磨子潭水庫潰口洪水分析

蔡黎明+麻天為

摘 要：簡要介紹了磨子潭水庫的基本情況，遵循“最不利，最可能”的原則，提出了磨子潭水庫可能潰壩的4種典型方案，并根據這些方案分析了磨子潭水庫潰口洪水的流量過程線，從而為潰壩洪水演進模擬入流邊界的設置提供必要的參考。

關鍵詞：磨子潭水庫；潰壩；潰口；洪水分析

中圖分類號：TV122+.4 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.05.018

在實際工作中，假設混凝土壩的潰決方式和潰口形態，根據水庫運行水位和不同上游來流量值進行組合計算，比較和分析了潰口最大流量、潰口流量過程線。潰口發展和潰口流量的計算、模擬是研究潰壩問題的基礎。潰口流量過程線作為潰壩洪水波演進的入流邊界，其計算精確度關系著潰壩洪水波的演進效果，而且還會影響對潰壩風險的分析和地區應急預案的制訂。

1 工程概況

磨子潭水庫位于淠河上游安徽省霍山縣境內，水庫下游25 km是佛子嶺水庫壩址，它與佛子嶺水庫形成串聯式的梯級樞紐，是一座以防洪為主，集灌溉、發電等功能為一體的綜合水利樞紐。其控制流域面積570 km2，總庫容3.47×108 m3。樞紐工程主要包括攔河壩、溢洪道、泄洪隧洞和發電廠。攔河壩主體為混凝土支墩大頭壩，它是由中部的12個雙支墩（ 2～12號） 壩段、兩壩頭各3個單支墩壩段、重力壩段、左岸2號垛以左（壩軸線向上游轉折42°）的轉折重力壩段組成。其壩頂全長331.0 m，最大壩高83.1 m，壩頂高程 202.0 m，防浪墻頂高程204 m，正常蓄水位187.0 m，設計洪水位201.19 m，對應壩前水深79.19 m，對應庫容為3.47×108 m3，校核洪水位203.93 m，對應壩前水深81.93 m，對應庫容3.47×108 m3。

2 潰口洪水計算

2.1 確定潰口形態

潰口是大壩潰決失事時形成的口門，其形態主要取決于壩型和筑壩材料。目前，對實際潰壩機理的研究尚不明確，因此，潰口的形態多用近似假定的方式確定。一般情況下，潰口形態是由4個參數確定的，即潰決歷時τ、潰口寬度b、潰口底部高程Hb、潰口邊坡的坡比m。第一個參數可以確定大壩的潰決形式——是瞬時潰壩還是逐漸潰壩，后面的3個參數則可以確定潰口的斷面形狀——矩形、三角形、梯形，進而判斷大壩是局部潰決還是全部潰決。

2.2 計算潰壩最大流量

潰壩壩址的峰值流量與壩址潰壩前上下游水深、壩址斷面形狀和尺寸有關，而其計算方法則取決于潰壩形式——瞬時全潰、瞬時部分潰、逐漸潰決。由于筑壩材料和結構形式不同，所以，對于混凝土重力壩或拱壩等剛性體壩，經常出現一次性瞬時全潰或瞬時部分潰的情況。此次計算結合工程的實際情況，遵循“最不利，最可能”的原則計算壩體瞬時全潰、瞬時部分潰2種情況下的相關值。對于瞬時潰壩，水流呈非恒定、不連續的運動狀態。目前，國內外有不少潰壩潰口流量的計算模型，比如謝任之提出的統一公式，Sigh和Scarlato等通過實驗觀察修正的寬頂堰流量計算公式，還有美國國家氣象局FLDWAV模型中使用的潰口流量公式等。本文擬采用謝任之提出的統一公式計算瞬時潰壩的最大流量，即：

