陡河水库溃坝洪水淹没计算分析

周金波

（唐山市陡河水库管理处，河北 唐山　063021）



陡河水库溃坝洪水淹没计算分析

周金波

（唐山市陡河水库管理处，河北 唐山063021）

摘 要：通过进行溃坝洪水计算，可预测其淹没范围和程度，以便采取措施，减少损失，为下游的防洪减灾提供数据支撑。

关键词：水库；溃坝洪水；计算

1　引言

陡河水库位于地震强震区，由地震造成大坝的溃决是非常可能的。为了预估溃坝洪水带来的影响，提早采取相应措施，将洪水灾害造成的影响减少到最小程度，有必要对陡河水库进行溃坝洪水计算。

陡河水库距唐山市区15 km，是大（2）型土石坝水库，最高洪水位43.4 m，总库容5.152亿m3。水库以下河道穿过唐山市开平区、路北区和路南区。其中，开平区段为天然河道，流量一般在150～300 m3/s；路北区和路南区为市区段，设计流量为600 m3/s，实际流量接近800 m3/s。水库任何洪水位的溃坝，都将造成水库下游被淹没，因此本次溃坝洪水淹没计算对于唐山市的防洪减灾具有重大意义。

本次计算选取6种不同频率洪水即校核洪水位（43.4 m）、设计洪水位（40.3 m）、500年一遇（39.9 m）、100年一遇（38.3 m）、20年一遇（36.0 m）、正常蓄水位（34.0 m）洪水及8个河道断面即陡河断面、六十中断面、六号小区断面、河北桥断面、建华桥断面、钢厂桥断面、新华闸断面、胜利桥断面最不利的瞬时局部一溃到底的溃坝形式并以河道两岸高出地面墙体遇洪水即溃的计算方式及溃坝洪水扣去河道内流量然后在滩地漫流的计算方法，进行了从可能最大保坝洪水到正常蓄水位溃坝的下游淹没水面线推算。

2　溃坝洪水计算

2.1计算思路

溃坝是一种非常严重的灾害性事件，如何将溃

河北省是地震发生的频繁地区，唐山市又是重中之重。1976年唐山发生7.8级强烈地震，陡河水库大坝在地震中遭到严重破坏。其中，在上下游（高程32.0～35.0 m）均出现2条纵向大的裂缝，并形成坝顶95条横向裂缝。由于当时库水位仅31.6 m，未造成大坝溃坝。如果当时库水位较高，库水会在强烈地震力的作用下，造成溃坝事件。因此，这次溃坝洪水计算仅按水库遭受8级以上地震且库水位较高时所造成的溃坝进行计算。

溃坝洪水是根据水库6种频率洪水推算的，溃坝时仅考虑了河道洪水的汇流而未考虑水库的泄洪流量。实际上，当水库达到每一种洪水时便通过输水洞或溢洪道进行泄洪，但泄洪最大流量1 340 m3/s仅占溃坝洪水的3%，而且缺乏泄洪流量在河道上的演进资料，实际计算很困难，因此本次溃坝计算未考虑水库泄洪流量。

2.2水力参数选取

（1）水力半径计算。水力半径是曼宁公式（计算河道流量）中最重要的水力要素。过水断面面积与湿周之比即为水力半径，湿周即过水断面中水与河床接触的周长。水力半径是本次溃坝计算中重要的要素之一。由于本次是溃坝流量计算，需要洪水在河道两岸滩地上漫流，而滩地属于宽浅式断面，为了计算方便，湿周采用断面的最大宽度进行计算。以矩形断面为例，当断面宽度比深度大200倍时，其误差仅为1%；当断面宽度比深度大500倍时，其误差仅为0.2%。本次滩地断面宽度与深度之比均在500之上，其精度是能满足的。

（2）糙率选取。糙率是影响溃坝洪水在滩地漫流的重要参数，糙率系数对溃坝流量的影响远比水力半径影响大。河道表面材料愈光滑，粗糙系数愈小，相应的水流阻力也小，在其他条件不变的情况下通过的流量就愈大。对滩地而言，滩地光滑无任何房屋、庄稼，溃坝洪水就会迅速漫流，淹没水深相应减少；反之，溃坝洪水就会低速漫流，淹没水深相应增大，灾害损失就越大。因此，根据河道及两岸滩地的实际情况选取了糙率。如，河道断面为浆砌石，很光滑，无杂草，根据水力学书上的实际糙率系数比照表选择0.025；六十中、小屈庄附近为天然河道，两岸坡长满杂草，河槽不规整，经分析两断面的糙率系数为0.04；市区段河北桥至胜利桥为人工渠道，槽底及边坡均为浆砌混凝土，但河槽底不均匀，有淤积现象，因此这段糙率定为0.029。滩地水库至河北桥（不包括河北桥断面），左岸为居住区，右岸为高秆作物区，地面坑洼不平，其糙率选为0.075；市区段河北桥（含河北桥）至胜利桥，左右岸滩地均有建筑物或有居民区或有厂矿，其糙率选为0.05。选取结果，见表1。

