蒲城縣大峪河水庫(kù)潰壩洪水分析

張?jiān)椒?，陳小娟，姜新義

（陜西省江河水庫(kù)工作中心，陜西 西安 710000）

1 工程概況

1.1 流域概況

大峪河屬渭河水系北洛河一級(jí)支流，發(fā)源于黃龍山脈佛爺嶺，流經(jīng)合陽(yáng)縣、澄城縣，于蒲城縣永豐鎮(zhèn)西固村匯入北洛河。河道總長(zhǎng)87.8 km，全流域面積479.2 km2，河床平均比降6.7‰。蒲城縣境內(nèi)長(zhǎng)13 km，流域面積18 km2，河床寬8 m～23 m。河道上游澄城縣建有勝利水庫(kù)，再上游合陽(yáng)縣境內(nèi)建有定國(guó)水庫(kù)，兩水庫(kù)區(qū)間控制流域面積210 km2，大部分徑流被攔蓄。勝利水庫(kù)下游永豐鎮(zhèn)建有?。ㄒ唬┬痛笥铀畮?kù)，其區(qū)間流域面積52.5 km2，河長(zhǎng)20.85 km，河床比降3.57‰，壩址距入洛河口3 km。流域地貌屬于黃土臺(tái)塬區(qū)，植被以蒿草為主，覆蓋極差。

大峪河流域?qū)儆诖箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，冬季受蒙古冷高壓氣團(tuán)控制，寒冷少雨；夏季受西太平洋副熱帶高壓影響，炎熱多雨，兼有伏旱。據(jù)蒲城縣氣象站資料統(tǒng)計(jì)，年平均氣溫13.3℃，絕對(duì)最高溫度41.8℃，絕對(duì)最低氣溫-16.3℃；多年平均降雨量500 mm，多年平均風(fēng)速2.8 m/s，多年平均最大風(fēng)速17.1 m/s。

1.2 工程基本情況

大峪河水庫(kù)是一座以灌溉、供水為主，兼有防洪功能的Ⅳ等?。ㄒ唬┬退畮?kù)，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)30 a 一遇，洪峰流量349 m3/s，校核洪水300 a 一遇，洪峰流量744 m3/s。設(shè)計(jì)總庫(kù)容529.00 萬(wàn)m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容192.00 萬(wàn)m3，死庫(kù)容55.00 萬(wàn)m3。工程主要由大壩、正槽式溢洪道、輸水洞等建筑物組成。工程始建于1975 年，最近一次除險(xiǎn)加固2009 年。設(shè)計(jì)灌溉面積2.1 萬(wàn)畝，有效灌溉面積1.5 萬(wàn)畝。

水庫(kù)大壩為均質(zhì)土壩，壩頂高程403.10 m，壩高23.60 m，壩頂長(zhǎng)103 m，壩頂寬12.50 m，迎水坡坡比1∶2.0、1∶3.0，背水坡坡比1∶2.0、1∶2.25，干砌石護(hù)坡，壩坡上游399.50 m 高程處設(shè)有4.60 m 砼路。

溢洪道位于大壩右岸，正槽式，全長(zhǎng)210 m，由進(jìn)口段、控制段、陡坡段、消力池和護(hù)坦組成。進(jìn)口段建有鋼筋砼橋，橋面高程399.50 m，三跨，單跨6 m×7.2 m，橋?qū)?.0 m?？刂贫螢閃ES 型實(shí)用堰，堰頂高程395.80 m，堰底高程391.50 m，堰寬20 m，堰頂上修建的砌磚擋墻，墻高1.8 m，寬0.8。設(shè)計(jì)泄洪流量259 m3/s，校核泄洪流量650 m3/s。

放水建筑物位于大壩左岸，全長(zhǎng)208.50 m，由放水塔和放水洞組成。放水塔塔高15.10 m，塔內(nèi)徑3.0 m，厚0.3 m，砼結(jié)構(gòu)，塔內(nèi)設(shè)工作及檢修閘門各一道。塔后接放水洞，長(zhǎng)185 m，進(jìn)口高程388.0 m，出口高程385.10 m，斷面尺寸1.3 m×7.2 m，出口為底流式消能。設(shè)計(jì)放水流量0.5 m3/s。

2 潰壩洪水洪峰流量計(jì)算

潰壩洪水的最大洪峰流量出現(xiàn)在壩址處，為安全起見(jiàn)，按瞬時(shí)全部潰壩進(jìn)行最大洪峰流量計(jì)算。原鐵道部1980 年提出的一種經(jīng)驗(yàn)公式，以潰壩水流理論為指導(dǎo)，考慮到壩體局部潰決情況以及潰壩口門和潰口處殘留壩體高度時(shí)潰壩流量的影響，在總結(jié)國(guó)內(nèi)外各種計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，經(jīng)大量試驗(yàn)資料綜合歸納而成，適用條件廣、計(jì)算精度高，因此本次潰壩最大流量計(jì)算采用該公式，該公式的形式為：

