土石壩漫頂潰壩模擬分析計算

李欽智

(新疆石河子市新疆瑪納斯河流域管理局， 新疆 石河子　832000)

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土石壩漫頂潰壩模擬分析計算

李欽智

(新疆石河子市新疆瑪納斯河流域管理局， 新疆 石河子832000)

本文對土石壩的潰壩模式進行了簡述，針對土石壩漫頂潰壩模擬分析的概化數學模型編制了計算程序，并結合大洼水庫潰壩的工程實例進行數值模擬，與該工程實例的實測數據進行了比較分析，進一步說明土石壩漫壩計算過程中數學模型與假設對計算結果、精度、風險分析的重要性。

土石壩； 漫壩； 模型； 計算分析

1　引　言

隨著中國經濟的飛速發展，中國水利水電工程的建設也在訊速發展。據統計，目前中國的土石壩數量居世界首位，而中國土石壩的年潰壩概率也從以前遠超世界其他國家逐漸轉變為低潰壩率國家[1]。資料顯示，土石壩的潰壩主要由兩方面造成：?洪水等原因引起的漫壩，導致壩體坍塌破壞而造成潰壩；?壩基等滲透破壞，逐漸造成壩體滲漏最終導致土石壩的滲透潰壩。本文主要研究土石壩漫頂潰壩時潰口的流量過程變化。土石壩的潰決屬于逐漸潰決，漫頂潰決時間可能持續若干小時，潰壩洪水流量逐步增大，至峰值流量后逐步減小。潰口洪水流量過程決定了對下游影響的范圍和程度，通過對潰口形狀的假設，用數學模型來概化描述潰口及洪水的發展過程，為實際工程中的洪水過程預測與風險分析提供依據。

潰壩的發生、發展和潰決程度等受到多種因素(如潰壩原因、壩體尺寸和材料、庫容及下游水位等)影響，模擬難度非常大。盡管如此，在過去幾十年中，中國在土石壩的潰壩模擬領域取得了相當大的進展，出現許多新的研究成果，如：潰口發展模式、潰決機理、大尺度物理模型實驗成果等。土石壩潰決模型可分為兩大類。第一類主要利用一些關鍵參數(如：潰口歷時、潰口最終寬度等)，通過簡單的時變過程(如：潰口尺寸的線性發展假設)模擬潰口的發展；還有一些模型通過建立庫容等關鍵參數與潰口發展速度、最大潰壩洪水流量之間的回歸方程來模擬潰壩過程。總的來說這類模型較簡便，對數據輸入要求較少，使用較方便，但由于未涉及實際的潰壩機理，精確度較低，故此類模型僅可用于初步計算。第二類模型通過結合水力學、泥沙、土力學等學科的綜合知識構建一個時變過程以模擬實際的潰壩過程和潰壩洪水過程線，比較典型的有P-T模型、BEED模型和BREACH模型等[2]。

2　土石壩潰口概化模擬分析

2.1潰口流量概化過程及其驗證

鄧剛等[8]提出了基于假設的潰口流量概化模型，模型基于如下假設：?潰口形狀假定為倒梯形；?以恒定值的材料沖刷速度作為潰口深度發展的控制指標；?假設潰口達到洪峰流量時潰口深度停止發展；?采用寬頂堰流量公式計算潰口流量。

考慮到潰口開始及潰壩結束時均存在一個漸進過程，即潰口流量增長并非在潰壩開始時就達到一定速度，而潰壩結束時，流量也是緩慢減小，直至與水庫入流逐步達到一致，本文對上述模型[8]的假設進行了一定調整，將達到峰值前后的土石壩潰口流量過程線分別概化為不同的二次函數過程，以在繼續保證模型簡潔性的同時改善模型的數值特性，使潰壩流量過程線兩端光滑可導，以便在分析中與原流量過程無縫連接。具體過程如下：

當0

(1)

當t1

(2)

設潰壩全過程中水庫水量變化值為ΔV，則

(3)

即

(4)

全過程水量平衡可知出庫洪量等于入庫洪量與庫容減少量之和，可得：[8]

(5)

(6)

代入式(1)可得：

(7)

同理，潰口平衡以后:

(8)

即

(9)

綜上，潰口發展的全過程可概化為：

(10)

2.2迭代算法的驗證

本文所描述潰壩流量計算過程具體算法流程圖見圖1。

圖1　潰壩流量過程線計算流程

將此計算模型代入以下工程實例[3]當中計算，大洼水庫潰壩時，一些實測數據及數值模擬參數見表1、表2。

表1　潰壩實測數據

表2　大洼水庫漫頂潰壩過程數值模擬參數表[3]

