溃坝洪水在下游水库的演进及坝前爬高

2019-03-26王晓刚刘火箭王小东罗仕成

水利水电科技进展 2019年2期

谭箐，王晓刚，刘火箭，王小东，罗仕成

(1.南京水利科学研究院水工水力学研究所,江苏南京 210029; 2.河海大学水利水电学院,江苏南京 210098;3.长江水利委员会长江科学院,湖北武汉 430010; 4.南昌大学附属中学,江西南昌 330000)

我国已建成各类水库9万多座,水库总库容超过8 000亿m3,大坝数量及库容均居世界首位[1],还将在乌江干流[2]、牡丹江莲花以下河段[3]、金沙江下游[4]等流域继续开展梯级水库群建设。水库大坝在促进社会和经济发展方面起到巨大作用的同时也存在着溃决的风险,严重威胁水库大坝下游人身和财产安全。例如,1959年法国Malpassset拱坝、1963年意大利Vajont拱坝、1975年中国板桥以及上游元门水库大坝、1976年美国Teton坝等大坝的失事均给下游造成了灾难性的后果[5]。

鉴于溃坝带来的严重后果,国内外学者在溃坝洪水模型试验方面进行了大量细致的研究,研究内容主要包括溃坝波水力特性、溃坝坝址峰值流量、坝址水位流量过程以及洪水演进规律等[5]。相关研究大多针对单一水库溃坝洪水问题,对于梯级水库溃坝研究偏少。梯级水库溃坝洪水的演进机制影响因素复杂,不仅仅受单座溃决过程的影响,还受梯级内相邻水库的制约。2010年以来国内外学者开展了梯级水库物理模型试验研究,试验结果揭示了梯级库群连锁溃坝的洪水递增效应[6-15]。岳志远[6]分析了不同来流量、溃口宽度对自然坝体连溃的影响,揭示了自然坝体溃决机制与洪水演进规律。Yang等[7-8]分析了上下游水深和坝间距离对瞬时连锁溃坝的影响,认为坝间距离的影响甚微,可忽略不计。Niu等[9]分析了不同来流量对梯级堰塞坝溃坝的影响,表明当流量大时,下游坝的变形形态与上游坝的变形规律相似,坝体在破坏过程中具有超覆冲刷的特征。当流入流量小的时候,上游的大坝主要通过纵向切口形成的泄水槽进行冲刷,下游坝的特征是覆盖的冲刷。陈树群等[10-11]分析了下游水库体积、形状对连溃的影响,认为水库蓄水阶段,水位上升速率受下游水库体积、形状影响;坝体溃坝阶段,水位下降速率受溃口发展的影响。Selahattin等[12]针对两个不同的尾水水平,通过溃坝洪水对下游端壁反流的反应,对上游方向的负波的形成和传播进行了详细研究,结果表明,溃坝波在下游的端壁引起了波浪反射,出现了往上游方向移动的负波并引起自由曲面的波动,且反射波的反射速度随尾水高度的增加而增快,波动程度随上下游水深比的减小而加剧。Khankandi等[13]研究了上游水库形状对溃坝洪水流量过程及溃坝洪水演进的影响。Oertel等[14]研究了不同的上游坝前水深条件下,初始溃决阶段溃坝波的洪水演进规律。戎贵文等[15]为研究局部断面收缩对溃坝水流传播的影响,建立了模拟三维局部断面收缩情况下溃坝洪水演进过程的数学模型,利用该模型研究了溃坝洪水负波的形成和传播过程,得到了负波形成和传播的规律以及溃坝水流的水位变化特征。

图1 试验模型布置俯视图(单位:m)

图2 试验模型布置侧视图(单位:m)

然而现有的连续溃决的试验研究较少,已经开展的相关研究基本只考虑一个或少量因素对连溃洪水叠加的影响,对一些因素的影响缺乏系统地分析。不仅如此,现有的梯级水库溃坝洪水试验都是建立在上游溃坝后下游也连续溃决的前提假设上,对下游水库溃坝前的情况缺乏深入研究。研究上游水库溃坝洪水在下游水库中的演进机制及其对下游坝体影响,对于有效避免下游水库的连续溃决,制定大坝安全应对措施等均具有重要意义。综合前人研究成果,本文选择上游坝前水深H1、坝体溃决时间T1、上游水库面积S1、下游坝前水深H2及下游水库面积S2作为主要控制变量,通过模型试验研究上游溃坝洪水在下游水库的演进规律及对下游坝体的影响。

