新疆洛浦縣布爾庫木水庫潰壩洪水數值模擬

王 振

(新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

潰壩洪水具有突發性強、歷時短、峰高量大、難以預測的特點，潰壩洪水突發事件是破壞力強、危害范圍廣、損失嚴重的突發事件。新疆洛浦縣布爾庫木水庫位于灌區內部，為均質土壩小型水庫，水庫下游居民點、耕地密布，水庫修建年代早、設計標準低、防洪能力差、管理不到位，一旦發生潰壩，將對下游造成極為嚴重的生命、財產損失。截至目前，國內外專家學者對土石壩水庫潰壩洪水數值模擬方面取得了豐碩成果[1-6]。本文選用BREACH模型和簡化計算法模擬布爾庫木水庫潰壩洪水，模擬計算成果可為水庫突發洪水事件應急預案制定和風險評估提供技術支持。因此，開展水庫潰壩洪水研究具有重要的現實意義。

1 工程概況

布爾庫木水庫位于新疆和田地區洛浦縣多魯鄉境內，水庫利用天然洼地筑壩而成，是一座以灌溉為主的引水注入式平原水庫，水庫水源為玉龍喀什河河水。壩址距離洛浦縣多魯鄉政府約2.5 km，地理坐標為E80°16′08″，N37°5′45″。

布爾庫木水庫主要由大壩、放水涵洞、引水渠和放水渠組成。水庫正常蓄水位1 324.98 m，正常蓄水位相應庫容150×104m3；死水位1 323.00 m，死庫容10×104m3；調節庫容140×104m3。水庫大壩為均質土壩，全長2 300 m，壩頂高程1 326.5 m，最大壩高4.18 m，工程為小(Ⅰ)型Ⅳ等工程，水庫大壩為4級，地震設防烈度為Ⅶ度。

2 BREACH模型模擬成果

BREACH模型是由美國國家氣象局Fread研制的一種有關土壩失事的模型，用來預測由管道失事或洪水漫溢引起的土壩/堆石壩潰口出流過程和決口大小。

2.1 水量平衡

BREACH模型采用水量平衡關系模擬水庫水位的變化，公式如下：

(1)

其中：ΔH為計算時段內水庫水位變化；Δt為計算時段，較小值；Sa為水面面積；Qi為水庫入庫流量；Qb為流經決口的寬頂堰流量；Qsp為溢洪道出流流量；Qo為流經壩頂寬頂堰流量。

2.2 潰口流量計算公式

漫頂潰口流量公式采用寬頂堰公式計算：

Qb=3Ab(H-hb)0.5(寬頂堰水流)

(2)

如果決口因管道失事所致，用短管、孔流方程代替寬頂堰水流方程，則：

Qb=Ab[2g(H-hb)/(1+fL/D)]0.5(孔流)

(3)

其中：Ab為水流所流過的堰或潰口的面積；hb為壩下游面決口底部高程；f為達西摩擦系數，取決于D50粒徑；L為管道長度；D為管道直徑或寬度。

2.3 決口寬度

決口最初可認為是寬度為B0的矩形，B0=BrY，Y是決口入口處的臨界水深，Y=2/3(H-hb)。Br為無量綱因子，漫溢決口時Br為2，管道失事決口時Br為1。

有效決口深度超過臨界水深dc發生坍塌，決口由原來的矩形可以變為梯形。

dc=4Ccosφsinθ′/[γ-γcos(θ′-φ)]

(4)

其中：C為土壤內聚性；Φ為壩料內部摩擦角；γ為土壤容重；θ′為壩坡坡腳。

坍塌引起的角度θ′減小到新角度，公式為：

θ′=(θ′+φ)/2

(5)

2.4 決口侵蝕

除側面坍塌之外，假定決口侵蝕沿底部和側面同時進行。一旦決口沖刷到規定的壩底，侵蝕只在決口側面繼續進行。決口侵蝕速度取決于水流輸送侵蝕材料的能力。泥沙輸送關系用下式表示：

(6)

其中：Qs為壩料沖蝕率；D90、D50、D30分別為小于或等于某粒徑的沙重占總沙重90%、50%和30%的泥沙粒徑；D為用曼寧方程求得的任一瞬時決口水流的水力深度；S為決口底部坡降,假定與壩下游面平行；P為決口總周長；n為曼寧系數；τc為產生侵蝕所必須超過的Shield臨界剪切力。

在計算時間內，模型假設決口底部和兩側沖蝕率相等，底部和側面產生的增量相等，計算公式如下：

ΔHc=QsΔt/PL(1-P)

(7)

其中：L為穿過大壩的決口長度；P為決口材料的孔隙度。

2.5 潰壩流量過程線

本次采用BREACH模型，對布爾庫木水庫潰壩洪水模擬，計算結束條件為大壩水位與潰口底部高程差小于0.1 m、潰口基本不再出流。經計算，壩址處最大潰壩流923 m3/s。

圖1 布爾庫木水庫BREACH模型模擬潰壩洪水

3 簡化計算法模擬結果

簡化計算法為保守地利用地形與水文過程線資料和憑經驗確定的潰決流量表達式，適用于壩高小于等于12 m的均質土壩[7]。

壩址處的最大潰壩流量Qm可以按下式計算：

Qm=2.5FV0.76H0.1

(8)

式中：Qm為最大潰壩流量，m3/s；F為簡化評估特征參數，F=1.3；V為下泄水的總體積，103m3；H為最大水深，m。

布爾庫木水庫大壩為均質土壩，最大壩高4.18 m。從大壩壩高和材料類型方面考慮，可采用簡化計算公式計算最大潰壩流量。經計算，布爾庫木水庫大壩壩址處潰壩洪水洪峰為955 m3/s。

4 兩種模擬的分析比較

1) BREACH模型模擬壩址最大潰壩流量923 m3/s，簡化計算法計算最大潰壩流量955 m3/s，兩者相差較小，僅3.5%。

2) BREACH模型模擬結果為潰壩洪水過程線，為完整的潰決流量過程，可分析最大潰壩流量出現時間。但需綜合水利學、泥沙、土力學等學科知識，參數多，計算過程復雜，在資料具備條件下，應盡量采用BREACH模型。

3) 簡化計算公式模型簡單，未考慮實際潰壩機理，僅能計算壩址最大潰壩流量。但所需計算參數少，計算簡單，在資料缺乏條件下，可采用該方法進行初步計算及突發情況應急估算。

5 結 論

BREACH模型和簡化計算法均能進行布爾庫木水庫潰壩模擬，模擬成果可為制定水庫突發洪水事件應急預案和風險評估提供技術支持，對其他均質土壩小型水庫潰壩洪水模擬具有一定指導意義，但應根據水庫資料情況合理選擇計算模型。