表1 糙率选取结果

（3）动能修正系数选取。动能修正系数α是非均匀流恒定总流能量方程计算中重要的参数之一，其值大小取决于过水断面上流速分布情况。流速分布越均匀，动能修正系数越接近1；不均匀分布时，动能修正系数大于1；在渐变流时，动能修正系数一般在1.05～1.1。流速的变化取决于断面的变化，当断面突然扩大或缩小即流速不均匀时，动能修正系数应选取最大值和最小值；当断面逐渐扩大或缩小即流速为渐变流时，应在1.05～1.1进行选定。选取结果，见表2。

表2　动能修正系数选取结果

（4）局部水头损失系数选取。局部水头损失系数是非均匀流恒定总流能量方程计算中另一个重要的参数，它表示流量在计算流段内随断面的变化产生的局部水头损失。对于逐渐收缩的河段，局部损失很小，可以忽略不计。对于扩散的河段，局部损失系数可取-0.3～-1.0，一般视扩散的急剧程度不同来选择：扩散程度较小者可取-0.3，突然扩散者可取-1。在实际选取中，视2个断面变化的程度来决定局部水头损失系数的大小。选取结果，见表3。

表3　局部水头损失系数选取结果

（5）河道及滩地坡比计算。河道的坡比是选取2个断面间的实际距离和2个断面河道的底高程经过坡比计算得来的。滩地的坡比，由于河道两岸滩地地面高程均不一样无法计算，最后以河道的坡比代替计算结果，见表4。

表4 坡降计算结果

2.3溃坝洪水计算内容

（1）频率洪水选择。陡河水库选取校核洪水位（43.4 m）、设计洪水位（40.3 m）、500年一遇（39.9 m）、100年一遇（38.3 m）、20年一遇（36.0 m）、正常蓄水位（34.0 m）6种频率洪水进行洪水的溃坝计算。

（2）计算断面选择。陡河水库至胜利桥段长21 km，考虑到断面的均匀性及计算的流量，在水库至河北桥11 km间选择了4个计算断面，在河北桥至胜利桥10 km间也选择了4个计算断面。建华桥至新华闸间设1个计算断面，原想在中间设1个，但在断面尺寸方面很难在地形图上截取，最后将钢厂桥设在距建华桥较近的地方。计算断面共计8个，包括陡河断面、六十中断面、六号小区断面、河北桥断面、建华桥断面、钢厂桥断面、新华闸断面、胜利桥断面。

2.4溃坝形式确定

坝的溃决形式，究竟是全溃还是局部溃，是瞬时溃还是逐渐溃，决口形式和大小究竟怎样预估？这些问题在做溃坝洪水计算前，必须慎重确定。溃坝形式主要决定于土坝本身是否存在缺陷及是否发生自然灾害。根据陡河水库的实际情况，经考虑土坝按照遭受8级以上地震破坏的情景进行溃坝。根据土坝特点，溃坝是在强大水压力作用下通过裂缝由最初的小渗漏逐步变成大的渗漏最终形成溃决的形式形成的，应属逐渐溃坝。但是，由于溃坝水流冲击能力极强，从决口开始到基本形成最终稳定断面时为止，为时甚短。因此，在实际计算中，考虑到计算的方便及最不利的情况，最终溃坝形式选择最不利情况下的瞬时横向局部一溃到底的溃坝形式。

2.5溃坝宽度计算

土坝溃坝决口宽度b值，根据黄河水利委员会水利科学研究所实际资料分析求得的计算公式确定。其计算公式为：

式中：b为溃坝决口平均宽度（m）；W为溃坝时蓄水量（万m3）；B为溃坝时沿坝前水面宽度或坝顶长度（m）；H为溃坝时水头或坝前水深（m）；k为与坝体有关的系数。

陡河水库大坝为均质黏土，含有少量沙土，k值应选比黏土0.65稍大的0.7；W选取与溃坝洪水相对应的蓄水量；水库大坝总长7 364 m，主坝长1 700 m，由于大坝太长，主坝的长度作为B值较为合适；溃坝的位置在最大坝高处，河床段及部分一级阶地作为溃坝的位置较为合适，在此范围内，土坝施工时坝前作了铺盖，坝顶高程达到26 m，与一级阶地坝前高程一致，因此H以26 m底高程为基础。

