水庫潰壩洪水與洪水演進過程分析計算

秦 晨

(太原理工大學，山西 太原 030024)

·水利工程·

水庫潰壩洪水與洪水演進過程分析計算

秦 晨

(太原理工大學，山西 太原 030024)

以孝義市梁家垣水庫作為研究對象，參考《山西省水文手冊》公式計算潰壩洪水，應用經驗公式結合谷歌地圖計算潰壩洪水向下游演進過程和潰壩洪水淹沒范圍，以確保水庫下游地區的經濟建設和人民生命財產安全。

土石壩，潰壩，洪水演進過程，洪水淹沒范圍

1 概述

1.1 研究背景與意義

據中國大壩協會2009年統計，截止2008年年底我國已建各類水庫87 151座，水庫總庫容7 064億m3，占我國河川總徑流量的26%，為世界已建水庫總庫容的9.9%[1]。我國現有大多數土石壩都是在“大躍進”和“文革”時期建成的，是群眾性政治運動的產物。壩址大都在建設前沒有經過嚴格的勘測，對筑壩的土料、筑壩方法和地基土層情況，都沒有詳細和審慎的研究和記載。對于已經完工并且在運行的一大批土石壩水庫，不僅在防洪、興利方面發揮著重大作用，還存在著潰壩的風險，嚴重威脅水庫下游地區的經濟建設和人民生命財產的安全。

小型水庫潰壩失事的原因大致為：

1)不夠深入的研究和設計，設計標準低；

2)施工質量控制薄弱，未能滿足設計要求；

3)管理和操作不當，缺乏觀察，沒有防控失事風險的對策，并且對于大壩已出現的問題不重視[2]。

1.2 研究內容

本文以孝義市梁家垣水庫作為工程實例，結合公式推求梁家垣水庫潰壩洪水及其向下游演進過程。

本文研究內容如下：

1)綜合梁家垣水庫的庫容、水位、壩高，根據《山西省水文手冊》公式計算土石壩潰壩決口長度與壩址最大流量。

2)用四次拋物線來概化壩址流量過程線。

3)根據公式結合谷歌地圖推求潰壩洪水向下游演進過程。

4)應用曼寧公式結合谷歌地圖得出潰壩洪水淹沒范圍。

2 研究區域概況

2.1 流域概況

梁家垣水庫位于孝義市兌鎮梁家垣南西1.5 km，屬于文峪河流域，地理坐標東經37°06′02″，北緯111°42′04″，是一座防洪兼灌溉綜合利用的小(Ⅰ)型水庫，水庫興建于1974年，于1977年12月建成，水庫主要保護下游4個鄉村、4 000畝耕地、4 000人口的生命財產安全。

梁家垣水庫位于孝義市柱濮河上，柱濮河是孝河的支流，孝河為文峪河一級支流。水庫控制流域面積55 km2，水庫設計總庫容256.6萬m3。

2.2 梁家垣水庫工程概況

梁家垣水庫是一座以防洪為主、兼顧農業灌溉的小(Ⅰ)型水庫。

水庫總庫容為256.6萬m3，調洪庫容為117.6萬m3，興利庫容為16萬m3，死水位以下庫容已淤滿，水庫的興利水位為846.0 m，汛限水位為843.0 m，設計洪水位為849.92 m，校核洪水位為851.75 m，死水位為843.0 m。

3 潰壩洪水分析

3.1 壩址最大流量計算

用《山西省水文手冊》計算。

土石壩潰決過程是一個復雜的水—土耦合過程，為保證計算結果的準確性，潰口大小計算包含泥沙淤積與未淤積兩種狀態。

3.2 壩址流量過程線

用四次拋物線來概化流量過程線。

4 潰壩洪水演進模擬

4.1 洪水演進過程計算

1)洪水到達時間計算公式：

(1)

其中，L為距壩址距離；K1為系數，等于0.7×10-3。

2)洪峰到達時間計算公式：

(2)

其中，K2為系數0.8～1.2，等于1.2；hM為最大流量時的平均水深。

4.2 洪水淹沒范圍分析

根據以上方法計算出各斷面洪水位后，將各相鄰斷面洪水位連接，得到水庫下游洪水影響范圍。梁家垣水庫下游高程均勻下降，研究區5 km。高差67 m，取河道比降0.013 4。查《水文手冊》。

5 結論與建議

5.1 結論

本文以孝義市梁家垣水庫作為研究對象，根據公式計算潰壩洪水，對潰壩洪水演進過程和洪水淹沒范圍進行了分析。希望借此方法有效幫助相關地區應對小概率潰壩事件的發生，進而有效的保障人民的生命和財產安全。

1)通過系統查看分析我國大壩潰壩統計情況，闡述了潰壩事故發生對下游地區造成的嚴重后果，提出水庫潰壩數值計算及洪水演進過程的必要性。

2)選取土石壩瞬間全潰的方式，計算得到壩址最大流量。

3)根據經驗公式結合谷歌地形圖對潰壩洪水向下游演進的過程和潰壩洪水淹沒范圍進行了分析計算，突出了受保護村莊的地理位置。

5.2 建議

本人在研究潰壩洪水數值計算及洪水演進的過程中，由于自身能力有限，所獲得的資料也不盡完善，另外，所涉獵的理論有限，本文仍存在值得進一步研究的內容。

1)在大壩潰決的研究仍有不足，土石壩的潰決機理比較復雜，仍沒有十分完善且具有公信力的理論出現。本文經過比較選取了較為接近實際的公式進行計算，但與真實情況仍有一定差距。另外，在確定潰決方式時，選取了危害性最大的瞬間全潰方式，也與實際情況不符。對于潰壩機理仍有待進一步的研究。

2)洪水演進計算中僅僅使用公式進行了推導，沒有運用洪水演進模擬軟件，使得結果不具有對比性，仍需改進。

[1] 鄭守仁.我國水庫大壩安全問題探討[J].人民長江，2012，43(21):1-5.

[2] 田 川，李 巍.土石壩潰壩原因分析[J].現代農業科技，2011(1):273-275.

[3] 李 云，李 君.潰壩模型試驗研究綜述[J].水科學進展，2009，20(2):304-310.

[4] 史宏達，劉 臻.潰壩水流數值模擬研究進展[J].水科學進展，2006，17(1):129-135.

Analysis and calculation on reservoir dam-break flood and flood evolution process

Qin Chen

(TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

Taking Liangjiayuan reservoir as the research target, the paper refers toShanxiHydrologicalManualFormulafor calculating dam-break flood, applies experience formula, combines Google map for computing dam-break flood evolution process and dam-break flood submerging range, with a view to guarantee economic construction and people’s property and life safety in the reservoir downstream region.

earth-rock dam, dam-break, flood evolution process, flood submerging range

1009-6825(2015)30-0217-02

2015-08-20

秦 晨(1983- )，男

TV131.4

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