1 模型试验设计

1.1 试验装置

模型水槽由上游水库,电控闸门(上游坝体)、下游水库、下游坝体、河道及回水池等部分组成,离地面的最小高度为0.7 m。考虑壁面缩尺效应及试验空间的限制,设计的上游水库长度2 m、高0.8 m,上游水库面积可在0.4 m2到1.6 m2之间变化。上下游水库间的河道水平长度为7 m,矩形水槽水平方向长14 m、高0.8 m、宽0.4 m,河道坡降1∶12.5。下游水库宽度为0.8 m,面积在0.8 m2到1.6 m2之间变化。下游河道长度为5 m。试验模型布置见图1和图2。为了便于观测洪水波在下游水库演进过程,水槽、上下游坝体均采用厚度为2 cm的有机玻璃板制作,下游回水池采用PVC板制作。其中上游闸门采用向上提升的方式溃决,提升的高度为24 cm。

试验主要模拟溃坝洪水在下游水库的演进过程,因此无需设置循环供水系统,采用水泵向水库供水。国内外大量溃坝案例表明,占大坝数量比例最大的土石坝以逐渐溃坝为主,因此本文采用无极调速电机控制上游坝体溃决时间,试验过程中闸门的提升高度为24 cm,控制闸门的开启速度分别为0.5 cm/s、1.0 cm/s、1.5 cm/s、2.0 cm/s、2.5 cm/s,坝体溃决时间T1分别为48.0 s、24.0 s、16.0 s、12.0 s、9.6 s。

1.2 测量仪器

测量仪器主要采用中国水利水电科学研究院生产的电阻式波高仪,量程为0～0.8 m,精度为1 mm,试验前需对其进行率定。采用DJ800数据采集系统采集数据,采集频率为100 Hz,采集时间为90 s。

1.3 测点布置

下游水库水深变化过程采用波高仪测量,共设置5个测点,其中测点bg1距下游坝体15 cm,测量的数据可近似作为下游坝前波浪爬高值。测点bg2、bg3、bg4、bg5沿水库中轴线布置,测点之间的距离为0.4 m,具体测点布置见图3。

图3 下游水库水深变化测点布置图(单位:m)

1.4 试验步骤

试验步骤如下:①采用水泵给上下游水库灌水,达到要求的水深后停止,准备好数据采集系统,设置采样频率,并进行调零,调整好同步电机的速度;②数据采集系统提前开始采集,10 s后开启电机,上游坝体开始溃决,溃坝洪水向下游水库演进;③上游水库泄空,下游水库水面波动逐渐平稳,90 s后采集系统停止采集,试验结束;④改变上游坝前水深,下游坝前水深、同步电机的速度等参数,重复上述试验步骤。

1.5 试验工况

为研究H1、H2及T1的影响,保持S1=S2=0.8 m2,河道宽度b=0.4 m,设定上游坝前水深H1=0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m,下游坝前水深H2=0、0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m,上游坝体溃决时间T1=48.0 s、24.0 s、16.0 s、12.0 s、9.6 s(相应的闸门提升速度为0.5 cm/s、1.0 cm/s、1.5 cm/s、2.0 cm/s、2.5 cm/s),共开展84组试验,试验工况见表1。

研究S1和S2的影响时,保持上游坝体溃决时间T1=12.0 s不变,考虑H1=0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m,H2=0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m,S1=0.8 m2、1.2 m2、1.6 m2,S2=0.8 m2、1.2 m2、1.6 m2。试验的组次为4×4×3×2=96组。

表1 试验工况

2 试验结果与讨论

2.1 下游水库及坝前水深增幅时变规律

溃坝洪水向下游水库演进过程依次可分为洪水波、洪水涌浪、反射叠加、振动衰减4个阶段。下游水库水深增幅随T1变化规律见图4(其中H1/b=0.50、H2/b=1.0、S1/b2=5.0、S2/b2=5.0、b=0.4 m,并定义m=T1(g/b)0.5,其中g为重力加速度)。由图4可见,溃坝洪水波到达下游坝前的时间随着m的减小而缩短,主要是因为m越小,溃坝洪水初期下泄流量越大,演进到下游水库尾水的能量越大,推动下游水库水体形成的涌浪越高,涌浪在水库传播的波速越快。

测点bg1位于坝前,由图4(a)(b)可见,m与初始波浪爬高呈负相关,主要是因为m越小,溃坝洪水初始下泄流量越大,形成的初始涌浪波幅越大,与下游大坝碰撞后沿坝面爬升高度越大。m=237.7时,初始波浪爬高值稍小于最终库水位增加值,坝前水深在初始波浪爬高后无明显变化,波浪爬高以正弦波的形式随时间衰减,随着上游溃坝来流量的增加,坝前再次出现涌浪爬高峰值。m=79.2、47.5时,初始波浪爬高值大于最终库水位增加值;坝前水深在初始波浪爬高后有明显的回落过程,且回落差随着m的减小而增大,与此同时波浪爬高以正弦波的方式随时间衰减,主要是受波浪爬高的反射波与溃坝洪水波浪的叠加作用所致。

