水库大坝溃坝事故洪水预测数值计算研究

王海丽

（新疆塔里木河流域喀什管理局，新疆喀什844700）



水库大坝溃坝事故洪水预测数值计算研究

王海丽

（新疆塔里木河流域喀什管理局，新疆喀什844700）

摘要：水库大坝在调蓄洪峰、农业灌溉、水力发电等多方面发挥着重大作用。然而受施工因素和地质因素影响，水库堤坝开始出现安全隐患，堤坝渗漏引发的灾害性事件频频发生，因此研究大坝防溃决和洪水预测具有重要意义。基于国内外研究进展，从堤坝瞬时溃坝水流的控制方程出发，计算水库大坝瞬间全溃的洪水洪峰流量、持续时间、坝址流量过程线。希望为今后水库大坝防溃决设计提供理论支持。

关键词：水库；大坝；溃决；洪水预测

0 引言

当前，我国已经建成各类水库8万余座，受施工因素和地质因素影响，许多水库大坝的建设水平不高并且缺乏维护。从1954年至今，我国有3000多座水库发生溃坝，带来了巨大的经济损失和人员伤亡［1-2］。水库堤坝逐渐出现安全隐患，堤坝渗漏引发的灾害性事件频频发生，因此研究大坝防溃决和洪水预测具有重要意义。洪水的发生会导致河道出现高水位、高流速，并对岸坡进行严重的冲刷，出现水毁事故，同时大尺度的洪水还会威胁水库大坝安全［3］。溃坝的出现一般是洪水以立波形式向下游急速推进的结果，最大流量产生在坝址处，出现全溃后，水库内的水往往在几个小时内就会泄空。溃坝洪水的洪峰流量、流速、破坏力远大于一般洪水，造成的灾害往往是毁灭性的。

当前，溃坝洪水的研究方法有解析法、数值模拟法、实验法等。由于洪水对应的物理流场中存在间断波，数值模拟起来较为困难。随着计算机水平的提高，多位学者进行溃坝洪水的数值模拟计算，溃坝洪水数值模拟手段主要有：激波拟合法和激波捕捉法［4］。基于国内外研究进展，从堤坝瞬时溃坝水流的控制方程出发，计算水库大坝瞬间全溃的洪水洪峰流量、持续时间、坝址流量过程线。希望为今后水库大坝防溃决设计提供理论支持。

1 瞬时溃坝控制方程

由于大坝类型和水库容量不同，溃坝事故出现的概率也不相同，根据国际大坝委员会给出的统计资料：土坝发生溃坝的概率最高，占总溃坝数量的50%；重力坝占25%；支墩坝、拱坝占25%［5］。从水库容量角度看，中小型水库发生溃坝事故的比例最高，占整体的80%以上。溃坝的类型很多，按照溃坝发展时间划分为瞬时溃坝、逐渐溃坝。重力坝、拱坝、支墩坝一般都是瞬时溃坝，本文将重点研究此类型的溃坝［6-7］。

根据瞬时溃坝的水流流态，一般在溃坝上游出现逆行负波，在溃坝的下游形成顺行正波，图1给出了水库大坝瞬时溃坝后的洪水波形。逆行负波以波速ω0向上游传播，由于波前水深较大，因此波前速度大于波后速度。

图1 瞬时溃坝后的洪水波形示意图

溃坝洪水一般不考虑旁侧流入的情形，连续性方程为：

水流断面面积随时间的梯度与流量随沿程的梯度之和为0，说明洪水净流入多少水量就增加多少。此外，水流为渐变流，在河道底坡i变化不大时，流动还应满足动量方程：

式中：A为水流断面面积，m2；t为水流时间，h；Q为流量，m3/s；x为水平位移，m；Z为水位，m；R为水力半径，m；C为阻力系数；v为流动速度，m/s；g为当地重力加速度，m/s2。

2 瞬时溃坝洪水预测计算

本文研究的叶尔羌河山区拟建水库，水库正常水位为1775m，额定库容为7620万m3，其中死库容为1340万m3。但是水库大坝下游8km处有一个县城，因此大坝安全对下游防洪至关重要。一旦水库发生溃坝，将会给下游居民带来毁灭性的灾难。该水库大坝为土石坝，散粒体结构，坝顶海拔1778m，坝底海拔1694m，坝顶长度338m，坝底长度133m，坝高84m。

