蒲城縣大峪河水庫潰壩洪水分析

張越峰，陳小娟，姜新義

（陜西省江河水庫工作中心，陜西 西安 710000）

1 工程概況

1.1 流域概況

大峪河屬渭河水系北洛河一級支流，發源于黃龍山脈佛爺嶺，流經合陽縣、澄城縣，于蒲城縣永豐鎮西固村匯入北洛河。河道總長87.8 km，全流域面積479.2 km2，河床平均比降6.7‰。蒲城縣境內長13 km，流域面積18 km2，河床寬8 m～23 m。河道上游澄城縣建有勝利水庫，再上游合陽縣境內建有定國水庫，兩水庫區間控制流域面積210 km2，大部分徑流被攔蓄。勝利水庫下游永豐鎮建有小（一）型大峪河水庫，其區間流域面積52.5 km2，河長20.85 km，河床比降3.57‰，壩址距入洛河口3 km。流域地貌屬于黃土臺塬區，植被以蒿草為主，覆蓋極差。

大峪河流域屬于大陸性季風氣候區，冬季受蒙古冷高壓氣團控制，寒冷少雨；夏季受西太平洋副熱帶高壓影響，炎熱多雨，兼有伏旱。據蒲城縣氣象站資料統計，年平均氣溫13.3℃，絕對最高溫度41.8℃，絕對最低氣溫-16.3℃；多年平均降雨量500 mm，多年平均風速2.8 m/s，多年平均最大風速17.1 m/s。

1.2 工程基本情況

大峪河水庫是一座以灌溉、供水為主，兼有防洪功能的Ⅳ等小（一）型水庫，設計洪水標準30 a 一遇，洪峰流量349 m3/s，校核洪水300 a 一遇，洪峰流量744 m3/s。設計總庫容529.00 萬m3，調節庫容192.00 萬m3，死庫容55.00 萬m3。工程主要由大壩、正槽式溢洪道、輸水洞等建筑物組成。工程始建于1975 年，最近一次除險加固2009 年。設計灌溉面積2.1 萬畝，有效灌溉面積1.5 萬畝。

水庫大壩為均質土壩，壩頂高程403.10 m，壩高23.60 m，壩頂長103 m，壩頂寬12.50 m，迎水坡坡比1∶2.0、1∶3.0，背水坡坡比1∶2.0、1∶2.25，干砌石護坡，壩坡上游399.50 m 高程處設有4.60 m 砼路。

溢洪道位于大壩右岸，正槽式，全長210 m，由進口段、控制段、陡坡段、消力池和護坦組成。進口段建有鋼筋砼橋，橋面高程399.50 m，三跨，單跨6 m×7.2 m，橋寬4.0 m。控制段為WES 型實用堰，堰頂高程395.80 m，堰底高程391.50 m，堰寬20 m，堰頂上修建的砌磚擋墻，墻高1.8 m，寬0.8。設計泄洪流量259 m3/s，校核泄洪流量650 m3/s。

放水建筑物位于大壩左岸，全長208.50 m，由放水塔和放水洞組成。放水塔塔高15.10 m，塔內徑3.0 m，厚0.3 m，砼結構，塔內設工作及檢修閘門各一道。塔后接放水洞，長185 m，進口高程388.0 m，出口高程385.10 m，斷面尺寸1.3 m×7.2 m，出口為底流式消能。設計放水流量0.5 m3/s。

2 潰壩洪水洪峰流量計算

潰壩洪水的最大洪峰流量出現在壩址處，為安全起見，按瞬時全部潰壩進行最大洪峰流量計算。原鐵道部1980 年提出的一種經驗公式，以潰壩水流理論為指導，考慮到壩體局部潰決情況以及潰壩口門和潰口處殘留壩體高度時潰壩流量的影響，在總結國內外各種計算方法的基礎上，經大量試驗資料綜合歸納而成，適用條件廣、計算精度高，因此本次潰壩最大流量計算采用該公式，該公式的形式為：

式中：Qm為壩址處潰壩流量，m3/s；g 為重力加速度，9.81 m/s2；B為壩址處的庫面寬，通常取壩長值，m；H 為壩前水深，對于設計條件，可取淤積面下一定深度稀泥加上實際水深；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，當L/B 大于5 后，其影響不再增加，可取L/B＝5；b 為潰口的平均寬度，最大（全潰時）等于壩長。當潰壩時的蓄水庫容V≥100 萬m3時，按b＝K1V1/4B1/7H1/2估計（K1稱為壩體材質系數，對于粘土類壩、粘土心墻壩和砼壩取1.19，均質土壤土壩取1.98）;當V＜100 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）；h 為為潰口處殘留壩體的平均高度，為安全起見，對于設計條件可取h＝0。K' 為經驗系數，按K'＝1.4（bh/BH）1/3估計。

