水库溃坝模拟计算与洪水演进过程分析

丁 晓 霞

(1.太原理工大学，山西 太原 030024； 2.山西省汾河中下游水务管理局，山西 太原 030002)

水库溃坝模拟计算与洪水演进过程分析

丁 晓 霞1，2

(1.太原理工大学，山西 太原 030024； 2.山西省汾河中下游水务管理局，山西 太原 030002)

应用《山西省水文手册》公式和经验公式对孝义市东安生水库溃坝洪水及其向下游演进过程进行了分析，达到了帮助人们了解小概率事件发生后相关地区受灾状况及洪水发展动态趋势的效果，并能够提前建立疏散方法及预警机制，将水库溃坝带来的损失降至最低，进而有效的保障水库下游人民的生命财产安全。

土石坝，溃坝，溃坝决口长度，洪水演进过程

1 概述

1.1 研究背景与意义

据中国大坝协会2009年统计，截止到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]。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)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]。对于水库下游具有村落及耕地存在的情况，一旦上游水库溃决，瞬间下泄的大量洪水会给下游地区造成灾难性破坏，对下游居民的安全及经济造成严重危害。因此，对上游水库进行溃坝模拟、计算，确定溃坝后洪水大小、影响范围、演进过程等是制定防洪减灾措施及应急预案的重要基础，同时也可以为社会合理发展布局提供参考。

1.2 国内外研究现状及发展趋势

1.2.1 溃口流量过程的研究

分析溃坝的机理是计算溃口流量过程的前提，进而需要进行大量原始溃坝资料的记录、整理、分析，以及各种不同的物理实验，数值模拟等[3，4]。

1.2.2 溃坝洪水演进的研究

溃坝洪水演进数值模拟方法可分为两大类：一类是分段模型方法，即把坝址作为上、下两段的分界点，先考虑库区情况与下游水位对坝址出流的影响，得出坝址流量过程线，并且将此作为上边界条件，作为下游做洪水演进的依据。另一类是整体模型解法，即把下游河道、库区、坝址作为一个整体模型来研究，可以适用于各种边界条件，如自由出流、淹没出流等，可以由程序根据坝址上下游水头差自动求出坝址流量过程。

1.3 研究内容

本文以孝义市东安生水库作为工程实例，结合公式推求东安生水库溃坝洪水及其向下游演进过程。本文研究内容如下：1)综合水库的库容、水位、坝高，根据公式计算土石坝溃坝决口长度与坝址最大流量；2)根据公式结合谷歌地图推求溃坝洪水向下游演进过程。

2 研究区域概况

孝义市坐落于山西省晋中盆地西南隅，吕梁山脉中段东麓，地理位置介于东经111°21′～111°56′，北纬36°56′30″～37°18′45″之间。东与介休市隔汾河相望，西与交口、中阳县毗邻，南与灵石县接壤，北与汾阳市交界。

2.1 流域概况

东安生水库位于孝义市西南，东安生村东南1 km，距市区约18 km。该水库于1975年10月竣工，已运用40年。水库位于孝河支流白沟河的中上游，控制流域面积6 km2，流域长3.8 km，平均纵坡5.7‰，多年平均输沙量为2.4万m3。库区地质属砂页岩，土石山区，植被稀少，水土流失现象较为严重。

2.2 东安生水库工程概况

东安生水库是一座小(Ⅱ)型水库，其任务是防洪、灌溉。水库设计总库容55万m3，调洪库容30万m3，兴利库容5万m3，死库容25万m3，坝高17 m，坝顶长220 m，坝顶宽4.5 m，水库保护着下游2个乡村，7 000亩耕地，9 200人口的生命财产安全。

3 溃坝洪水分析

3.1 坝址最大流量计算

1)采用《山西省水文手册》计算。

最大流量：

(1)

溃坝决口长度：

(2)

(3)

其中，k1为坝体材料系数，均质土坝取1.98；V为溃坝时有效蓄水量，万m3；H为溃坝时水头或溃坝时坝前水深，水头计算高度采用坝顶高程；B为坝址处库面宽，取坝长617 m；L为库区长度，m，取L/B=5。

2)采用黄河委员会公式[3]计算。

最大流量：

(4)

溃坝决口长度：

(5)

其中，K为系数，粘土类取0.65，壤土类取1.3。

3.2 计算结果对比分析

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。b1为不考虑泥沙淤积的溃口宽度，此时取V为总库容55万m3，取H为坝高17 m，b2为考虑泥沙淤积的溃口宽度，此时取V为有效库容30万m3，取H为有效水深5.8 m；b1，b2都由式(2)和式(5)分别计算对比。Qm1为b1对应的最大溃坝流量，Qm2为b2对应的最大溃坝流量；Qm1和Qm2都由式(1)和式(4)分别计算对比。计算结果见表1。由表1可知，淤积对最大流量影响不大，Qm应选择现阶段淤积b2对应的流量Qm2，而《水文手册》计算结果偏大，保守起见，Qm取《水文手册》计算结果即861 m3/s，再加入正常溢洪道泄量42.91 m3/s，全部下泄洪量为904 m3/s。

表1 b和Qm计算结果对比表

4 溃坝洪水演进模拟

4.1 溃坝下游流量计算

溃坝下游流量的计算公式为：

(6)

其中，QLM为溃坝最大流量演进至距坝址为L处时，在该处出现的最大流量；kvv为山区河道，取7.15。

4.2 洪水演进过程计算

1)洪水起涨时间计算公式：

(7)

其中，L为距坝址的距离；K1为系数，K1=0.7×10-3。

2)最大流量到达时间计算公式：

(8)

其中，K2为系数0.8～1.2，取K2=1.2；hM为最大流量时的平均水深。

3)溃坝下游流量过程线：

(9)

溃坝洪水向下游演进过程见表2。

表2 洪水向下游演进过程表

5 结论与建议

5.1 结论

本文以孝义市东安生水库作为研究对象，根据溃坝知识计算溃坝洪水，对溃坝洪水演进过程进行了分析。希望能借此方法帮助人们了解小概率事件发生后相关地区受灾状况及洪水发展动态趋势，进而保障人民的生命财产安全。

1)选取土石坝瞬间全溃的方式，用两种公式对比分析计算出溃坝决口宽度与坝址最大流量，使结果更具有可靠性。

2)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进行了计算，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)对于大坝溃决的研究不足，由于目前大坝溃决，尤其是土石坝的溃决机理比较复杂，仍未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.

[5] 谢任之.溃坝水力学[M].济南：山东科学技术出版社，1993.

The reservoir dam-break simulation computation and flood evolution process analysis

Ding Xiaoxia1,2

(1.TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China;2.ShanxiMiddleandLowerReachesoftheFenRiverWaterAffairsAdministrationBureau,Taiyuan030002,China)

The thesis analyzes Dongansheng reservoir dam-break flood and flood evolution process by applyingShanxiHydrologicManualformula and experience formula, achieves the effect of helping people knowing about little probability event disasters and flood development trend, and establishes excavation methods and alarming mechanism beforehand, so as to reduce reservoir dam-break loss and to effectively guarantee people’s lives and property safety.

earth-rockfill dam， dam-break， dam burst length, flood evolution process

1009-6825(2015)28-0215-02

2015-07-21

丁晓霞(1984- )，女，在读工程硕士

TV697

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