平原土石壩逐漸潰計算模型的比較分析

張云軒

【摘要】目前我國有近9萬作水庫，其中93%為土石壩；土石壩所使用的材料是松散的當地土石料，所處的壩基多是地質情況不是特別理想的土基，所以土石壩是最容易發生潰壩的壩型。研究土石壩的方法有很多，本文將土石壩逐漸潰壩分析方法分為三類，比較不同分析方法下所使用的數學模型的特點即使用條件，并對每種方法的缺陷及產生缺陷的原因進行了論述?！娟P鍵詞】平原土石壩；逐漸潰；計算方法土石壩是應用最早、應用最為普遍的一種壩型的一類壩型，不同于拱壩和重力壩所使用混凝土，土石壩的則是當地的土石料，而這種材料的孔隙率較大，粘結力與摩擦角也相對與混凝土較為低下，加之建設時間較久、管理運行操作不當等原因，土石壩的潰壩率也比其他壩型高很多，據我國水利部大壩安全管理中心的統計數據顯示：從1954年至2007年，我國共有3503座水庫大壩發生潰決，其中98%為土石壩。經過國內外學者長期研究，發現瞬間潰和逐漸潰是潰壩的兩種主要形式，在早期的土石壩潰壩研究時，研究人員一般用瞬時潰來模擬土石壩潰壩，因為其瞬時潰壩過程分析較為簡單，但后來隨著研究的不斷深入土石壩的潰決過程不同于使用混凝土材料的重力壩，潰壩時間只有幾十秒，土石壩潰壩持續時間較長，一般從15min至5h以上不等，且峰頂流量等參數比較于混凝土壩都小。后來，開始用逐漸潰的模型來研究土石壩的潰壩過程不同于機理清晰的瞬時潰模型，土石壩潰壩的發生、發展和潰決的影響因素較為復雜，無法簡單地直接模擬，但經過國內外無數學者的努力，這項研究如今已較為成熟。目前，計算潰口流量的主體是對壩址流量過程的計算，研究的基本方法分為物理模型試驗法和數學模型法兩種，由于數學模型法不需要建造實體模型，所以研究費用低廉研究過程放方便簡化，自20世紀60年代來，已經成為了潰壩分析的主流。1、模型的分類對于土石壩逐漸潰的大部分的潰口流量計算多是采用分段模型法，對于分段模型法，其假設潰口下游水位較低，潰口出流為自由出流，絕對不能引起淹沒出流，所以對于大多數平原都適用?？梢詫δＰ瓦M行簡單的分類，本文大致可以分為三類：第一類的思路是先只設置初始潰口形狀然后假設潰口形狀不會改變，然后利用泥沙沖刷公式去計算潰口發展過程與流量過程，此類方法在研究初期潰口的形成只考慮潰口底部沖蝕引起的潰口發展，后來經過模型的發展，潰口的發展逐步考慮到側向沖蝕與邊坡坍塌，而且考慮到植被與壩體邊坡的影響，此類模型有CRISTOFANO、H-W、BRDAM等；第二類的思路是設置潰口的預先設置潰口的最終尺寸，進而反推潰口發展過程，進而反推潰口的發展過程與流量過程，此類模型有DAMBRK等；第三類是直接對潰口形狀不做假定，而是根據大壩潰決機理與剪應力分析推導出潰口形狀的解析解，不同于前兩類方法，此類方法的尺寸與形狀都是數學解析式的形勢呈現的，此類方法有LOU 、NOGUEIRA。對三類方法進行。2、模型的特點綜合分析比較三類方法的特點。第一類的優點在于求解的結果只要潰口形狀接近，求得的流量過程誤差比較穩定，不同經驗公式的偏差較??；缺點在于對參數，特別是筑壩材料的參數要求比較苛刻，需要土體的容重、級配、內摩擦角、內聚力、含水率、孔隙率、糙率、干重度等參數。產生這個缺點的原因經分析為該類方法使用的泥沙沖刷公式是由是力學與土力學公式推求得來，所以對水流形態參數與筑壩土體的參數要求較為繁多。第二類的優點在于建模快速，計算簡單，計算需要的參數較少而且數據獲得較為容易，只需要知道庫容及庫容水位曲線、壩高、壩體長度即可；但是缺點就是一次方法建起數學模型會因使用的計算公式的不同產生較大誤差，存在誤差不穩定情況。產生此類缺點的原因本文歸結為三點：一是假設的潰口的最終形狀與實際潰口的最終形狀有誤差；二是不同經驗公式本身也有誤差存在；三是因為此類方法的核心假設在于假設潰口發展為勻速，與實際不符。第三類方法的優點在于不用假設潰口的形狀，實際潰口的發展基本不可能為前兩種方法假設的標準的矩形、三角形、梯形、拋物線形，所以不對潰口形狀進行預先假設也就減少了因潰口假設與實際情況偏差引起的誤差；此類方法的缺點是需要知道筑壩土體的臨界剪應力與不同情況下的土體實際剪應力，所以參數較難獲得，而且此類方法的求解的關鍵是平衡段面的尋找（LOU模型）與有效剪應力，即每個點的總剪切應力與臨界剪切應力的尋找（NOGUEIRA模型）；產生此類誤差的原因在于本身模型的假設條件：Lou認為，潰壩水流在空間與時間上發展，當達到一個平衡斷面即停止，所以LOU模型就使用最有效的穩定斷面來描述潰口形狀； Nogueira認為潰口形狀是由有效剪切應力決定的。所以基于這些思想所以就必須需要這些參數。3、模型的適用條件此上三類方法的使用條件都是土石壩逐漸潰且下游水位較小，潰口出于自由出流，對于大多數平原水庫來說，以上的潰壩模型基本都適用。其中，第一類方法的使用條件是對于水庫的參數資料較為齊全；第二類方法則是只知道水庫的基本參數，已知參數較少，特別是對于壩體壩基土體的參數資料獲取不全的情況下使用最優；第三類方法應該由于使用不同情況下的臨界剪應力與實際剪應力，參數不易獲得，在實際應用中很少使用。4、結論本文首先對于土石壩逐漸潰壩的條件下各種研究方法進行了分類，然后說明數學模型實驗的方法為研究的主流，然后，對于各種潰壩數學模型提出了自己分類并對每種模型的特點進行了分析與比較，最終對于每種方法的使用條件及使用這種方法可能帶來的缺陷進行分析，并對于產生此類缺陷的原因進行了說明。5、結語通過本文的論述，希望能對土石壩逐漸潰壩的各種模型的特點有更加清晰地認識，能對與土石壩，特別是平原土石壩的潰壩研究更加準確，以減少因潰壩事故造成的人員財產安全受損。參考文獻：[1]水利部大壩安全管理中心.全國水庫垮壩登記冊[R].南京：水利部大壩安全管理中心，2008.[2]陳生水.土石壩潰決機理與潰壩過程模擬.北京：中國水利水電出版社，2012.[3]黃毅，顏夢宇.土石壩逐漸潰潰口流量過程簡便計算方法.[J].黑龍江水利.2016，2（7）：13-17.