2.6坝址处最大溃坝流量估算

本次坝址处最大溃坝流量的估算采用瞬时横向局部溃坝到底的溃坝形式，计算方法采用水力学中圣维南经验公式：

式中：QM为坝址处的溃坝最大流量（m3/s）；B为溃坝时沿坝前水面宽度或坝顶长度（m）；b为溃坝决口平均宽度（m）；H0为相对应洪水标准下溃坝时水头或坝前水深（m）；g为重力加速度（m/s2）。主坝长度作为B值，H0的计算结果见表5。根据式（2），可以计算6种不同频率洪水溃坝时在坝址处出现的最大流量，计算结果见表6。

表5　不同频率洪水溃坝时坝前水深m

表6　不同频率洪水溃坝时坝址最大流量m3/s

2.7溃坝下游最大流量计算

当溃坝洪水向下游演进时，河道会出现一个最大流量，而最大流量的计算则采用水力学中溃坝下游流量的经验公式：

式中：QLM为溃坝时距坝址L处出现的最大流量（m3/s）；W为溃坝时的库容（万m3）；QM为溃坝时坝址处最大流量（m3/s）；L为距坝址处的距离（m）；v为河道洪水期断面最大流速（m/s）（最大流量下的最大流速）；K为经验系数。水库下游唐山市区接近平原，因此选取K为3.13。

根据上述已知条件，计算溃坝洪水演进时下游断面出现的最大流量，计算结果见表7。

3　河道洪水计算

当水库出现某频率洪水时，水库下游河道也会出现洪水汇流，但洪水的大小与水库洪水的大小并不一定相同。为了计算简便，选择最不利情况下，当水库出现某频率洪水时下游河道也同时出现与水库相同频率的洪水。

表7　溃坝洪水演进时下游断面最大流量计算结果 m3/s

由于河道仅建华桥有不同频率洪水流量，其他断面只能通过绘制汇流面积求得相应的汇流流量，计算较为麻烦。河道的最大汇流流量与溃坝流量相比太小，影响不会大，采用简单方法计算也能满足要求，因此河道的洪峰流量采用单位线方法计算，计算结果见表8。溃坝洪水与河道汇流洪水算术相加为本次总的溃坝洪水。

表8　河道区间最大流量计算结果　m3/s

3.1河道及滩地断面绘制

水库下游陡河河道自1995年清理过后，已经近10年未进行清理，河道断面发生了很大变化。由于唐秦水文水资源勘测局刚刚做完各频率洪水在陡河上的淹没计算，河道纵段及横断数据都是实际测量所得，因此河道断面尺寸采用唐秦水文水资源勘测局的测量结果。滩地断面，在所测断面尺寸基础上采用1∶5万与1∶1万的地形图相结合的方法截取了断面尺寸。

3.2根据已知断面推算流量

在滩地流量推算过程中，首先要有个已知断面，水位与流量的关系曲线是已知条件之一。建华桥是市区河道唯一的水文站断面，具有水文数据的观测及分析值，因此将建华桥定为本次计算的已知断面。本断面滩地的水位—流量关系曲线采用曼宁公式计算流量的方法计算，计算结果见表9。

表9　建华桥滩地水位流量关系曲线推算结果

3.3河道水面线推算

本次溃坝洪水淹没推算采用天然河道水面线即明渠恒定非均匀渐变流的水位沿程变化方程式：

式中：Z1，Z2为上下游断面的势能，以水位代替（m）；α为沿程损失系数；ζ为局部损失系数；Q为已知断面的流量（m3/s）；A1，A2为上下游断面面积（m2）；L为上下游断面间的距离（m）；K1，K2为上下游断面的水力模数，；n为滩地糙率，无量纲数；R为断面的水力半径（m）；g为重力加速度（m/s2）。

