陡河水庫潰壩洪水淹沒計(jì)算分析

周金波

（唐山市陡河水庫管理處，河北 唐山　063021）

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陡河水庫潰壩洪水淹沒計(jì)算分析

周金波

（唐山市陡河水庫管理處，河北 唐山063021）

摘 要：通過進(jìn)行潰壩洪水計(jì)算，可預(yù)測(cè)其淹沒范圍和程度，以便采取措施，減少損失，為下游的防洪減災(zāi)提供數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：水庫；潰壩洪水；計(jì)算

1　引言

陡河水庫位于地震強(qiáng)震區(qū)，由地震造成大壩的潰決是非?？赡艿?。為了預(yù)估潰壩洪水帶來的影響，提早采取相應(yīng)措施，將洪水災(zāi)害造成的影響減少到最小程度，有必要對(duì)陡河水庫進(jìn)行潰壩洪水計(jì)算。

陡河水庫距唐山市區(qū)15 km，是大（2）型土石壩水庫，最高洪水位43.4 m，總庫容5.152億m3。水庫以下河道穿過唐山市開平區(qū)、路北區(qū)和路南區(qū)。其中，開平區(qū)段為天然河道，流量一般在150～300 m3/s；路北區(qū)和路南區(qū)為市區(qū)段，設(shè)計(jì)流量為600 m3/s，實(shí)際流量接近800 m3/s。水庫任何洪水位的潰壩，都將造成水庫下游被淹沒，因此本次潰壩洪水淹沒計(jì)算對(duì)于唐山市的防洪減災(zāi)具有重大意義。

本次計(jì)算選取6種不同頻率洪水即校核洪水位（43.4 m）、設(shè)計(jì)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個(gè)河道斷面即陡河斷面、六十中斷面、六號(hào)小區(qū)斷面、河北橋斷面、建華橋斷面、鋼廠橋斷面、新華閘斷面、勝利橋斷面最不利的瞬時(shí)局部一潰到底的潰壩形式并以河道兩岸高出地面墻體遇洪水即潰的計(jì)算方式及潰壩洪水扣去河道內(nèi)流量然后在灘地漫流的計(jì)算方法，進(jìn)行了從可能最大保壩洪水到正常蓄水位潰壩的下游淹沒水面線推算。

2　潰壩洪水計(jì)算

2.1計(jì)算思路

潰壩是一種非常嚴(yán)重的災(zāi)害性事件，如何將潰

河北省是地震發(fā)生的頻繁地區(qū)，唐山市又是重中之重。1976年唐山發(fā)生7.8級(jí)強(qiáng)烈地震，陡河水庫大壩在地震中遭到嚴(yán)重破壞。其中，在上下游（高程32.0～35.0 m）均出現(xiàn)2條縱向大的裂縫，并形成壩頂95條橫向裂縫。由于當(dāng)時(shí)庫水位僅31.6 m，未造成大壩潰壩。如果當(dāng)時(shí)庫水位較高，庫水會(huì)在強(qiáng)烈地震力的作用下，造成潰壩事件。因此，這次潰壩洪水計(jì)算僅按水庫遭受8級(jí)以上地震且?guī)焖惠^高時(shí)所造成的潰壩進(jìn)行計(jì)算。

潰壩洪水是根據(jù)水庫6種頻率洪水推算的，潰壩時(shí)僅考慮了河道洪水的匯流而未考慮水庫的泄洪流量。實(shí)際上，當(dāng)水庫達(dá)到每一種洪水時(shí)便通過輸水洞或溢洪道進(jìn)行泄洪，但泄洪最大流量1 340 m3/s僅占潰壩洪水的3%，而且缺乏泄洪流量在河道上的演進(jìn)資料，實(shí)際計(jì)算很困難，因此本次潰壩計(jì)算未考慮水庫泄洪流量。

