水庫大壩潰壩事故洪水預測數值計算研究

王海麗

（新疆塔里木河流域喀什管理局，新疆喀什844700）

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水庫大壩潰壩事故洪水預測數值計算研究

王海麗

（新疆塔里木河流域喀什管理局，新疆喀什844700）

摘要：水庫大壩在調蓄洪峰、農業灌溉、水力發電等多方面發揮著重大作用。然而受施工因素和地質因素影響，水庫堤壩開始出現安全隱患，堤壩滲漏引發的災害性事件頻頻發生，因此研究大壩防潰決和洪水預測具有重要意義。基于國內外研究進展，從堤壩瞬時潰壩水流的控制方程出發，計算水庫大壩瞬間全潰的洪水洪峰流量、持續時間、壩址流量過程線。希望為今后水庫大壩防潰決設計提供理論支持。

關鍵詞：水庫；大壩；潰決；洪水預測

0 引言

當前，我國已經建成各類水庫8萬余座，受施工因素和地質因素影響，許多水庫大壩的建設水平不高并且缺乏維護。從1954年至今，我國有3000多座水庫發生潰壩，帶來了巨大的經濟損失和人員傷亡［1-2］。水庫堤壩逐漸出現安全隱患，堤壩滲漏引發的災害性事件頻頻發生，因此研究大壩防潰決和洪水預測具有重要意義。洪水的發生會導致河道出現高水位、高流速，并對岸坡進行嚴重的沖刷，出現水毀事故，同時大尺度的洪水還會威脅水庫大壩安全［3］。潰壩的出現一般是洪水以立波形式向下游急速推進的結果，最大流量產生在壩址處，出現全潰后，水庫內的水往往在幾個小時內就會泄空。潰壩洪水的洪峰流量、流速、破壞力遠大于一般洪水，造成的災害往往是毀滅性的。

當前，潰壩洪水的研究方法有解析法、數值模擬法、實驗法等。由于洪水對應的物理流場中存在間斷波，數值模擬起來較為困難。隨著計算機水平的提高，多位學者進行潰壩洪水的數值模擬計算，潰壩洪水數值模擬手段主要有：激波擬合法和激波捕捉法［4］。基于國內外研究進展，從堤壩瞬時潰壩水流的控制方程出發，計算水庫大壩瞬間全潰的洪水洪峰流量、持續時間、壩址流量過程線。希望為今后水庫大壩防潰決設計提供理論支持。

1 瞬時潰壩控制方程

由于大壩類型和水庫容量不同，潰壩事故出現的概率也不相同，根據國際大壩委員會給出的統計資料：土壩發生潰壩的概率最高，占總潰壩數量的50%；重力壩占25%；支墩壩、拱壩占25%［5］。從水庫容量角度看，中小型水庫發生潰壩事故的比例最高，占整體的80%以上。潰壩的類型很多，按照潰壩發展時間劃分為瞬時潰壩、逐漸潰壩。重力壩、拱壩、支墩壩一般都是瞬時潰壩，本文將重點研究此類型的潰壩［6-7］。

根據瞬時潰壩的水流流態，一般在潰壩上游出現逆行負波，在潰壩的下游形成順行正波，圖1給出了水庫大壩瞬時潰壩后的洪水波形。逆行負波以波速ω0向上游傳播，由于波前水深較大，因此波前速度大于波后速度。

圖1 瞬時潰壩后的洪水波形示意圖

潰壩洪水一般不考慮旁側流入的情形，連續性方程為：

水流斷面面積隨時間的梯度與流量隨沿程的梯度之和為0，說明洪水凈流入多少水量就增加多少。此外，水流為漸變流，在河道底坡i變化不大時，流動還應滿足動量方程：

式中：A為水流斷面面積，m2；t為水流時間，h；Q為流量，m3/s；x為水平位移，m；Z為水位，m；R為水力半徑，m；C為阻力系數；v為流動速度，m/s；g為當地重力加速度，m/s2。

2 瞬時潰壩洪水預測計算

本文研究的葉爾羌河山區擬建水庫，水庫正常水位為1775m，額定庫容為7620萬m3，其中死庫容為1340萬m3。但是水庫大壩下游8km處有一個縣城，因此大壩安全對下游防洪至關重要。一旦水庫發生潰壩，將會給下游居民帶來毀滅性的災難。該水庫大壩為土石壩，散粒體結構，壩頂海拔1778m，壩底海拔1694m，壩頂長度338m，壩底長度133m，壩高84m。

