大壩圍堰潰壩洪水演進預測分析

劉荷蕾

(黑龍江省慶達水利水電工程有限公司，哈爾濱 150000)

隨著建壩數量的不斷增多，各種涉及臨時建筑物的安全問題也日益突出。施工期若發生超標準洪水，圍堰潰決后風險巨大，故對圍巖潰壩的洪水演進預測分析十分重要。文章結合歷史監測資料，計算某水庫上游圍堰不同潰決工況下的最大下泄流量，選取典型斷面得出洪水演進結果，并分析對下游河道覆蓋區的影響后果。研究成果對該領域內相關研究具有一定的實際參考價值。

1 摘 要

水庫潰壩一般分為瞬時潰決和逐漸潰決兩種，前者通常為大壩自身材料或結構缺陷，后者是臨時建筑物如圍堰的垮塌破壞造成[1]。潰壩研究主要分析洪水對下游河道、村落、工業等造成的災難和后果。文章采用對客觀水文變化精準，全面反映洪水特征的水力學法。

2 圍堰調洪計算原理

2.1 圍堰瞬間全潰最大下泄流量[2]

1)里特爾公式：

(1)

式中：QM為最大潰壩流量；B為水面寬；g為重力加速度；H0為上游平均水深。

2)謝任之公式：

(2)

2.2 圍堰逐漸潰決最大下泄流量

局部潰口寬度計算公式為[3]：

b=kW0.25B0.167H0.50

(3)

式中：b為潰口平均寬度；k為與壩體材料有關，其中黏土類、心墻土取1.19，均值黏土類取1.98；W為潰壩庫容；B為壩頂長度或水面寬；H為壩前水深。

潰口寬度隨時間推移呈線性關系，表達式如下：

(4)

式中：B為瞬時潰口寬度； B0初始潰口寬度，一般可取5-20m；t潰決歷時；Tf為潰口發展時間。

潰口發展時間表達式：

Tf=0.00254KVr0.53Hb(-0.90)

(5)

3 工程實例

3.1 工程概況

某水利樞紐位于中國四川省境內，工程等別為Ⅰ等工程，主要建筑物由攔水壩、壩身泄洪底表孔、供水系統等組成，水庫總庫容為7.5億m3，調節庫容6.8億m3。其中大壩按1級建筑物設計，次要建筑物為3級，臨時建筑物為4級[4]。

施工期導流方式為河床隧洞導流，上游圍堰采用土石擋水圍堰，圍堰高度約為46.8m，堰頂長度172m，上游邊坡為1∶1.6，下游邊坡1∶1.4[5]。導流標準為10a一遇洪水，相應洪峰流量為2730m3/s。壩體平面布置，見圖1。

圖1 壩體平面布置圖

3.2 水文氣象

根據氣象站1970-2018年實測資料記載，水庫所處地區多年平均氣溫11.6℃，極端最高氣溫36.3℃，最低氣溫-17.5℃；多年平均降水量1052mm，多年平均蒸發量1368mm，多年平均風速0.92m/s。上游圍堰在大壩上游約130m，圍堰上游河長94km，控制流域面積2036km2。

3.3 計算成果

3.3.1 瞬間全潰最大下泄流量計算

全潰型潰壩流量公式分別采用10a一遇和20a一遇洪峰標準進行計算[6]。上游圍堰瞬間全潰洪峰流量計算成果表，見表1。

表1 上游圍堰瞬間全潰洪峰流量計算成果表

從表1中可以看出，兩種方法的參數取值不同，謝任之分析了潰壩瞬間的連續波，臨界流和不連續波流態，里特爾公式假定壩下游無水、壩上下游河槽斷面為矩形，后者試用范圍較窄。計算成果相差不大，故最大潰壩流量選用謝任之公式。

3.3.2 逐漸潰決最大下泄流量計算

上游圍堰潰口寬度計算成果表，見表2。

表2 上游圍堰潰口寬度計算成果表

續表2 上游圍堰潰口寬度計算成果表

從表2可以看出，兩種方法的計算結果相差不大，但前者綜合壩體土質結構、水面寬、潰壩庫容和壩前水深參數，故潰口寬度采用鐵科院公式。

3.3.3 圍堰潰決最大下泄流量確定

上述對上游圍堰瞬潰和逐潰兩種形式潰壩流量計算方式均為經驗公式，潰壩流量和潰口寬度計算在此基礎上需結合模型試驗的驗證最終確定。故圍堰潰決潰口處最大流量采用黃委會公，上游圍堰最大潰壩流量計算成果表，見表3。

表3 上游圍堰最大潰壩流量計算成果表

從表3可以看出，兩種方法的計算結果相差不大，但肖克利契公式未考慮潰口寬度，故最大潰壩流量采用水道試驗站公式。

3.4 洪水演進分析

潰壩洪水主要危害下游，應對潰壩后下游洪水淹沒范圍進行分析。文章考慮河道形狀、河勢及河道周邊，選取典型斷面10個圍堰潰壩洪水過程線，見圖2；節選典型斷面sw5水位流量見圖3；10a一遇見圖4；20a一遇洪水過程見圖5。

圖2 圍堰潰壩洪水過程線

圖4 10a一遇潰壩洪水過程線

圖5 20a1遇潰壩洪水過程線

根據潰壩洪水演進成果，10a一遇洪水和20a一遇洪水工況下，各斷面洪水水位差異不大，對下游造成的影響基本是相同的， 20a一遇洪水工況下潰壩洪水將對河道下游43km，923.4hm2范圍內產生一定影響。

4 結 論

文章基于某水利樞紐工程歷史水文水資源監測資料，結合大壩圍堰瞬時潰決和逐漸潰決兩種工況，通過比對選取適宜參數計算河道最大下泄流量，選取典型斷面分10a一遇、20a一遇計算潰壩后的洪水流量，最終得出圍巖潰決后河道下游河道覆蓋區的影響范圍和后果。

表4 水庫圍堰潰壩洪水計算表