水库溃坝洪水与洪水演进过程分析计算

秦 晨

(太原理工大学，山西 太原 030024)

·水利工程·

水库溃坝洪水与洪水演进过程分析计算

秦 晨

(太原理工大学，山西 太原 030024)

以孝义市梁家垣水库作为研究对象，参考《山西省水文手册》公式计算溃坝洪水，应用经验公式结合谷歌地图计算溃坝洪水向下游演进过程和溃坝洪水淹没范围，以确保水库下游地区的经济建设和人民生命财产安全。

土石坝，溃坝，洪水演进过程，洪水淹没范围

1 概述

1.1 研究背景与意义

据中国大坝协会2009年统计，截止2008年年底我国已建各类水库87 151座，水库总库容7 064亿m3，占我国河川总径流量的26%，为世界已建水库总库容的9.9%[1]。我国现有大多数土石坝都是在“大跃进”和“文革”时期建成的，是群众性政治运动的产物。坝址大都在建设前没有经过严格的勘测，对筑坝的土料、筑坝方法和地基土层情况，都没有详细和审慎的研究和记载。对于已经完工并且在运行的一大批土石坝水库，不仅在防洪、兴利方面发挥着重大作用，还存在着溃坝的风险，严重威胁水库下游地区的经济建设和人民生命财产的安全。

小型水库溃坝失事的原因大致为：

1)不够深入的研究和设计，设计标准低；

2)施工质量控制薄弱，未能满足设计要求；

3)管理和操作不当，缺乏观察，没有防控失事风险的对策，并且对于大坝已出现的问题不重视[2]。

1.2 研究内容

本文以孝义市梁家垣水库作为工程实例，结合公式推求梁家垣水库溃坝洪水及其向下游演进过程。

本文研究内容如下：

1)综合梁家垣水库的库容、水位、坝高，根据《山西省水文手册》公式计算土石坝溃坝决口长度与坝址最大流量。

2)用四次抛物线来概化坝址流量过程线。

3)根据公式结合谷歌地图推求溃坝洪水向下游演进过程。

4)应用曼宁公式结合谷歌地图得出溃坝洪水淹没范围。

2 研究区域概况

2.1 流域概况

梁家垣水库位于孝义市兑镇梁家垣南西1.5 km，属于文峪河流域，地理坐标东经37°06′02″，北纬111°42′04″，是一座防洪兼灌溉综合利用的小(Ⅰ)型水库，水库兴建于1974年，于1977年12月建成，水库主要保护下游4个乡村、4 000亩耕地、4 000人口的生命财产安全。

梁家垣水库位于孝义市柱濮河上，柱濮河是孝河的支流，孝河为文峪河一级支流。水库控制流域面积55 km2，水库设计总库容256.6万m3。

2.2 梁家垣水库工程概况

梁家垣水库是一座以防洪为主、兼顾农业灌溉的小(Ⅰ)型水库。

水库总库容为256.6万m3，调洪库容为117.6万m3，兴利库容为16万m3，死水位以下库容已淤满，水库的兴利水位为846.0 m，汛限水位为843.0 m，设计洪水位为849.92 m，校核洪水位为851.75 m，死水位为843.0 m。

3 溃坝洪水分析

3.1 坝址最大流量计算

用《山西省水文手册》计算。

土石坝溃决过程是一个复杂的水—土耦合过程，为保证计算结果的准确性，溃口大小计算包含泥沙淤积与未淤积两种状态。

3.2 坝址流量过程线

用四次抛物线来概化流量过程线。

4 溃坝洪水演进模拟

4.1 洪水演进过程计算

1)洪水到达时间计算公式：

(1)

其中，L为距坝址距离；K1为系数，等于0.7×10-3。

2)洪峰到达时间计算公式：

(2)

其中，K2为系数0.8～1.2，等于1.2；hM为最大流量时的平均水深。

4.2 洪水淹没范围分析

根据以上方法计算出各断面洪水位后，将各相邻断面洪水位连接，得到水库下游洪水影响范围。梁家垣水库下游高程均匀下降，研究区5 km。高差67 m，取河道比降0.013 4。查《水文手册》。

5 结论与建议

5.1 结论

本文以孝义市梁家垣水库作为研究对象，根据公式计算溃坝洪水，对溃坝洪水演进过程和洪水淹没范围进行了分析。希望借此方法有效帮助相关地区应对小概率溃坝事件的发生，进而有效的保障人民的生命和财产安全。

1)通过系统查看分析我国大坝溃坝统计情况，阐述了溃坝事故发生对下游地区造成的严重后果，提出水库溃坝数值计算及洪水演进过程的必要性。

2)选取土石坝瞬间全溃的方式，计算得到坝址最大流量。

3)根据经验公式结合谷歌地形图对溃坝洪水向下游演进的过程和溃坝洪水淹没范围进行了分析计算，突出了受保护村庄的地理位置。

5.2 建议

本人在研究溃坝洪水数值计算及洪水演进的过程中，由于自身能力有限，所获得的资料也不尽完善，另外，所涉猎的理论有限，本文仍存在值得进一步研究的内容。

1)在大坝溃决的研究仍有不足，土石坝的溃决机理比较复杂，仍没有十分完善且具有公信力的理论出现。本文经过比较选取了较为接近实际的公式进行计算，但与真实情况仍有一定差距。另外，在确定溃决方式时，选取了危害性最大的瞬间全溃方式，也与实际情况不符。对于溃坝机理仍有待进一步的研究。

2)洪水演进计算中仅仅使用公式进行了推导，没有运用洪水演进模拟软件，使得结果不具有对比性，仍需改进。

[1] 郑守仁.我国水库大坝安全问题探讨[J].人民长江，2012，43(21):1-5.

[2] 田 川，李 巍.土石坝溃坝原因分析[J].现代农业科技，2011(1):273-275.

[3] 李 云，李 君.溃坝模型试验研究综述[J].水科学进展，2009，20(2):304-310.

[4] 史宏达，刘 臻.溃坝水流数值模拟研究进展[J].水科学进展，2006，17(1):129-135.

Analysis and calculation on reservoir dam-break flood and flood evolution process

Qin Chen

(TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

Taking Liangjiayuan reservoir as the research target, the paper refers toShanxiHydrologicalManualFormulafor calculating dam-break flood, applies experience formula, combines Google map for computing dam-break flood evolution process and dam-break flood submerging range, with a view to guarantee economic construction and people’s property and life safety in the reservoir downstream region.

earth-rock dam, dam-break, flood evolution process, flood submerging range

1009-6825(2015)30-0217-02

2015-08-20

秦 晨(1983- )，男

TV131.4

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