2.2水力參數(shù)選取

（1）水力半徑計(jì)算。水力半徑是曼寧公式（計(jì)算河道流量）中最重要的水力要素。過水?dāng)嗝婷娣e與濕周之比即為水力半徑，濕周即過水?dāng)嗝嬷兴c河床接觸的周長(zhǎng)。水力半徑是本次潰壩計(jì)算中重要的要素之一。由于本次是潰壩流量計(jì)算，需要洪水在河道兩岸灘地上漫流，而灘地屬于寬淺式斷面，為了計(jì)算方便，濕周采用斷面的最大寬度進(jìn)行計(jì)算。以矩形斷面為例，當(dāng)斷面寬度比深度大200倍時(shí)，其誤差僅為1%；當(dāng)斷面寬度比深度大500倍時(shí)，其誤差僅為0.2%。本次灘地?cái)嗝鎸挾扰c深度之比均在500之上，其精度是能滿足的。

（2）糙率選取。糙率是影響潰壩洪水在灘地漫流的重要參數(shù)，糙率系數(shù)對(duì)潰壩流量的影響遠(yuǎn)比水力半徑影響大。河道表面材料愈光滑，粗糙系數(shù)愈小，相應(yīng)的水流阻力也小，在其他條件不變的情況下通過的流量就愈大。對(duì)灘地而言，灘地光滑無任何房屋、莊稼，潰壩洪水就會(huì)迅速漫流，淹沒水深相應(yīng)減少；反之，潰壩洪水就會(huì)低速漫流，淹沒水深相應(yīng)增大，災(zāi)害損失就越大。因此，根據(jù)河道及兩岸灘地的實(shí)際情況選取了糙率。如，河道斷面為漿砌石，很光滑，無雜草，根據(jù)水力學(xué)書上的實(shí)際糙率系數(shù)比照表選擇0.025；六十中、小屈莊附近為天然河道，兩岸坡長(zhǎng)滿雜草，河槽不規(guī)整，經(jīng)分析兩斷面的糙率系數(shù)為0.04；市區(qū)段河北橋至勝利橋?yàn)槿斯で?，槽底及邊坡均為漿砌混凝土，但河槽底不均勻，有淤積現(xiàn)象，因此這段糙率定為0.029。灘地水庫至河北橋（不包括河北橋斷面），左岸為居住區(qū)，右岸為高稈作物區(qū)，地面坑洼不平，其糙率選為0.075；市區(qū)段河北橋（含河北橋）至勝利橋，左右岸灘地均有建筑物或有居民區(qū)或有廠礦，其糙率選為0.05。選取結(jié)果，見表1。

表1 糙率選取結(jié)果

（3）動(dòng)能修正系數(shù)選取。動(dòng)能修正系數(shù)α是非均勻流恒定總流能量方程計(jì)算中重要的參數(shù)之一，其值大小取決于過水?dāng)嗝嫔狭魉俜植记闆r。流速分布越均勻，動(dòng)能修正系數(shù)越接近1；不均勻分布時(shí)，動(dòng)能修正系數(shù)大于1；在漸變流時(shí)，動(dòng)能修正系數(shù)一般在1.05～1.1。流速的變化取決于斷面的變化，當(dāng)斷面突然擴(kuò)大或縮小即流速不均勻時(shí)，動(dòng)能修正系數(shù)應(yīng)選取最大值和最小值；當(dāng)斷面逐漸擴(kuò)大或縮小即流速為漸變流時(shí)，應(yīng)在1.05～1.1進(jìn)行選定。選取結(jié)果，見表2。

表2　動(dòng)能修正系數(shù)選取結(jié)果

（4）局部水頭損失系數(shù)選取。局部水頭損失系數(shù)是非均勻流恒定總流能量方程計(jì)算中另一個(gè)重要的參數(shù)，它表示流量在計(jì)算流段內(nèi)隨斷面的變化產(chǎn)生的局部水頭損失。對(duì)于逐漸收縮的河段，局部損失很小，可以忽略不計(jì)。對(duì)于擴(kuò)散的河段，局部損失系數(shù)可取-0.3～-1.0，一般視擴(kuò)散的急劇程度不同來選擇：擴(kuò)散程度較小者可取-0.3，突然擴(kuò)散者可取-1。在實(shí)際選取中，視2個(gè)斷面變化的程度來決定局部水頭損失系數(shù)的大小。選取結(jié)果，見表3。