假設該大壩發生瞬時全潰的情形有兩種：

（1）水庫在正常水位情況下出現管涌等情形，進而發生瞬時潰壩；

（2）水庫出現壩頂溢流，導致瞬時潰壩。

對上述兩種情形進行數值計算，得出第一種情形的作用水頭為39m，第二種情形的作用水頭為42.2m。第一種情形的潰口寬度為235.4m，第二種情形的潰口寬度為235.4m。第一種情形的洪峰流量為53200m3/s，第二種情形的洪峰流量為59800m3/s。由此可見壩頂溢流的洪峰流量更大，此種潰壩情形更危險。

隨后對潰壩洪水持續時間進行計算，瞬時潰壩的洪水流量與最大流量、下泄流量、水庫容積等因素有關。當達到最大流量QP時，就可以根據其他幾個參數求解出水庫的泄空時間T，此時間即為潰壩洪水持續時間。同樣對上述兩種潰壩情形進行計算得出：第一種情形的水庫容積為6280萬m3，持續時間為1.15h；第二種情形的水庫容積為6860萬m3，持續時間為1.12h。

根據潰壩洪水持續時間T、最大流量QP和下泄流量Q0就可得出水庫大壩瞬時潰壩的流量過程，兩種瞬時潰壩情形的出流過程數據列于表1。其中t為水庫潰壩時間，Q為潰壩流量。

表1 兩種瞬時潰壩情形的出流情況

將兩種瞬時潰壩情形的出流數據繪制成流量過程線。圖2為第一種情形的流量過程線，圖3為第二種情形的流量過程線。

圖2 第一種瞬時全潰情形的流量過程線

圖3 第二種瞬時全潰情形的流量過程線

計算結果顯示，潰壩洪水傳播速度很快，1h左右就可以全部泄完。到達縣城所用時間不超過1h，鑒于水庫對縣城的威脅較大，因此應當建立完善的預警系統。并例如數值軟件對水庫潰壩模型進行有限元分析，依據分析結果開發出防洪風險圖。

3 結語

洪水發生會導致河道出現高水位、高流速，并對岸坡進行嚴重沖刷，出現水毀事故，同時大尺度的洪水還會威脅水庫大壩安全。潰壩洪水的洪峰流量、流速、破壞力遠大于一般洪水，造成的災害往往是毀滅性的。潰壩洪水數值模擬手段主要有：激波擬合法和激波捕捉法。基于國內外研究進展，從堤壩瞬時潰壩水流的控制方程出發，計算水庫大壩瞬間全潰的洪水洪峰流量、持續時間、壩址流量過程線。研究表明，潰壩洪水傳播速度很快，1h左右就可以全部泄完，對下游縣城安全威脅較大。

參考文獻

［1］隆文非，張新華，黃金池，等.水庫潰壩洪水預測方法研究及應用［J］.四川大學學報（工程科學版），2008（01）：21-26.

［2］何曉燕，王兆印，黃金池.水庫潰壩事故時間分布規律與趨勢預測［J］.中國水利水電科學研究院學報，2008（01）：37-42.

［3］何曉燕，孫丹丹，黃金池.大壩潰決社會及環境影響評價［J］.巖土工程學報，2008（11）：1752-1757.

［4］吳小川.潰壩過程及洪水波演進數值模擬研究［D］.南京水利科學研究院，2004.

［5］田偉.新疆山口電站大壩內部變形監測分析［J］.水利規劃與設計，2014（11）：55-57.

［6］劉磊，張紅武，鐘德鈺，苗潤澤.尾礦庫漫頂潰壩模型研究［J］.水利學報，2014（06）：675-681.

［7］李云，李君.潰壩模型試驗研究綜述［J］.水科學進展，2009 （02）：304-310.

中圖分類號：TV698

文獻標識碼：B

文章編號：1008-1305（2016）02-0056-02

DOI：10.3969/j.issn.1008-1305.2016.02.024

收稿日期：2015-01-05

作者簡介：王海麗（1980年—），女，工程師。