式中：Qm為壩址處潰壩流量，m3/s；g 為重力加速度，9.81 m/s2；B為壩址處的庫(kù)面寬，通常取壩長(zhǎng)值，m；H 為壩前水深，對(duì)于設(shè)計(jì)條件，可取淤積面下一定深度稀泥加上實(shí)際水深；L 為庫(kù)區(qū)長(zhǎng)度，一般可采用壩址斷面至庫(kù)區(qū)上游庫(kù)面寬度突然縮小處的距離，當(dāng)L/B 大于5 后，其影響不再增加，可取L/B＝5；b 為潰口的平均寬度，最大（全潰時(shí)）等于壩長(zhǎng)。當(dāng)潰壩時(shí)的蓄水庫(kù)容V≥100 萬(wàn)m3時(shí)，按b＝K1V1/4B1/7H1/2估計(jì)（K1稱為壩體材質(zhì)系數(shù)，對(duì)于粘土類壩、粘土心墻壩和砼壩取1.19，均質(zhì)土壤土壩取1.98）;當(dāng)V＜100 時(shí)，按b＝K2（VH）1/4估計(jì)（壩體施工和管理質(zhì)量好的K2取6.6，差的取9.1）；h 為為潰口處殘留壩體的平均高度，為安全起見(jiàn)，對(duì)于設(shè)計(jì)條件可取h＝0。K' 為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，按K'＝1.4（bh/BH）1/3估計(jì)。

有關(guān)參數(shù)的確定：

1）壩址處的庫(kù)面寬B：通常取壩長(zhǎng)值B＝130 m。

2）潰壩水位：考慮實(shí)際運(yùn)行情況，大峪溝水庫(kù)潰壩水位定為壩頂高程403.10 m。

3）壩前水深H：壩前水深對(duì)于運(yùn)行多年的水庫(kù)，一般要考慮淤積高程的影響。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，壩前淤積高程為391.60 m，由于無(wú)法準(zhǔn)確確定年久淤積層和動(dòng)淤積層的厚度，因此，為安全起見(jiàn)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算動(dòng)淤積層厚度H動(dòng)＝5 m，壩前庫(kù)底高程為386.60 m，故壩前水深H＝潰壩水位－壩前庫(kù)底高程＝16.50 m。

4）庫(kù)區(qū)長(zhǎng)度L：一般可采用壩址斷面至庫(kù)區(qū)上游庫(kù)面寬度突然縮小處的距離，當(dāng)L/B 大于5 后，其影響不再增加，可取L/B＝5。經(jīng)測(cè)算，取L/B＝5。

5）潰壩時(shí)的蓄水庫(kù)容V。

6）潰壩口門b 的確定：在潰壩洪水計(jì)算時(shí)，對(duì)潰壩口門的計(jì)算中主要考慮了以下兩個(gè)方面：

①口門水流條件的判定

確定潰壩口門處的水流條件是為了進(jìn)行水庫(kù)和下游河道整體潰壩洪水演進(jìn)計(jì)算。

對(duì)于低水頭壩，潰壩口門較大，下游水位較高時(shí)，一般為淹沒(méi)流。壩體全部潰決后，壩址上下游斷面水位相同，也可作為淹沒(méi)處理，發(fā)生淹沒(méi)流時(shí)口門水流連續(xù)為緩流，其流量除受上游水流能線高的影響外，還往往受下游水的頂托影響。

對(duì)于口門較小、水頭較高、下游水流較低的高水頭壩，往往形成臨界流。此時(shí)上下游水能線不連續(xù)，口門處流量的大小僅和口門大小、形狀及上游水能線有關(guān)，不受下游水位的影響。

下游水位很低，口門較小、水頭較高，所以發(fā)生潰壩以后將會(huì)形成臨界流，但當(dāng)水庫(kù)水位下降時(shí)成了淹沒(méi)流。

②潰壩形式的確定

包括估計(jì)潰壩口門幾何形狀、尺寸及隨時(shí)間的變化，潰壩口門形成的尺寸和變化應(yīng)根據(jù)壩體材料和壩型結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)情況、潰壩時(shí)上、下游水位及潰壩原因等幾個(gè)方面，參考?xì)v史上的有關(guān)潰壩資料，對(duì)于土壩的潰壩，凡水流漫頂產(chǎn)生的口門，形狀多半為梯形，其邊坡為土壤的自然休止角，其口門的逐漸淘刷，一般在半小時(shí)內(nèi)即可達(dá)最大。當(dāng)發(fā)生洪水漫頂時(shí)潰壩口門寬度b 經(jīng)過(guò)計(jì)算接近于壩址處庫(kù)面寬度B，且水頭較高、下游水位很低，潰口處殘留壩體的高度h 幾乎為零，故水庫(kù)潰壩的形式為全部潰決。