注H為壩高；W為壩頂寬度；S為下游坡比；B0為初始潰口寬度；Hco為初始潰口深度；Qc為上游入庫流量；d50為平均粒徑；d90/d30為粒徑比；n為壩體孔隙率；γs為壩體顆粒重度；φ為壩體內摩擦角；θ為壩體下游坡角；c為壩體黏聚力，m為流量系數。

通過此數學模型編制的程序對上述工程實例進行計算可得:

t1=721.305s,z1=6.81478m,H1=9.7m,Qp=54.304m3/s,H2=7.958m,t2=2863.1s。根據計算數據得出的潰口流量過程曲線見圖2。

圖2　潰口流量過程線

計算流量過程與模型實測結果在規律上較為一致，計算潰口峰值流量Qp=54.304m3/s。略大于實測峰值流量Q=42.25m3/s,計算峰值流量出現在721s,而實測峰值出線在800s左右，數據較為接近，當潰口結束時計算時間約為47min,實測數據中潰口結束發展的時間為45min，具有較小誤差。計算潰口流量過程線中右側趨于定值是因為原模型假設中潰口最終狀態是進出水量達平衡狀態，曲線最終趨于定值，而實測潰口數據為停止進水，故實測流量過程線中曲線最終Q為零。模型計算圖像的整體趨勢與實測數據相似，故可說明模型在實際工程計算中是可用的，且具有較高準確度。

3　結　語

本文對潰口及洪水水流進行假設，以數學模型為基礎編制程序對土石壩的潰口洪水流量進行了模擬計算，并對模型模擬計算的結果進一步進行計算分析，發現影響潰口流量及峰值出現時間的兩個重要因素為潰壩的來水流量及土石壩壩體下游坡角。這兩個因素分別從壩體外部洪水的影響和壩體自身兩個方面描述出了土石壩漫壩潰壩的重要原因，同時提醒我們在進行土石壩的潰壩分析時要對洪水、土石壩自身材料、結構進行著重分析。

該模型及程序可以較好地運用到梯級水庫防洪應急調度及風險分析當中，通過兩個模型對同一工程實例的模擬計算分析，說明程序具有較高準確度。

綜合對模型計算時的調試過程，土石壩的漫頂潰壩受到外來洪水及土石壩壩體自身的影響，也對土石壩在設計及建造過程提出了建議。在土石壩的設計建造過程中應該充分分析水文條件的影響，并對土石壩設計、施工的質量提出更高的要求。同時需要對潰壩模擬分析進行更深層次研究，以便可以更準確、更形象地描述土石壩漫壩時潰口的發展過程，并能更好地對梯級水庫群潰壩風險分析做出貢獻。

[1]水利部大壩安全管理中心.全國水庫垮壩登記冊[Z].南京：水利部大壩安全管理中心，2008.

[2]姚志堅，彭瑜.潰壩洪水數值模擬及其應用[M].北京：中國水利水電出版社，2013.

[3]陳生水.土石壩潰決機理與潰壩過程模擬[M].北京：中國水利水電出版社，2012.

[4]錢寧，萬兆惠.泥沙動力學[M].北京：科學出版社，1999.

[5]韓其為，何明民.泥沙起動規律及起動流速[M].北京：科學出版社，1999.

[6]SINGH V P.Dam breach modelling technology[M].Dordrecht:Kluwer Academic Publishers，1996.

[7]李家星，趙振興.水力學[M].南京：河海大學出版社，2001.

[8]鄧剛.土石壩漫頂潰口洪水過程概化計算模型[A].中國大壩協會.高壩建設與運行管理的技術進展——中國大壩協會2014學術年會論文集[C].北京：中國大壩協會，2014.

Simulation analysis and calculation of earth-rock dam overtopping failure

LI Qinzhi

(XinjiangShiheziXinjiangManasiRiverBasinAdministration,Shihezi832000,China)

In the paper, dam failure mode of earth-rock dam is introduced briefly. Computing procedure is formulated aiming at the generalization mathematical model of earth-rock dam overtopping failure simulation analysis. In addition, the engineering example of Dawa Reservoir dam failure is combined for numerical simulation. The data is comparatively analyzed with measured data in the engineering example. The importance of mathematical models and assumptions on calculation results, precision and risk analysis in the process of earth-rock dam overtopping calculation is further described.

earth-rock dam; overtopping; model; calculation and analysis

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.09.009

TV641

B

1005-4774(2016)09- 0033- 03