图4 不同坝体溃决时间水库测点水深变化过程

bg2距离下游坝面0.4 m,由图4(c)(d)可见,m与初始波浪爬高呈负相关,测点水深在初始波浪来不及回落就在反射波与洪水波浪的叠加作用下再次出现波浪峰值,随后测点的水深随t与m的变化规律与bg1基本一致。

bg3、bg4、bg5的水深在初始波浪后,水面波动剧烈,同时水深随时间逐渐增大(图4(e)(f))。受溃坝洪水波浪与反射波叠加的影响,在初始波峰后再次出现波浪峰值,随后测点水深随t与m变化的规律与bg1基本一致。

图5 不同坝体溃决时间各测点最大波高

2.2 下游水库初始波高沿程变化规律

下游水库初始波高沿程的变化见图5(图中横坐标L/b为水库测点到下游大坝的相对距离,L/b=0表示坝址,该处波浪高度即为坝前波浪爬高;纵坐标a/b为初始波高相对值,其中a为初始波高;相关参数H1/b=0.25、H2/b=1.0、S1/b2=5.0、S2/b2=5.0)。由bg3～bg5的初始波浪波高值可以看出波浪在向下游坝址运动过程中基本无衰减,主要是因为试验中测点之间的距离较短,传播过程能量衰减较少,且溃坝洪水持续冲击下游水库水体,能量不断的随着涌浪向前传播,抑制了波浪的衰减。bg2的波浪高度略大于bg3,主要是因为该点离下游坝体较近,受下游坝体反射波的影响较大。下游坝前初始波浪爬高约是下游水库内初始波浪波高的2倍,这与波浪爬高相关理论基本吻合,初始涌浪波高及爬高均随m的增加而减小。

2.3 下游坝前初始波浪爬高值经验公式

在分析下游坝前波浪爬高时,需重点关注初始时刻的爬高值。试验数据表明初始波浪爬高值随T1、H2、S2的增大而减小,随H1的增大而增大,与上游水库面积S1关系不大。从能量的角度解释,H1越大,上游溃坝初始下泄流量越大,推动下游水库水体形成的波浪越高,洪水波浪在下游坝前的爬高越大;T1越大,溃坝洪水初始下泄流量越小,推动下游水库水体形成的波浪越小,洪水波浪在下游坝前的爬高越小;H2越大,溃坝洪水垂向演进距离越短,到达下游尾水的能量越小,推动下游水库水体形成的波浪越小,与此同时下游水深增加,导致波浪向坝址运动过程衰减越厉害,洪水波浪在下游坝前的爬高越小;S2越大,波浪在向下游坝前运动过程中沿着水库两侧衰减越厉害,因此到达下游坝前的爬高越小;上游水库面积S1的改变,溃坝洪水初期下泄流量基本不变,因此形成的洪水波浪及波浪爬高差异不大。

下面拟基于量纲分析,获得初始波浪爬高与上述各变量的定量关系。

2.3.1 上游水库溃坝边界条件与初始坝前波浪爬高的关系

上述分析发现,上游水库溃坝初始下泄流量是影响初始波浪爬高的重要因素,而初始下泄流量主要与上游坝体溃决时间T1、上游坝前水深H1等溃坝边界条件有关,首先建立初始波浪爬高R′与坝体溃决时间T1、上游坝前水深H1、重力加速度g之间的关系:

(1)

式中:D1为模型上游闸门提升高度,D1=0.24 m。

当H2/b=1.0、S2/b=5.0时,拟合R′/D1与H1/(T12g)之间的关系得:

(2)

2.3.2 下游坝前水深与初始坝前波浪爬高的关系

将H2/b=1.0时的初始波浪爬高作为不变值(H2=0.4 m),S1/b2=5.0、S2/b2=5.0、b=0.4 m条件下,H2/0.4分别为0.25、0.50、0.75和1.00时的波浪爬高R与R′的比值分别为1.39、1.26、1.16和1.00,据此拟合得到H2/0.4 与R/R′之间的关系式为

(3)

2.3.3 下游水库面积与初始坝前波浪爬高的关系

下游水库面积越大,溃坝洪水波扩散衰减越明显,将S2/b2=5.0作为不变值(S2=0.8 m2),S2/0.8分别为1.0、1.5、2.0时,R/R′分别为1.00、0.79、0.67,据此拟合得到S2/b2与R/R′之间的关系为

(4)

2.3.4 下游坝前初始波浪爬高值经验公式

将式(2)代入式(3)后再代入式(4),最终得到初始涌浪爬高经验公式为

(5)

140多组试验中经验公式计算值与试验值的对比见图6,可以看出二者吻合较好,说明推导的经验公式具有一定的合理性。由经验公式可以看出,各因素的影响程度从大到小的次序为：T1、S2、H1、H2。需要说明的是当H2=0或者较小时,坝前波浪一般是以破碎波的形式存在,涌浪爬高数据具有一定的离散性,因此这里不做分析,公式不含相关试验数据。