永定桥水库溃坝洪水计算及对下游影响分析

　　【摘 要】四川省地震多发区修建的水库，在地震等因素作用下，有可能会产生溃坝。结合四川山区实际，优选溃坝洪水计算与洪水演进模型，并以四川省汉源县流沙河永定桥水库为例，分析确定相关参数，分析指出水库溃坝形态以全溃为主，具有溃坝洪水量极大、洪水演进迅速的特点，采用 DAMBRK 溃坝模型及一维水动力学模型进行溃坝模拟和洪水演进分析。研究不仅可为永定桥水库制定大坝安全管理应急预案提供技术支撑，也为该地区水库溃坝洪水及其影响分析提供参考借鉴。
　　
　　【关键词】溃坝模型；洪水演进；影响分析。
　　
　　1 引言。
　　
　　溃坝洪水由于其突发性与破坏性极强，往往给下游造成毁灭性灾害，是危害极大的灾害现象。在四川省，处于地震带上的水库，存在一定的溃坝风险，溃坝洪水一旦发生，将对下游人民的生命财产安全造成严重威胁。为了预估溃坝洪水带来的影响，并提早采取相应的措施，将洪水灾害造成的影响减小到最小程度，有必要进行溃坝洪水计算。
　　
　　水库溃坝洪水及其演进分析是编制水库大坝安全管理应急预案的基础，是水库大坝发生突发性安全事故时避免或减少人员伤亡的重要非工程措施。论文以具有较强代表性的四川省汉源县流沙河永定桥水库为例，对川西山区水库溃坝洪水计算及洪水演进进行分析。
　　
　　2 水库概况。
　　
　　永定桥水库位于四川省雅安市汉源县，在大渡河一级支流流沙河上，集水面积 143km2.水库校核标准为 500 年一遇，相应洪峰流量 722m3/s.大坝为碾压混凝土重力坝，坝体剖面为三角形，坝顶长度 161m,坝顶高程为 1545.50m,防浪墙顶高程 1546.70m,水库总库容 1659×104m3,工程任务为供水，水库至大渡河口河道长度约 41km[1].
　　
　　3 溃坝洪水计算。
　　
　　3. 1 边界条件。
　　
　　溃口参数主要是指口门的形态和溃口形成的时间。溃口形成的影响因素很多，但对其形成的物理机制尚不清楚。据资料统计，溃坝原因由于洪水超过工程泄洪能力而导致溃坝的约占 35%,设计施工缺陷占 40%,渗漏、管涌、沉陷、滑坡等原因占 25%[2,3].
　　
　　3.1.1 溃坝因素。
　　
　　永定桥水库坝型为碾压混凝土重力坝，具有强度高、防渗性好、顶部可溢流等特点。考虑本工程区地理位置，溃坝因素主要为超标准地震、超标准洪水、上游及库岸发生滑坡形成的堰塞体溃决。
　　
　　3.1.2 溃坝时水位。
　　
　　漫顶溃坝水位一般取坝顶高程加最大漫顶高度，即：
　　
　　Z漫顶= Z坝顶+h漫顶（1）
　　
　　式中，Z漫顶为漫顶溃坝时的水库坝前水位，m;Z坝 顶为坝顶高程，m,本次取防浪墙顶高程1546.7m;h漫顶为漫顶高度，m.
　　
　　Singh 等[4]（1982）利用 20 个溃坝实例首次定量评估了漫顶高度，在 0.15~0.61m 之间。考虑本工程为碾压式混凝土重力坝，坝顶泄流能力较强，因此，本次分析漫顶高度取 1m,即采用1547.7m 作为水库溃决时的漫顶溃坝水位。
　　
　　3. 2 溃口洪水计算。
　　
　　永定桥水库溃坝洪水计算采用美国国家气象局 DAMBRK 溃坝洪水计算数学模型。模型以溃坝历时和溃口最终形状及尺寸为输入数据，假定溃口底部从一个点开始，其宽度以线性速率在整个历时内增长，一直到溃口最终宽度，同时溃口的底部高程也不断发展，直到最终位置。
　　
　　根据流体力学理论计算坝址泄水过程。该模型通过调洪演算法和水力学动力演算法，考虑水位的消落和入库流量过程的影响，用堰流公式结合 Newon-Raphon 迭代法计算溃坝泄流过程。漫坝的溃坝洪水由宽顶堰流公式计算，考虑行进流速及下游水位对堰流可能产生的淹没影响。
　　
　　根据永定桥水库大坝溃决参数，向 DAMBRK 模型输入溃口高程、宽度、边坡的几何形态及其随时间变化的过程。考虑到本次分析为瞬时全溃，最大溃口形成时间设定为 8min,并假定 8min 内呈线性扩大。同时，向模型输入水库库容曲线、入库流量等边界条件，计算步长取 1s.
　　
　　永定桥水库的各方案溃坝时坝址处洪峰流量极大（见图 1），且溃坝时水位越高，洪峰流量越大。在漫顶水位情况下溃决的洪峰流量为 26 000m3/s,在位于正常蓄水位时全部溃决的洪峰流量为 19 800 m3/s,在位于正常蓄水位情况下半溃的洪峰流量为 14 300m3/s.经分析，水库大约在 30min 时泄空，各方案溃口处洪水过程线如图 1 所示，最大洪峰流量见表 1.
