水庫潰壩模擬計算與洪水演進過程分析

丁 曉 霞

(1.太原理工大學，山西 太原 030024； 2.山西省汾河中下游水務管理局，山西 太原 030002)

水庫潰壩模擬計算與洪水演進過程分析

丁 曉 霞1，2

(1.太原理工大學，山西 太原 030024； 2.山西省汾河中下游水務管理局，山西 太原 030002)

應用《山西省水文手冊》公式和經驗公式對孝義市東安生水庫潰壩洪水及其向下游演進過程進行了分析，達到了幫助人們了解小概率事件發生后相關地區受災狀況及洪水發展動態趨勢的效果，并能夠提前建立疏散方法及預警機制，將水庫潰壩帶來的損失降至最低，進而有效的保障水庫下游人民的生命財產安全。

土石壩，潰壩，潰壩決口長度，洪水演進過程

1 概述

1.1 研究背景與意義

據中國大壩協會2009年統計，截止到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]。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)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]。對于水庫下游具有村落及耕地存在的情況，一旦上游水庫潰決，瞬間下泄的大量洪水會給下游地區造成災難性破壞，對下游居民的安全及經濟造成嚴重危害。因此，對上游水庫進行潰壩模擬、計算，確定潰壩后洪水大小、影響范圍、演進過程等是制定防洪減災措施及應急預案的重要基礎，同時也可以為社會合理發展布局提供參考。

1.2 國內外研究現狀及發展趨勢

1.2.1 潰口流量過程的研究

分析潰壩的機理是計算潰口流量過程的前提，進而需要進行大量原始潰壩資料的記錄、整理、分析，以及各種不同的物理實驗，數值模擬等[3，4]。

1.2.2 潰壩洪水演進的研究

潰壩洪水演進數值模擬方法可分為兩大類：一類是分段模型方法，即把壩址作為上、下兩段的分界點，先考慮庫區情況與下游水位對壩址出流的影響，得出壩址流量過程線，并且將此作為上邊界條件，作為下游做洪水演進的依據。另一類是整體模型解法，即把下游河道、庫區、壩址作為一個整體模型來研究，可以適用于各種邊界條件，如自由出流、淹沒出流等，可以由程序根據壩址上下游水頭差自動求出壩址流量過程。

1.3 研究內容

本文以孝義市東安生水庫作為工程實例，結合公式推求東安生水庫潰壩洪水及其向下游演進過程。本文研究內容如下：1)綜合水庫的庫容、水位、壩高，根據公式計算土石壩潰壩決口長度與壩址最大流量；2)根據公式結合谷歌地圖推求潰壩洪水向下游演進過程。

2 研究區域概況

孝義市坐落于山西省晉中盆地西南隅，呂梁山脈中段東麓，地理位置介于東經111°21′～111°56′，北緯36°56′30″～37°18′45″之間。東與介休市隔汾河相望，西與交口、中陽縣毗鄰，南與靈石縣接壤，北與汾陽市交界。

2.1 流域概況

東安生水庫位于孝義市西南，東安生村東南1 km，距市區約18 km。該水庫于1975年10月竣工，已運用40年。水庫位于孝河支流白溝河的中上游，控制流域面積6 km2，流域長3.8 km，平均縱坡5.7‰，多年平均輸沙量為2.4萬m3。庫區地質屬砂頁巖，土石山區，植被稀少，水土流失現象較為嚴重。

2.2 東安生水庫工程概況

東安生水庫是一座小(Ⅱ)型水庫，其任務是防洪、灌溉。水庫設計總庫容55萬m3，調洪庫容30萬m3，興利庫容5萬m3，死庫容25萬m3，壩高17 m，壩頂長220 m，壩頂寬4.5 m，水庫保護著下游2個鄉村，7 000畝耕地，9 200人口的生命財產安全。

3 潰壩洪水分析

3.1 壩址最大流量計算

1)采用《山西省水文手冊》計算。

最大流量：

(1)

潰壩決口長度：

(2)

(3)

其中，k1為壩體材料系數，均質土壩取1.98；V為潰壩時有效蓄水量，萬m3；H為潰壩時水頭或潰壩時壩前水深，水頭計算高度采用壩頂高程；B為壩址處庫面寬，取壩長617 m；L為庫區長度，m，取L/B=5。

2)采用黃河委員會公式[3]計算。

最大流量：

(4)

潰壩決口長度：

(5)

其中，K為系數，粘土類取0.65，壤土類取1.3。

3.2 計算結果對比分析

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。b1為不考慮泥沙淤積的潰口寬度，此時取V為總庫容55萬m3，取H為壩高17 m，b2為考慮泥沙淤積的潰口寬度，此時取V為有效庫容30萬m3，取H為有效水深5.8 m；b1，b2都由式(2)和式(5)分別計算對比。Qm1為b1對應的最大潰壩流量，Qm2為b2對應的最大潰壩流量；Qm1和Qm2都由式(1)和式(4)分別計算對比。計算結果見表1。由表1可知，淤積對最大流量影響不大，Qm應選擇現階段淤積b2對應的流量Qm2，而《水文手冊》計算結果偏大，保守起見，Qm取《水文手冊》計算結果即861 m3/s，再加入正常溢洪道泄量42.91 m3/s，全部下泄洪量為904 m3/s。

表1 b和Qm計算結果對比表

4 潰壩洪水演進模擬

4.1 潰壩下游流量計算

潰壩下游流量的計算公式為：

(6)

其中，QLM為潰壩最大流量演進至距壩址為L處時，在該處出現的最大流量；kvv為山區河道，取7.15。

4.2 洪水演進過程計算

1)洪水起漲時間計算公式：

(7)

其中，L為距壩址的距離；K1為系數，K1=0.7×10-3。

2)最大流量到達時間計算公式：

(8)

其中，K2為系數0.8～1.2，取K2=1.2；hM為最大流量時的平均水深。

3)潰壩下游流量過程線：

(9)

潰壩洪水向下游演進過程見表2。

表2 洪水向下游演進過程表

5 結論與建議

5.1 結論

本文以孝義市東安生水庫作為研究對象，根據潰壩知識計算潰壩洪水，對潰壩洪水演進過程進行了分析。希望能借此方法幫助人們了解小概率事件發生后相關地區受災狀況及洪水發展動態趨勢，進而保障人民的生命財產安全。

1)選取土石壩瞬間全潰的方式，用兩種公式對比分析計算出潰壩決口寬度與壩址最大流量，使結果更具有可靠性。

2)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進行了計算，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)對于大壩潰決的研究不足，由于目前大壩潰決，尤其是土石壩的潰決機理比較復雜，仍未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.

[5] 謝任之.潰壩水力學[M].濟南：山東科學技術出版社，1993.

The reservoir dam-break simulation computation and flood evolution process analysis

Ding Xiaoxia1,2

(1.TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China;2.ShanxiMiddleandLowerReachesoftheFenRiverWaterAffairsAdministrationBureau,Taiyuan030002,China)

The thesis analyzes Dongansheng reservoir dam-break flood and flood evolution process by applyingShanxiHydrologicManualformula and experience formula, achieves the effect of helping people knowing about little probability event disasters and flood development trend, and establishes excavation methods and alarming mechanism beforehand, so as to reduce reservoir dam-break loss and to effectively guarantee people’s lives and property safety.

earth-rockfill dam， dam-break， dam burst length, flood evolution process

1009-6825(2015)28-0215-02

2015-07-21

丁曉霞(1984- )，女，在讀工程碩士

TV697

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