. （1）

式（1）中：λ為流量系數；B0為潰口平均寬度，m；g為重力加速度，m/s2；H0為潰壩時壩前平均水頭，m。

當大壩瞬時全潰時：

. （2）

當大壩瞬時部分潰時：

. （3）

式（2）（3）中：m為斷面形狀系數；σ為沉溺系數；λe為矩形斷面、自由出流、口門拉至河底、堰寬比為e的流量系數；f為堰高比；n2，n4，n6分別為指數。

2.3 壩址斷面潰壩流量過程線

潰壩流量過程線可以概化為4次拋物線型或2.5次拋物線型，即當潰壩初瞬流量陡增至Qmax時，在短時間內流量迅速降為潰壩前入庫流量Q0所形成的下凹曲線。在工程中，多選擇4次拋物線型。其具體工作流程是先擬定過程線總歷時T，再驗算過程線與Q=Q0直線間的水量是否等于潰壩庫容。如果不相等，則需要調整T值，直到二者相等為止。

3 計算方案的選取和結果分析

3.1 計算方案

方案Ⅰ潰壩條件：瞬時全潰，庫水位取校核洪水位，即203.93 m；潰口底部高程為122 m；下泄庫容為3.47×108 m3；潰口寬度取壩址斷面平均河谷寬度，約為165.5 m；水庫上游來流量取與校核洪水位對應的洪峰流量，即12 400 m?/s。

方案Ⅱ潰壩條件：瞬時部分潰，庫水位取校核洪水位，即203.93 m；潰口底部高程為163 m；下泄庫容為2.94×108 m3；潰口寬度取壩址斷面潰口底部以上平均河谷的寬度，約為220 m；水庫上游來流量取與校核洪水位對應的洪峰流量，即12 400 m?/s。

方案Ⅲ潰壩條件：瞬時全潰，庫水位取設計洪水位，即201.19 m；潰口底部高程為122 m；下泄庫容為3.47×108 m3；潰口寬度取壩址斷面平均河谷寬度，約為165.5 m；水庫上游來流量取與設計洪水位對應的洪峰流量，即6 640 m3/s。

方案Ⅳ潰壩條件：瞬時部分潰，庫水位取設計洪水位，即201.19 m；潰口底部高程為163 m；下泄庫容為2.665×108 m3；潰口寬度取壩址斷面潰口底部以上平均河谷寬度，約為220 m；水庫上游來流量取與設計洪水位對應的洪峰流量，即6 640 m3/s。

3.2 結果分析

潰壩流量計算結果詳見表1，4種方案潰壩流量過程線如圖1、圖2、圖3、圖4所示。

由表1可知，通過計算4種方案的相關值，可得到壩址處潰壩峰值流量和下泄庫容放空用時。方案Ⅰ潰壩峰值流量最大，方案Ⅳ潰壩峰值流量最小，方案Ⅱ下泄庫容放空用時最長，方案Ⅲ下泄庫容放空用時最短。

由圖1、圖2、圖3、圖4可知，在4種潰壩條件下，在分析壩址斷面處潰口流量過程線的變化時，并沒有考慮到岸邊溢洪道、新老泄洪洞對潰口流量過程線的影響，而潰口流量在潰壩初迅速達到了潰壩峰值流量Qmax，之后又隨時間迅速展平，最后達到潰壩前入庫流量Q0.比較圖1和圖3可知，壩前水頭越高，潰壩洪水波攜帶的重力勢能就越高，潰壩峰值流量就越大，破壞能力就越強。

4 結論

磨子潭水庫多年平均徑流量為17.6 m?/s，歷年最大洪峰流量為9 350 m?/s，大壩采用千年一遇的校核標準，與其對應的流量為12 400 m?/s。當水庫遇到入庫洪水量超過設計洪水量或是其他突發情況，比如地震、戰爭等時，存在一定的潰壩風險。即使方案Ⅳ的潰壩峰值流量為66 039 m?/s，其真正流量也遠大于設計流量。

文中潰口流量過程線的計算中并沒有考慮到潰口形成過程對其的影響，但是，在“最不利，最可能”的原則下，這種計算方式也是比較合理的，它能滿足工程的實際需要。在此過程中，較為準確的潰口流量過程線的計算方法對計算潰壩洪水波演進、分析潰壩風險、制訂地區應急預案是非常有利的。因此，后續探尋較為準確的潰口流量過程線計算方法是很有必要的。

參考文獻

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〔編輯：白潔〕