假设该大坝发生瞬时全溃的情形有两种：

（1）水库在正常水位情况下出现管涌等情形，进而发生瞬时溃坝；

（2）水库出现坝顶溢流，导致瞬时溃坝。

对上述两种情形进行数值计算，得出第一种情形的作用水头为39m，第二种情形的作用水头为42.2m。第一种情形的溃口宽度为235.4m，第二种情形的溃口宽度为235.4m。第一种情形的洪峰流量为53200m3/s，第二种情形的洪峰流量为59800m3/s。由此可见坝顶溢流的洪峰流量更大，此种溃坝情形更危险。

随后对溃坝洪水持续时间进行计算，瞬时溃坝的洪水流量与最大流量、下泄流量、水库容积等因素有关。当达到最大流量QP时，就可以根据其他几个参数求解出水库的泄空时间T，此时间即为溃坝洪水持续时间。同样对上述两种溃坝情形进行计算得出：第一种情形的水库容积为6280万m3，持续时间为1.15h；第二种情形的水库容积为6860万m3，持续时间为1.12h。

根据溃坝洪水持续时间T、最大流量QP和下泄流量Q0就可得出水库大坝瞬时溃坝的流量过程，两种瞬时溃坝情形的出流过程数据列于表1。其中t为水库溃坝时间，Q为溃坝流量。

表1 两种瞬时溃坝情形的出流情况

将两种瞬时溃坝情形的出流数据绘制成流量过程线。图2为第一种情形的流量过程线，图3为第二种情形的流量过程线。

图2 第一种瞬时全溃情形的流量过程线

图3 第二种瞬时全溃情形的流量过程线

计算结果显示，溃坝洪水传播速度很快，1h左右就可以全部泄完。到达县城所用时间不超过1h，鉴于水库对县城的威胁较大，因此应当建立完善的预警系统。并例如数值软件对水库溃坝模型进行有限元分析，依据分析结果开发出防洪风险图。

3 结语

洪水发生会导致河道出现高水位、高流速，并对岸坡进行严重冲刷，出现水毁事故，同时大尺度的洪水还会威胁水库大坝安全。溃坝洪水的洪峰流量、流速、破坏力远大于一般洪水，造成的灾害往往是毁灭性的。溃坝洪水数值模拟手段主要有：激波拟合法和激波捕捉法。基于国内外研究进展，从堤坝瞬时溃坝水流的控制方程出发，计算水库大坝瞬间全溃的洪水洪峰流量、持续时间、坝址流量过程线。研究表明，溃坝洪水传播速度很快，1h左右就可以全部泄完，对下游县城安全威胁较大。

参考文献

［1］隆文非，张新华，黄金池，等.水库溃坝洪水预测方法研究及应用［J］.四川大学学报（工程科学版），2008（01）：21-26.

［2］何晓燕，王兆印，黄金池.水库溃坝事故时间分布规律与趋势预测［J］.中国水利水电科学研究院学报，2008（01）：37-42.

［3］何晓燕，孙丹丹，黄金池.大坝溃决社会及环境影响评价［J］.岩土工程学报，2008（11）：1752-1757.

［4］吴小川.溃坝过程及洪水波演进数值模拟研究［D］.南京水利科学研究院，2004.

［5］田伟.新疆山口电站大坝内部变形监测分析［J］.水利规划与设计，2014（11）：55-57.

［6］刘磊，张红武，钟德钰，苗润泽.尾矿库漫顶溃坝模型研究［J］.水利学报，2014（06）：675-681.

［7］李云，李君.溃坝模型试验研究综述［J］.水科学进展，2009 （02）：304-310.

中图分类号：TV698

文献标识码：B

文章编号：1008-1305（2016）02-0056-02

DOI：10.3969/j.issn.1008-1305.2016.02.024

收稿日期：2015-01-05

作者简介：王海丽（1980年—），女，工程师。