大坝围堰溃坝洪水演进预测分析

刘荷蕾

(黑龙江省庆达水利水电工程有限公司，哈尔滨 150000)

随着建坝数量的不断增多，各种涉及临时建筑物的安全问题也日益突出。施工期若发生超标准洪水，围堰溃决后风险巨大，故对围岩溃坝的洪水演进预测分析十分重要。文章结合历史监测资料，计算某水库上游围堰不同溃决工况下的最大下泄流量，选取典型断面得出洪水演进结果，并分析对下游河道覆盖区的影响后果。研究成果对该领域内相关研究具有一定的实际参考价值。

1 摘 要

水库溃坝一般分为瞬时溃决和逐渐溃决两种，前者通常为大坝自身材料或结构缺陷，后者是临时建筑物如围堰的垮塌破坏造成[1]。溃坝研究主要分析洪水对下游河道、村落、工业等造成的灾难和后果。文章采用对客观水文变化精准，全面反映洪水特征的水力学法。

2 围堰调洪计算原理

2.1 围堰瞬间全溃最大下泄流量[2]

1)里特尔公式：

(1)

式中：QM为最大溃坝流量；B为水面宽；g为重力加速度；H0为上游平均水深。

2)谢任之公式：

(2)

2.2 围堰逐渐溃决最大下泄流量

局部溃口宽度计算公式为[3]：

b=kW0.25B0.167H0.50

(3)

式中：b为溃口平均宽度；k为与坝体材料有关，其中黏土类、心墙土取1.19，均值黏土类取1.98；W为溃坝库容；B为坝顶长度或水面宽；H为坝前水深。

溃口宽度随时间推移呈线性关系，表达式如下：

(4)

式中：B为瞬时溃口宽度； B0初始溃口宽度，一般可取5-20m；t溃决历时；Tf为溃口发展时间。

溃口发展时间表达式：

Tf=0.00254KVr0.53Hb(-0.90)

(5)

3 工程实例

3.1 工程概况

某水利枢纽位于中国四川省境内，工程等别为Ⅰ等工程，主要建筑物由拦水坝、坝身泄洪底表孔、供水系统等组成，水库总库容为7.5亿m3，调节库容6.8亿m3。其中大坝按1级建筑物设计，次要建筑物为3级，临时建筑物为4级[4]。

施工期导流方式为河床隧洞导流，上游围堰采用土石挡水围堰，围堰高度约为46.8m，堰顶长度172m，上游边坡为1∶1.6，下游边坡1∶1.4[5]。导流标准为10a一遇洪水，相应洪峰流量为2730m3/s。坝体平面布置，见图1。

图1 坝体平面布置图

3.2 水文气象

根据气象站1970-2018年实测资料记载，水库所处地区多年平均气温11.6℃，极端最高气温36.3℃，最低气温-17.5℃；多年平均降水量1052mm，多年平均蒸发量1368mm，多年平均风速0.92m/s。上游围堰在大坝上游约130m，围堰上游河长94km，控制流域面积2036km2。

3.3 计算成果

3.3.1 瞬间全溃最大下泄流量计算

全溃型溃坝流量公式分别采用10a一遇和20a一遇洪峰标准进行计算[6]。上游围堰瞬间全溃洪峰流量计算成果表，见表1。

表1 上游围堰瞬间全溃洪峰流量计算成果表

从表1中可以看出，两种方法的参数取值不同，谢任之分析了溃坝瞬间的连续波，临界流和不连续波流态，里特尔公式假定坝下游无水、坝上下游河槽断面为矩形，后者试用范围较窄。计算成果相差不大，故最大溃坝流量选用谢任之公式。

3.3.2 逐渐溃决最大下泄流量计算

上游围堰溃口宽度计算成果表，见表2。

表2 上游围堰溃口宽度计算成果表

续表2 上游围堰溃口宽度计算成果表

从表2可以看出，两种方法的计算结果相差不大，但前者综合坝体土质结构、水面宽、溃坝库容和坝前水深参数，故溃口宽度采用铁科院公式。

3.3.3 围堰溃决最大下泄流量确定

上述对上游围堰瞬溃和逐溃两种形式溃坝流量计算方式均为经验公式，溃坝流量和溃口宽度计算在此基础上需结合模型试验的验证最终确定。故围堰溃决溃口处最大流量采用黄委会公，上游围堰最大溃坝流量计算成果表，见表3。

表3 上游围堰最大溃坝流量计算成果表

从表3可以看出，两种方法的计算结果相差不大，但肖克利契公式未考虑溃口宽度，故最大溃坝流量采用水道试验站公式。

3.4 洪水演进分析

溃坝洪水主要危害下游，应对溃坝后下游洪水淹没范围进行分析。文章考虑河道形状、河势及河道周边，选取典型断面10个围堰溃坝洪水过程线，见图2；节选典型断面sw5水位流量见图3；10a一遇见图4；20a一遇洪水过程见图5。

图2 围堰溃坝洪水过程线

图4 10a一遇溃坝洪水过程线

图5 20a1遇溃坝洪水过程线

根据溃坝洪水演进成果，10a一遇洪水和20a一遇洪水工况下，各断面洪水水位差异不大，对下游造成的影响基本是相同的， 20a一遇洪水工况下溃坝洪水将对河道下游43km，923.4hm2范围内产生一定影响。

4 结 论

文章基于某水利枢纽工程历史水文水资源监测资料，结合大坝围堰瞬时溃决和逐渐溃决两种工况，通过比对选取适宜参数计算河道最大下泄流量，选取典型断面分10a一遇、20a一遇计算溃坝后的洪水流量，最终得出围岩溃决后河道下游河道覆盖区的影响范围和后果。

表4 水库围堰溃坝洪水计算表