紹一些對于中小水庫設計使用簡便且有一定精度的經驗公式方法。詳見圖3。

圖3 河道洪水驗算輔助線

3.1 水庫下游纂斷面演壩最大流量的計算

潰壩在下游某斷面處形成最大流量，根據國內外許多單位的研究，大都采用下面經驗公式計算:

式中:Qm為壩址處的饋壩最大流量，m3/s;Qm，L為Qm演進至距壩址L處的漬壩最大流量，m3/s;V為饋壩時的水庫有效蓄水容積，m3;v為洪水期間河道斷面最大平均流速，m/s;kv為經驗系數;kv為v值相當于洪水傳播速度。

3.2 潰壩最大流到達下游其斷面所需時間的計算

除了要知道潰壩之后在下游各斷面形成的最大流量外，還需要估計它們在下游各斷面什么時候出現，即需要計算潰壩最大流量從壩址下游某處的傳播時間。

式中:τ為潰壩最大流量從壩址到下游L處的傳播時間，s;Hm為下游斷面處最大流量時的平均水深，m，可根據式(2)計算的Qm·L;查該斷面的水位流量關系曲線和水位平均水深關系曲線求得;Kr為經驗系數，等于0.8～1.2，水深小時取小值，大時取大值;H為饋壩時的壩前水深，m;V為與式(2)同。

4 預防及應急措施

1)水庫管理人員要加強險情監測和巡視，做到早發現、早報告。

2)出現險情時做好水庫調度，加大下泄流量，同時要會同專家采取正確的應急搶險措施，控制險情，保障安全。

3)不但完善水庫搶險預案，提高預案的可操作性。

［1］ 裘法軍，邢明.某水庫潰壩洪水計算［J］.大壩與安全，2006 (5).

［2］ 李洋，周孝德，李紅英.潰壩洪水數值模擬［J］.東北水利水電，2006(12).

［3］ 張振，張光科，劉超，楊中華.小型水庫潰壩洪水演算探討［J］.東北水利水電，2007(11).

［4］ 馮民權，許清香，吳巍.A水庫潰壩對B水庫大壩安全的影響研究［J］.水資源與水工程學報，2008.