表3　局部水頭損失系數(shù)選取結(jié)果

（5）河道及灘地坡比計(jì)算。河道的坡比是選取2個(gè)斷面間的實(shí)際距離和2個(gè)斷面河道的底高程經(jīng)過坡比計(jì)算得來的。灘地的坡比，由于河道兩岸灘地地面高程均不一樣無法計(jì)算，最后以河道的坡比代替計(jì)算結(jié)果，見表4。

表4 坡降計(jì)算結(jié)果

2.3潰壩洪水計(jì)算內(nèi)容

（1）頻率洪水選擇。陡河水庫選取校核洪水位（43.4 m）、設(shè)計(jì)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種頻率洪水進(jìn)行洪水的潰壩計(jì)算。

（2）計(jì)算斷面選擇。陡河水庫至勝利橋段長(zhǎng)21 km，考慮到斷面的均勻性及計(jì)算的流量，在水庫至河北橋11 km間選擇了4個(gè)計(jì)算斷面，在河北橋至勝利橋10 km間也選擇了4個(gè)計(jì)算斷面。建華橋至新華閘間設(shè)1個(gè)計(jì)算斷面，原想在中間設(shè)1個(gè)，但在斷面尺寸方面很難在地形圖上截取，最后將鋼廠橋設(shè)在距建華橋較近的地方。計(jì)算斷面共計(jì)8個(gè)，包括陡河斷面、六十中斷面、六號(hào)小區(qū)斷面、河北橋斷面、建華橋斷面、鋼廠橋斷面、新華閘斷面、勝利橋斷面。

2.4潰壩形式確定

壩的潰決形式，究竟是全潰還是局部潰，是瞬時(shí)潰還是逐漸潰，決口形式和大小究竟怎樣預(yù)估？這些問題在做潰壩洪水計(jì)算前，必須慎重確定。潰壩形式主要決定于土壩本身是否存在缺陷及是否發(fā)生自然災(zāi)害。根據(jù)陡河水庫的實(shí)際情況，經(jīng)考慮土壩按照遭受8級(jí)以上地震破壞的情景進(jìn)行潰壩。根據(jù)土壩特點(diǎn)，潰壩是在強(qiáng)大水壓力作用下通過裂縫由最初的小滲漏逐步變成大的滲漏最終形成潰決的形式形成的，應(yīng)屬逐漸潰壩。但是，由于潰壩水流沖擊能力極強(qiáng)，從決口開始到基本形成最終穩(wěn)定斷面時(shí)為止，為時(shí)甚短。因此，在實(shí)際計(jì)算中，考慮到計(jì)算的方便及最不利的情況，最終潰壩形式選擇最不利情況下的瞬時(shí)橫向局部一潰到底的潰壩形式。

2.5潰壩寬度計(jì)算

土壩潰壩決口寬度b值，根據(jù)黃河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究所實(shí)際資料分析求得的計(jì)算公式確定。其計(jì)算公式為：

式中：b為潰壩決口平均寬度（m）；W為潰壩時(shí)蓄水量（萬m3）；B為潰壩時(shí)沿壩前水面寬度或壩頂長(zhǎng)度（m）；H為潰壩時(shí)水頭或壩前水深（m）；k為與壩體有關(guān)的系數(shù)。