本次計(jì)算時(shí)，無(wú)法按上述要求詳細(xì)地確定潰壩口門的寬度，故引用原鐵道部提出的口門平均寬度b 的經(jīng)驗(yàn)估算公式計(jì)算：

式中：K1為壩體材質(zhì)系數(shù)，對(duì)于粘土類壩、粘土心墻壩和砼壩取1.19，均質(zhì)土壤土壩取1.98；V 為潰壩時(shí)的蓄水庫(kù)容，萬(wàn)m3；B為壩址處的庫(kù)面寬度，通常取壩長(zhǎng)B＝130 m；H 為壩前水深，經(jīng)計(jì)算H＝16.5 m。

在上式中，壩前水深（水頭）H 在沖刷中起主要作用，V1/4B1/7H1/2是綜合值，反映了壩上水體的總能量，而系數(shù)K1則反映壩體的抗沖強(qiáng)度。經(jīng)計(jì)算，b=73 m。

計(jì)算潰壩時(shí)壩址處的最大洪峰流量：

3 壩址潰壩洪水過(guò)程線的推求

計(jì)算潰壩洪水過(guò)程線的目的，在于推算下游各處潰壩最大流量、水位及到達(dá)時(shí)間，大壩瞬時(shí)全潰的壩址過(guò)程線采用典型過(guò)程線的方法推求。

由于無(wú)下游河道實(shí)測(cè)資料，無(wú)法對(duì)潰壩洪水向下游演進(jìn)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。因此，通過(guò)對(duì)模型試驗(yàn)資料及詳算法計(jì)算成果的分析，潰壩洪水流量過(guò)程線與潰壩最大流量Qm、潰壩時(shí)的入庫(kù)流量Q0、下游水位及潰壩可泄庫(kù)容有關(guān)，其線型近似于四次拋物線，即潰壩初瞬時(shí)流量陡增到Qm，緊接著流量迅速下降，形成下凹曲線，最后趨近于入庫(kù)流量Q0。潰壩洪水流量過(guò)程線見(jiàn)圖1。

圖1 潰壩洪水過(guò)程線

典型過(guò)程線的坐標(biāo)值，見(jiàn)表1。表1 中，T 為洪水過(guò)程線的總歷時(shí)，亦即潰壩庫(kù)容V（潰壩前的水庫(kù)蓄水容積）泄空的時(shí)間，當(dāng)Qm、Q0及V 已知時(shí)，總歷時(shí)T 的計(jì)算公式為：

由上式求得的T，連同已知的Qm、Q0，即可按照下表的數(shù)值進(jìn)行縮放，進(jìn)而求得壩址潰壩流量過(guò)程線。

表1 壩址潰壩流量典型過(guò)程線坐標(biāo)值

典型過(guò)程線的推求，關(guān)鍵是要確定潰壩蓄水容積V，潰壩時(shí)入庫(kù)流量Q0。由前面的計(jì)算知，潰壩蓄水容積V＝428 萬(wàn)m3，潰壩時(shí)壩址處的潰壩最大流量Qm＝3630 m3/s，而潰壩時(shí)的入庫(kù)流量Q0需要試算比較后確定。具體方法為：

首先選擇超標(biāo)準(zhǔn)洪水（最大超標(biāo)準(zhǔn)洪水不宜超過(guò)水庫(kù)校核洪水的4～5 倍），當(dāng)超標(biāo)準(zhǔn)洪水選定后，可以進(jìn)行調(diào)洪演算，當(dāng)壩前水位與壩頂齊平時(shí)，入庫(kù)流量即為Q0。在具體計(jì)算時(shí)，水庫(kù)起調(diào)水位可取汛前限制水位Z限，在有條件的情況下，也可以多作一些組合分析，即確定多個(gè)起調(diào)水位分別計(jì)算Q0，從中選定一個(gè)最具威脅的（最大的）Q0。

由于水庫(kù)流域面積較小，且上游有水庫(kù)，在選擇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，不宜選擇太大的超標(biāo)準(zhǔn)洪水。因此，在選擇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，按照Q超＝1.5QP＝1120 m3/s 和Q超＝2QP＝1487 m3/s 兩種情況，并確定起調(diào)水位為395.80 m 和397.60 m 分別進(jìn)行調(diào)洪演算。

