混凝土壩瞬潰對水庫水力學研究

張曉剛

(大石橋市水利事務中心，遼寧 大石橋 115100 )

1 概 述

隨著國家科學技術的發展，我國在水利工程領域的發展也是飛速進行，大批水利工程的修建改善了河道的水利通航、水力發電、生態環境改善。但隨著大壩修建的年限增長，大壩老化及受到自然災害的沖擊都有可能發生潰決。目前，研究潰壩主要有物理模型試驗和數值模擬計算，對比物理模型試驗，數值模擬相對可重復性強、節約成本、反演程度高[1]。

目前，潰壩洪水計算模型是水力學分析潰壩發生的重要工具，一直備受國內外學者的廣泛關注和引用，許多學者對這一問題進行了大量的研究[2-3]。如唐友一通過分析研究得出潰壩潰口瞬時的最大流量 、流量過程線的簡化計算方法，適用于河道型水庫、湖泊水庫的潰壩計算。謝任之[4]通過公式推導給出瞬時全潰、局部潰、逐漸潰的潰壩壩址峰值流量計算“統一公式”，并給出相應的流量參數表。王立輝討論了梯級水庫同時潰和相繼潰、底坡等因素對潰壩波在河道傳播的影響程度。因此在前人研究的基礎上，本文主要通過Flow-3d建立數學模型研究混凝土壩瞬潰的上下游水位、流量變化，以期得到較為可靠的水力學參數，并為混凝土壩瞬潰提供重要的參考基礎。

2 試驗設計

2.1 數學模型建立

通過CAD建立混凝土壩的幾何模型，通過Flow-3d進行模型的驗證。根據圖1所示，分別設置上游、潰口、下游3處水位波動模擬點，壩高50 m，假定潰口尺寸30×50 m，潰口位于壩體中心潰決條件為壩前水位50 m漫頂潰決，下游水位10 m。

圖1 模型布置圖

2.2 模型驗證

2.2.1 潰決方式

通過建立的數學模型以漫頂潰壩進行模型的驗證，即上游水位H=50 m，下游水位H=10 m，預設潰口整體壩高50 cm，假定潰口尺寸30×50 m，具體見圖2。

圖2 潰口瞬時潰決方式

2.2.2 潰口流速驗證

由圖3可知，潰口流速的實驗值與模擬值在驗證的20 s時間內吻合度很高，兩者差異小，最大誤差為1.2%。數學模型建立的準確可靠，可以作為本文研究的理論基礎。

圖3 潰口水位對比圖

3 混凝土壩瞬潰的數值模擬

3.1 上下游水位

數值模擬混凝土壩瞬潰時，上游監測點在潰口1 m處，下游監測點在潰口3 m處，根據數值模擬結果繪出上下游水位波動圖，見圖4-圖5。由圖4和圖5可知，在混凝土壩瞬潰的5 s之內上游水位在0.5 s左右時開始下降，在0.5～2 s水位下降緩慢，在第2 s驟然下降較快；下游水位在0.4 s時開始上驟然上升，在1.5 s左右上升到最高點H=30 m，在2.5 s之后緩慢波動水位穩定在H=15 m。

圖4 上游水位過程線

圖5 下游水位過程線

3.2 潰口流量

模擬潰口流量圖見圖6。

圖6 模擬潰口流量圖

根據數值模擬值可知，混凝土壩在瞬潰時流量是逐漸降低，在10 s內流量降低的緩慢，10～80 s下降較快，可見混凝土壩在瞬潰時候最佳的封堵時間為瞬潰的1 min之后，在此之前流量及流速較大，封堵難度大且危險。

4 結 論

1) 通過Flow-3d建立混凝土壩的瞬潰模型，根據驗證結果可知計算快捷方便、準確可靠，可以計算類似的水力學發生過程，為試驗提供相驗證的數據。

2) 計算混凝土壩瞬潰時上下游水位波動、潰口流量變化等水力學特性，可見在混凝土壩瞬潰時潰口的流速及流量較大，變化較快。因此，對于混凝土壩在瞬潰時應注重潰口上下游附近的流量、流速及水位的變化情況，采取相應的封堵和救援措施。