陡河水庫大壩為均質(zhì)黏土，含有少量沙土，k值應(yīng)選比黏土0.65稍大的0.7；W選取與潰壩洪水相對(duì)應(yīng)的蓄水量；水庫大壩總長(zhǎng)7 364 m，主壩長(zhǎng)1 700 m，由于大壩太長(zhǎng)，主壩的長(zhǎng)度作為B值較為合適；潰壩的位置在最大壩高處，河床段及部分一級(jí)階地作為潰壩的位置較為合適，在此范圍內(nèi)，土壩施工時(shí)壩前作了鋪蓋，壩頂高程達(dá)到26 m，與一級(jí)階地壩前高程一致，因此H以26 m底高程為基礎(chǔ)。

2.6壩址處最大潰壩流量估算

本次壩址處最大潰壩流量的估算采用瞬時(shí)橫向局部潰壩到底的潰壩形式，計(jì)算方法采用水力學(xué)中圣維南經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：QM為壩址處的潰壩最大流量（m3/s）；B為潰壩時(shí)沿壩前水面寬度或壩頂長(zhǎng)度（m）；b為潰壩決口平均寬度（m）；H0為相對(duì)應(yīng)洪水標(biāo)準(zhǔn)下潰壩時(shí)水頭或壩前水深（m）；g為重力加速度（m/s2）。主壩長(zhǎng)度作為B值，H0的計(jì)算結(jié)果見表5。根據(jù)式（2），可以計(jì)算6種不同頻率洪水潰壩時(shí)在壩址處出現(xiàn)的最大流量，計(jì)算結(jié)果見表6。

表5　不同頻率洪水潰壩時(shí)壩前水深m

表6　不同頻率洪水潰壩時(shí)壩址最大流量m3/s

2.7潰壩下游最大流量計(jì)算

當(dāng)潰壩洪水向下游演進(jìn)時(shí)，河道會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最大流量，而最大流量的計(jì)算則采用水力學(xué)中潰壩下游流量的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：QLM為潰壩時(shí)距壩址L處出現(xiàn)的最大流量（m3/s）；W為潰壩時(shí)的庫容（萬m3）；QM為潰壩時(shí)壩址處最大流量（m3/s）；L為距壩址處的距離（m）；v為河道洪水期斷面最大流速（m/s）（最大流量下的最大流速）；K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。水庫下游唐山市區(qū)接近平原，因此選取K為3.13。

根據(jù)上述已知條件，計(jì)算潰壩洪水演進(jìn)時(shí)下游斷面出現(xiàn)的最大流量，計(jì)算結(jié)果見表7。

3　河道洪水計(jì)算

當(dāng)水庫出現(xiàn)某頻率洪水時(shí)，水庫下游河道也會(huì)出現(xiàn)洪水匯流，但洪水的大小與水庫洪水的大小并不一定相同。為了計(jì)算簡(jiǎn)便，選擇最不利情況下，當(dāng)水庫出現(xiàn)某頻率洪水時(shí)下游河道也同時(shí)出現(xiàn)與水庫相同頻率的洪水。

表7　潰壩洪水演進(jìn)時(shí)下游斷面最大流量計(jì)算結(jié)果 m3/s

由于河道僅建華橋有不同頻率洪水流量，其他斷面只能通過繪制匯流面積求得相應(yīng)的匯流流量，計(jì)算較為麻煩。河道的最大匯流流量與潰壩流量相比太小，影響不會(huì)大，采用簡(jiǎn)單方法計(jì)算也能滿足要求，因此河道的洪峰流量采用單位線方法計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表8。潰壩洪水與河道匯流洪水算術(shù)相加為本次總的潰壩洪水。

表8　河道區(qū)間最大流量計(jì)算結(jié)果　m3/s

3.1河道及灘地?cái)嗝胬L制

水庫下游陡河河道自1995年清理過后，已經(jīng)近10年未進(jìn)行清理，河道斷面發(fā)生了很大變化。由于唐秦水文水資源勘測(cè)局剛剛做完各頻率洪水在陡河上的淹沒計(jì)算，河道縱段及橫斷數(shù)據(jù)都是實(shí)際測(cè)量所得，因此河道斷面尺寸采用唐秦水文水資源勘測(cè)局的測(cè)量結(jié)果。灘地?cái)嗝?，在所測(cè)斷面尺寸基礎(chǔ)上采用1∶5萬與1∶1萬的地形圖相結(jié)合的方法截取了斷面尺寸。