　　
　　3. 3 溃坝洪水的传播。
　　
　　永定桥水库下游的流沙河河道断面形状窄深，基本为 U形河谷，从数学模型研究的意义考虑，该段河流的水流表现为比较典型的一维特征，模型计算采用一维水流模型。
　　
　　AMBRK 模型采用水力学方法或水文扩散法进行溃坝洪水向下游的的演进计算，基本方程为圣维南一维非恒定流方程式[5]:
　　 　　
　　式中：x 为顺水流方向的距离，m;t 为演进时间，min;A 为主河槽过水面积，m2;A0为滩地过水面积，m2;q 为沿河道单位距离的侧向入流或出流流量，m3/s;Sf为摩阻比降；Se为局部损失比降。该模型以有限差分代数方程表示偏微分方程，采用Presimann 四点偏心隐格式对方程进行求解，可得到任一时刻的水位 h 值和流量 Q.
　　
　　在用差分法求解非恒定流方程时，须求出初始时刻（t=0）各断面的水位 h 和流量 Q,本模型假定初始时刻为恒定非均匀流，各断面的初始流量由式（4）计算：
　　
　　Qi=Qi-1+qi-1（4）式中，Qi为 i 断面处的流量，m3/s;Qi-1为 i-1 断面处的流量，m3/s;qi-1为 i-1~i 断面间支流初始时刻入流量，m3/s,（i=2,3,…，N）。
　　
　　初始时刻的水位由式（5）计算：
　　 　　
　　式中，.9为过水面积，mr; B为过水断面顶宽，m;n为糙率；△、为断面间距，m;i为断面号；g为重力加速度，m/a=式（}5）用Newton-Raphson法求解：首先由曼宁公式求出下游末端水位，由于流量和河道几何断面形状已知，故可求得末端水位iii溃坝洪水在向下游的演进过程中，受沿程地形地物影响及河槽的作用，溃坝洪水过程线将发生变形。计算结果表明，各方案的洪峰流量自坝址向下游逐渐衰减，洪水过程逐渐坦化，衰减和坦化速度由快到慢（见图 2、图 3）。
　　
　　对于漫顶水位时全溃的方案 3,坝址最大溃坝流量为26000m3/s,经向下游传播，随着衰减速度逐渐放缓，溃坝洪水于河西乡金龙桥（距永定桥水库 41km 处）附近进入瀑布沟水电站库区，入库洪峰流量约 3510m3/s 左右，详见表 2.
　　
　　4 合理性分析。
　　
　　溃坝洪水经验公式---肖克利契公式在瞬时局部溃坝计算中运用较多。当大坝溃到河床底部时其公式如下：
　　 　　
　　式中，Qm为溃坝时坝址处最大流量，m3/s;h0为溃坝前的坝前水深，m,本此分析采用溃坝水位减溃口底高程，m;B 为坝址断面的平均宽度，m;b 为溃口宽度，取坝址断面平均宽度，m.
　　
　　按照前述条件对永定桥水库坝址溃坝洪峰流量进行计算，成果如表 4 所示，与 DAMBRK 模型成果相近。
　　
　　5 结论。
　　
　　1）永定桥水库正常运行期发生溃决时，坝前最大洪峰流量可达约 19800m3/s,随后向下游逐渐衰减，至河西乡金龙桥处进入瀑布沟水库库区，入库洪峰流量 2540m3/s.
　　
　　2）永定桥水库溃决后，12min 到达下游 10km 的宜东镇海亭村，30min 到达下游 20km 的富庄镇，80min 到达下游 30km的九襄镇，122min 进入下游 41km 的瀑布沟水库库区。
　　
　　3）由于目前对无法对地震进行有效预测，但可对其他类型的地质灾害有效地预警，因此，需建立充足的预警措施，加强对水库库区的巡查和观测工作，如发现潜在的地质灾害危险，应及时降低水库水位，通知淹没范围内群众迅速转移至安置场所，直至危险排除解决。溃坝发生后，水库洪水传播至瀑布沟库区仅为140min,应组织危险区内群众尽快撤离。
　　
　　【参考文献】
　　
　　【1】黄河勘测规划设计有限公司。永定桥水利工程初步设计[R]. 郑州：黄河勘测规划设计有限公司，2013.　　
　　【2】水利部水利管理司。 全国水库垮坝登记册（1981-1990）[Z].北京：水利部，1993.　　
　　【3】谢任之。 溃坝水力学[M].济南：山东科学技术出版社，1989.　　
　　【4】Singh, K. P., and Snorrason, A. 1982 “.Sensitivity of outflow peaksand flood stages to the selection of dam breach parameters andsimulation models.”State Water Survey （SWS） Contract Rep. No.288, Illinois Dept. of Energy and Natural Resources, SWS Division,Surface Water at the Univ. of Illinois.2-8.　　
　　【5】芮孝芳。 水文学原理[M].北京：中国水利水电出版社，2004.　　
　　【6】李炜，等。水力计算手册[K].北京：中国水利水电出版社，2006.