如果以E1代表等式左边，以E2代表右边，E1= E2。也就是说，等式左边和等式右边计算的值为计算断面中间断面的水位亦是相等的。

计算时，首先以已知断面为基础，算出E1的值；然后，假设未知断面的水深，通过水深与面积、水力半径的关系曲线，查出面积、水力半径，计算水力模数，最后算出总的势能E2（即总的水位值）。如果E1=E2，说明假设的水位即为所求水位；如果不相等，说明还需要假设新的水位，再进行计算、比较，直到两边相等，这种计算方法为分段求和试算法。试算结果，见表10。

3.4河道淹没计算

洪水从陡河水库溃坝泄出后量大流急，本次分析了陡河水库至胜利桥的洪水淹没水面线。根据水面线分析计算，在陡河水库正常蓄水位34.0 m情况下溃坝，至胜利桥淹没面积为49.51 km2；当洪水为20年一遇标准时，从陡河水库溃坝至胜利桥产生的淹没面积为59.72 km2；当洪水为100年一遇标准时，从陡河水库溃坝至胜利桥产生的淹没面积为69.35 km2；当洪水为500年一遇标准时，从陡河水库溃坝至胜利桥产生的淹没面积为76.06 km2；当洪水为1 000年一遇设计标准时，从陡河水库溃坝至胜利桥产生的淹没面积为77.99 km2；当洪水为可能最大校核洪水时，从陡河水库溃坝至胜利桥产生的淹没面积为91.41 km2。

表10 河道不同断面水面线推算值m

3.5河道淹没情况

根据淹没范围和有关地图，可以查出淹没的主要厂矿、学校、生活小区、村庄、公路等。其中，淹没的厂矿包括陡河发电厂、马家沟耐火材料厂、马家沟煤矿、开平广厦集团建安公司、屈庄煤矿、唐山市第七轧钢厂、中盈建筑陶瓷有限公司、骨质瓷厂、华美陶瓷有限公司、缸窑热电厂、北郊水厂、唐山长源陶瓷有限公司、西缸窑煤矿、唐钢医院、唐山焦化有限公司、冶金矿山机械厂、唐山石油第三公司、唐山发电厂，淹没的学校包括马家沟矿小学、唐山市六十中学、开滦十二中学、屈庄小学、东窑小学、唐钢第四小学、缸窑一小、唐山市三十六中学、西缸窑第二小学、启新中学、启新小学、唐山市第十一职业中专、唐山市二十九中学、马各庄小学、马家沟第二小学，淹没的生活小区包括马矿新工村、六号小区、荣华里、缸北里、三益村、七十四号小区、高各庄、河北小区、河茵北里、河茵南里、河北里、河南里、河茵里、龙华里、龙东、龙北、富华南里、国泰花园公寓，淹没的村庄包括栗园、刘庄、大六甲（部分）、小六甲（部分）、大佛头（部分）、荆各庄（部分）、茅草营、东新庄（部分）、刘官营、大戴庄，淹没的公路包括唐榛路、京沈高速（冶里段）、缸窑路、沿河路、长宁道、裕华道、龙泽路、建设路、新华东道、建华东道、解放路。

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中图分类号：TV62+2；TV139.2+3

文献标识码：A

文章编号：1004-7328（2016）03-0046-05

DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2016.03.016

收稿日期：2015—12—19

作者简介：周金波（1977—），女，工程师，主要从事水利工程管理工作。坝与水库的实际状况结合起来是很关键的。根据土石坝的特点，溃坝形式主要有由洪水漫坝造成的溃坝、坝体存在缺陷由渗透造成的溃坝、坝基出现管涌或流土造成的溃坝。对陡河水库而言，第一，从大坝修筑质量上看，经过4次加固，大坝土体干容重基本达到1.8 kg/m3以上，在2005年坝体钻孔中发现坝体内部土体非常密实，库水根本未浸润到坝体内部，因此可以判定由坝体渗透造成的溃坝是不可能发生的。第二，从漫坝方面看，1995年陡河水库进行了漫坝风险分析计算，在起调水位34.0 m（设计起调水位32.0 m）时陡河大坝不存在漫坝，因此可以判定陡河大坝也不会因漫坝造成溃坝事件。第三，从坝基稳定方面看，2003年陡河水库管理单位委托中国水利水电科学研究院对坝基稳定进行了全面分析及评价，结论指出：坝基整体上是稳定安全的，局部排水沟在设计洪水位下会出现管涌现象，影响坝基稳定。于是，针对问题提出了加盖重反滤层1 m的处理措施。同时，为了确保坝基稳定，还制定了坝基抢险预案和多种抢险措施（包括当坝基一旦出现大的险情时炸副坝的非正常措施），因此水库不会因坝基失稳造成溃坝。