3.2根據(jù)已知斷面推算流量

在灘地流量推算過程中，首先要有個(gè)已知斷面，水位與流量的關(guān)系曲線是已知條件之一。建華橋是市區(qū)河道唯一的水文站斷面，具有水文數(shù)據(jù)的觀測(cè)及分析值，因此將建華橋定為本次計(jì)算的已知斷面。本斷面灘地的水位—流量關(guān)系曲線采用曼寧公式計(jì)算流量的方法計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表9。

表9　建華橋?yàn)┑厮涣髁筷P(guān)系曲線推算結(jié)果

3.3河道水面線推算

本次潰壩洪水淹沒推算采用天然河道水面線即明渠恒定非均勻漸變流的水位沿程變化方程式：

式中：Z1，Z2為上下游斷面的勢(shì)能，以水位代替（m）；α為沿程損失系數(shù)；ζ為局部損失系數(shù)；Q為已知斷面的流量（m3/s）；A1，A2為上下游斷面面積（m2）；L為上下游斷面間的距離（m）；K1，K2為上下游斷面的水力模數(shù)，；n為灘地糙率，無量綱數(shù)；R為斷面的水力半徑（m）；g為重力加速度（m/s2）。

如果以E1代表等式左邊，以E2代表右邊，E1= E2。也就是說，等式左邊和等式右邊計(jì)算的值為計(jì)算斷面中間斷面的水位亦是相等的。

計(jì)算時(shí)，首先以已知斷面為基礎(chǔ)，算出E1的值；然后，假設(shè)未知斷面的水深，通過水深與面積、水力半徑的關(guān)系曲線，查出面積、水力半徑，計(jì)算水力模數(shù)，最后算出總的勢(shì)能E2（即總的水位值）。如果E1=E2，說明假設(shè)的水位即為所求水位；如果不相等，說明還需要假設(shè)新的水位，再進(jìn)行計(jì)算、比較，直到兩邊相等，這種計(jì)算方法為分段求和試算法。試算結(jié)果，見表10。

3.4河道淹沒計(jì)算

洪水從陡河水庫潰壩泄出后量大流急，本次分析了陡河水庫至勝利橋的洪水淹沒水面線。根據(jù)水面線分析計(jì)算，在陡河水庫正常蓄水位34.0 m情況下潰壩，至勝利橋淹沒面積為49.51 km2；當(dāng)洪水為20年一遇標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，從陡河水庫潰壩至勝利橋產(chǎn)生的淹沒面積為59.72 km2；當(dāng)洪水為100年一遇標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，從陡河水庫潰壩至勝利橋產(chǎn)生的淹沒面積為69.35 km2；當(dāng)洪水為500年一遇標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，從陡河水庫潰壩至勝利橋產(chǎn)生的淹沒面積為76.06 km2；當(dāng)洪水為1 000年一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，從陡河水庫潰壩至勝利橋產(chǎn)生的淹沒面積為77.99 km2；當(dāng)洪水為可能最大校核洪水時(shí)，從陡河水庫潰壩至勝利橋產(chǎn)生的淹沒面積為91.41 km2。