有關參數的確定：

1）壩址處的庫面寬B：通常取壩長值B＝130 m。

2）潰壩水位：考慮實際運行情況，大峪溝水庫潰壩水位定為壩頂高程403.10 m。

3）壩前水深H：壩前水深對于運行多年的水庫，一般要考慮淤積高程的影響。經過實測，壩前淤積高程為391.60 m，由于無法準確確定年久淤積層和動淤積層的厚度，因此，為安全起見，根據經驗估算動淤積層厚度H動＝5 m，壩前庫底高程為386.60 m，故壩前水深H＝潰壩水位－壩前庫底高程＝16.50 m。

4）庫區長度L：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，當L/B 大于5 后，其影響不再增加，可取L/B＝5。經測算，取L/B＝5。

5）潰壩時的蓄水庫容V。

6）潰壩口門b 的確定：在潰壩洪水計算時，對潰壩口門的計算中主要考慮了以下兩個方面：

①口門水流條件的判定

確定潰壩口門處的水流條件是為了進行水庫和下游河道整體潰壩洪水演進計算。

對于低水頭壩，潰壩口門較大，下游水位較高時，一般為淹沒流。壩體全部潰決后，壩址上下游斷面水位相同，也可作為淹沒處理，發生淹沒流時口門水流連續為緩流，其流量除受上游水流能線高的影響外，還往往受下游水的頂托影響。

對于口門較小、水頭較高、下游水流較低的高水頭壩，往往形成臨界流。此時上下游水能線不連續，口門處流量的大小僅和口門大小、形狀及上游水能線有關，不受下游水位的影響。

下游水位很低，口門較小、水頭較高，所以發生潰壩以后將會形成臨界流，但當水庫水位下降時成了淹沒流。

②潰壩形式的確定

包括估計潰壩口門幾何形狀、尺寸及隨時間的變化，潰壩口門形成的尺寸和變化應根據壩體材料和壩型結構、基礎情況、潰壩時上、下游水位及潰壩原因等幾個方面，參考歷史上的有關潰壩資料，對于土壩的潰壩，凡水流漫頂產生的口門，形狀多半為梯形，其邊坡為土壤的自然休止角，其口門的逐漸淘刷，一般在半小時內即可達最大。當發生洪水漫頂時潰壩口門寬度b 經過計算接近于壩址處庫面寬度B，且水頭較高、下游水位很低，潰口處殘留壩體的高度h 幾乎為零，故水庫潰壩的形式為全部潰決。

本次計算時，無法按上述要求詳細地確定潰壩口門的寬度，故引用原鐵道部提出的口門平均寬度b 的經驗估算公式計算：

式中：K1為壩體材質系數，對于粘土類壩、粘土心墻壩和砼壩取1.19，均質土壤土壩取1.98；V 為潰壩時的蓄水庫容，萬m3；B為壩址處的庫面寬度，通常取壩長B＝130 m；H 為壩前水深，經計算H＝16.5 m。

在上式中，壩前水深（水頭）H 在沖刷中起主要作用，V1/4B1/7H1/2是綜合值，反映了壩上水體的總能量，而系數K1則反映壩體的抗沖強度。經計算，b=73 m。

計算潰壩時壩址處的最大洪峰流量：

3 壩址潰壩洪水過程線的推求

計算潰壩洪水過程線的目的，在于推算下游各處潰壩最大流量、水位及到達時間，大壩瞬時全潰的壩址過程線采用典型過程線的方法推求。

由于無下游河道實測資料，無法對潰壩洪水向下游演進進行詳細計算。因此，通過對模型試驗資料及詳算法計算成果的分析，潰壩洪水流量過程線與潰壩最大流量Qm、潰壩時的入庫流量Q0、下游水位及潰壩可泄庫容有關，其線型近似于四次拋物線，即潰壩初瞬時流量陡增到Qm，緊接著流量迅速下降，形成下凹曲線，最后趨近于入庫流量Q0。潰壩洪水流量過程線見圖1。

圖1 潰壩洪水過程線

典型過程線的坐標值，見表1。表1 中，T 為洪水過程線的總歷時，亦即潰壩庫容V（潰壩前的水庫蓄水容積）泄空的時間，當Qm、Q0及V 已知時，總歷時T 的計算公式為：

由上式求得的T，連同已知的Qm、Q0，即可按照下表的數值進行縮放，進而求得壩址潰壩流量過程線。

表1 壩址潰壩流量典型過程線坐標值

典型過程線的推求，關鍵是要確定潰壩蓄水容積V，潰壩時入庫流量Q0。由前面的計算知，潰壩蓄水容積V＝428 萬m3，潰壩時壩址處的潰壩最大流量Qm＝3630 m3/s，而潰壩時的入庫流量Q0需要試算比較后確定。具體方法為：