表10 河道不同斷面水面線推算值m

3.5河道淹沒情況

根據(jù)淹沒范圍和有關(guān)地圖，可以查出淹沒的主要廠礦、學(xué)校、生活小區(qū)、村莊、公路等。其中，淹沒的廠礦包括陡河發(fā)電廠、馬家溝耐火材料廠、馬家溝煤礦、開平廣廈集團(tuán)建安公司、屈莊煤礦、唐山市第七軋鋼廠、中盈建筑陶瓷有限公司、骨質(zhì)瓷廠、華美陶瓷有限公司、缸窯熱電廠、北郊水廠、唐山長(zhǎng)源陶瓷有限公司、西缸窯煤礦、唐鋼醫(yī)院、唐山焦化有限公司、冶金礦山機(jī)械廠、唐山石油第三公司、唐山發(fā)電廠，淹沒的學(xué)校包括馬家溝礦小學(xué)、唐山市六十中學(xué)、開灤十二中學(xué)、屈莊小學(xué)、東窯小學(xué)、唐鋼第四小學(xué)、缸窯一小、唐山市三十六中學(xué)、西缸窯第二小學(xué)、啟新中學(xué)、啟新小學(xué)、唐山市第十一職業(yè)中專、唐山市二十九中學(xué)、馬各莊小學(xué)、馬家溝第二小學(xué)，淹沒的生活小區(qū)包括馬礦新工村、六號(hào)小區(qū)、榮華里、缸北里、三益村、七十四號(hào)小區(qū)、高各莊、河北小區(qū)、河茵北里、河茵南里、河北里、河南里、河茵里、龍華里、龍東、龍北、富華南里、國(guó)泰花園公寓，淹沒的村莊包括栗園、劉莊、大六甲（部分）、小六甲（部分）、大佛頭（部分）、荊各莊（部分）、茅草營(yíng)、東新莊（部分）、劉官營(yíng)、大戴莊，淹沒的公路包括唐榛路、京沈高速（冶里段）、缸窯路、沿河路、長(zhǎng)寧道、裕華道、龍澤路、建設(shè)路、新華東道、建華東道、解放路。

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中圖分類號(hào)：TV62+2；TV139.2+3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-7328（2016）03-0046-05

DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2016.03.016

收稿日期：2015—12—19

作者簡(jiǎn)介：周金波（1977—），女，工程師，主要從事水利工程管理工作。壩與水庫的實(shí)際狀況結(jié)合起來是很關(guān)鍵的。根據(jù)土石壩的特點(diǎn)，潰壩形式主要有由洪水漫壩造成的潰壩、壩體存在缺陷由滲透造成的潰壩、壩基出現(xiàn)管涌或流土造成的潰壩。對(duì)陡河水庫而言，第一，從大壩修筑質(zhì)量上看，經(jīng)過4次加固，大壩土體干容重基本達(dá)到1.8 kg/m3以上，在2005年壩體鉆孔中發(fā)現(xiàn)壩體內(nèi)部土體非常密實(shí)，庫水根本未浸潤(rùn)到壩體內(nèi)部，因此可以判定由壩體滲透造成的潰壩是不可能發(fā)生的。第二，從漫壩方面看，1995年陡河水庫進(jìn)行了漫壩風(fēng)險(xiǎn)分析計(jì)算，在起調(diào)水位34.0 m（設(shè)計(jì)起調(diào)水位32.0 m）時(shí)陡河大壩不存在漫壩，因此可以判定陡河大壩也不會(huì)因漫壩造成潰壩事件。第三，從壩基穩(wěn)定方面看，2003年陡河水庫管理單位委托中國(guó)水利水電科學(xué)研究院對(duì)壩基穩(wěn)定進(jìn)行了全面分析及評(píng)價(jià)，結(jié)論指出：壩基整體上是穩(wěn)定安全的，局部排水溝在設(shè)計(jì)洪水位下會(huì)出現(xiàn)管涌現(xiàn)象，影響壩基穩(wěn)定。于是，針對(duì)問題提出了加蓋重反濾層1 m的處理措施。同時(shí)，為了確保壩基穩(wěn)定，還制定了壩基搶險(xiǎn)預(yù)案和多種搶險(xiǎn)措施（包括當(dāng)壩基一旦出現(xiàn)大的險(xiǎn)情時(shí)炸副壩的非正常措施），因此水庫不會(huì)因壩基失穩(wěn)造成潰壩。