首先選擇超標準洪水（最大超標準洪水不宜超過水庫校核洪水的4～5 倍），當超標準洪水選定后，可以進行調洪演算，當壩前水位與壩頂齊平時，入庫流量即為Q0。在具體計算時，水庫起調水位可取汛前限制水位Z限，在有條件的情況下，也可以多作一些組合分析，即確定多個起調水位分別計算Q0，從中選定一個最具威脅的（最大的）Q0。

由于水庫流域面積較小，且上游有水庫，在選擇超標準洪水時，不宜選擇太大的超標準洪水。因此，在選擇超標準洪水時，按照Q超＝1.5QP＝1120 m3/s 和Q超＝2QP＝1487 m3/s 兩種情況，并確定起調水位為395.80 m 和397.60 m 分別進行調洪演算。

經過調洪演算后，結果如下：

（1）Q超＝1.5Q 時：

當H＝395.80 m 時，Q0＝781 m3/s；

當H＝397.60 m 時，Q0＝740 m3/s。

（2）Q超＝2Q 時：

當H＝395.80 m 時，Q0＝742 m3/s；

當H＝397.60 m 時，Q0＝736 m3/s。

故確定最具威脅的潰壩時入庫流量為Q0＝781 m3/s。

計算潰壩洪水過程線總歷時T：

因此，按照《壩址潰壩流量典型過程線坐標值表》推求出壩址潰壩洪水過程線見表2。

表2 壩址潰壩洪水過程線表

圖2 壩址潰壩洪水過程線表

4 水庫下游沿程各斷面潰壩最大流量及水位

潰壩洪水在向下游的演進中，因受到河槽作用，流量過程線將不斷展平，潰壩的最大流量將很快衰減。這種急變不連續非恒定流在立波通過后，后續水流將維持連續緩變非恒定流。潰壩洪水演算是推求水庫壩址潰壩洪水最大流量，沿河道演進到下游各控制斷面處的流量及傳播時間，水庫屬小型水庫，采用經驗公式法進行演算：

式中：Qm為壩址處潰壩最大流量，m3/s；L 為下游斷面至壩址處的距離，m；Qm,L為Qm演進距壩址L 處的潰壩最大流量，m3/s；V為潰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，可采用歷史最大值，m/s；kv為經驗系數。

kvv 值可以近似地理解為洪水傳播速度，黃河水利委員會水利科學研究院根據實際資料分析，認為kvv 可以取下列數值：山區河道7.15 m/s；半山區河道4.76 m/s；平原河道3.13 m/s。kvv 取值為3.0 m/s。按照上述公式，計算水庫潰壩洪水向下游演進的各斷面處水文特性見表3。

表3 水庫潰壩下游各斷面洪水要素

5 潰壩洪水淹沒范圍

5.1 淹沒范圍的確定

潰壩洪水的淹沒范圍，采用斷面控制與實地查勘相結合的方法確定。即先計算建立各斷面的水位流量關系曲線，根據演算求得的各斷面最大流量，從水位流量關系曲線上查出相應水位，然后以此水位為基礎，結合實地查勘，在地形圖上確定洪水淹沒范圍。

5.2 各斷面水位流量關系的建立

各斷面資料由萬分之一地形圖上摘取，流量用下式計算：

式中：Q 為其水位下的流量，m3/s；A 為其水位下的過水斷面面積，m2；R 為水力半徑，R=斷面面積/濕周，m；n 為河床糙率；S為水面比降。

上式中某水位下斷面面積、水力半徑根據斷面資料計算，糙率根據河床情況，按主槽、灘地由天然河道糙率中對照取值，比降采用斷面所在河段的平均河床比降。

（1）推求潰壩流量在各斷面上的水位，勾繪淹沒范圍。

（2）根據演算求得的各斷面流量，從水位流量關系曲線上查出相應的水位。

（3）在水庫下游河道縱斷面圖上繪出潰壩洪水水面線，進行合理性檢查。

（4）根據水面線及各級流量所對應的水位，在地形圖上按等高線的變化趨勢，勾繪出各級流量所淹沒的范圍。蒲城縣大峪河水庫潰壩洪水淹沒圖見圖3。

圖3 蒲城縣大峪河水庫潰壩洪水淹沒圖

6 結語

水庫的安全是水工建筑物運行管理的核心問題，安全和經濟是相互依存、制約的。其防洪標準和安全系數通常是由其效益大小和失事后的影響大小等因素決定的。根據水庫實際情況，分析可能導致水庫大壩潰決的主要因素、分析可能發生的水庫潰壩形式、分析水庫潰壩洪水對下游防洪工程、重要保護目標等造成的破壞程度和影響范圍，進而確定影響范圍內社會經濟情況及工程防洪標準以及下游河道安全泄量等。本文通過對大峪河水庫潰壩潰壩形式、洪峰及洪水過程等進行分析計算，通過曼寧公式計算水庫下游沿程各斷面潰壩最大流量，最終確定水庫潰壩洪水對下游防洪工程、重要保護目標等造成的破壞程度和影響范圍，為小型水庫潰壩洪水分析，提供了較為實用的經驗。