經(jīng)過(guò)調(diào)洪演算后，結(jié)果如下：

（1）Q超＝1.5Q 時(shí)：

當(dāng)H＝395.80 m 時(shí)，Q0＝781 m3/s；

當(dāng)H＝397.60 m 時(shí)，Q0＝740 m3/s。

（2）Q超＝2Q 時(shí)：

當(dāng)H＝395.80 m 時(shí)，Q0＝742 m3/s；

當(dāng)H＝397.60 m 時(shí)，Q0＝736 m3/s。

故確定最具威脅的潰壩時(shí)入庫(kù)流量為Q0＝781 m3/s。

計(jì)算潰壩洪水過(guò)程線總歷時(shí)T：

因此，按照《壩址潰壩流量典型過(guò)程線坐標(biāo)值表》推求出壩址潰壩洪水過(guò)程線見(jiàn)表2。

表2 壩址潰壩洪水過(guò)程線表

圖2 壩址潰壩洪水過(guò)程線表

4 水庫(kù)下游沿程各斷面潰壩最大流量及水位

潰壩洪水在向下游的演進(jìn)中，因受到河槽作用，流量過(guò)程線將不斷展平，潰壩的最大流量將很快衰減。這種急變不連續(xù)非恒定流在立波通過(guò)后，后續(xù)水流將維持連續(xù)緩變非恒定流。潰壩洪水演算是推求水庫(kù)壩址潰壩洪水最大流量，沿河道演進(jìn)到下游各控制斷面處的流量及傳播時(shí)間，水庫(kù)屬小型水庫(kù)，采用經(jīng)驗(yàn)公式法進(jìn)行演算：

式中：Qm為壩址處潰壩最大流量，m3/s；L 為下游斷面至壩址處的距離，m；Qm,L為Qm演進(jìn)距壩址L 處的潰壩最大流量，m3/s；V為潰壩時(shí)的水庫(kù)有效蓄水容積，m3；v 為洪水期間河道斷面最大平均流速，可采用歷史最大值，m/s；kv為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

kvv 值可以近似地理解為洪水傳播速度，黃河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院根據(jù)實(shí)際資料分析，認(rèn)為kvv 可以取下列數(shù)值：山區(qū)河道7.15 m/s；半山區(qū)河道4.76 m/s；平原河道3.13 m/s。kvv 取值為3.0 m/s。按照上述公式，計(jì)算水庫(kù)潰壩洪水向下游演進(jìn)的各斷面處水文特性見(jiàn)表3。

表3 水庫(kù)潰壩下游各斷面洪水要素

5 潰壩洪水淹沒(méi)范圍

5.1 淹沒(méi)范圍的確定

潰壩洪水的淹沒(méi)范圍，采用斷面控制與實(shí)地查勘相結(jié)合的方法確定。即先計(jì)算建立各斷面的水位流量關(guān)系曲線，根據(jù)演算求得的各斷面最大流量，從水位流量關(guān)系曲線上查出相應(yīng)水位，然后以此水位為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)地查勘，在地形圖上確定洪水淹沒(méi)范圍。

5.2 各斷面水位流量關(guān)系的建立

各斷面資料由萬(wàn)分之一地形圖上摘取，流量用下式計(jì)算：

式中：Q 為其水位下的流量，m3/s；A 為其水位下的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；R 為水力半徑，R=斷面面積/濕周，m；n 為河床糙率；S為水面比降。

上式中某水位下斷面面積、水力半徑根據(jù)斷面資料計(jì)算，糙率根據(jù)河床情況，按主槽、灘地由天然河道糙率中對(duì)照取值，比降采用斷面所在河段的平均河床比降。

（1）推求潰壩流量在各斷面上的水位，勾繪淹沒(méi)范圍。

（2）根據(jù)演算求得的各斷面流量，從水位流量關(guān)系曲線上查出相應(yīng)的水位。

（3）在水庫(kù)下游河道縱斷面圖上繪出潰壩洪水水面線，進(jìn)行合理性檢查。

（4）根據(jù)水面線及各級(jí)流量所對(duì)應(yīng)的水位，在地形圖上按等高線的變化趨勢(shì)，勾繪出各級(jí)流量所淹沒(méi)的范圍。蒲城縣大峪河水庫(kù)潰壩洪水淹沒(méi)圖見(jiàn)圖3。

圖3 蒲城縣大峪河水庫(kù)潰壩洪水淹沒(méi)圖

6 結(jié)語(yǔ)

水庫(kù)的安全是水工建筑物運(yùn)行管理的核心問(wèn)題，安全和經(jīng)濟(jì)是相互依存、制約的。其防洪標(biāo)準(zhǔn)和安全系數(shù)通常是由其效益大小和失事后的影響大小等因素決定的。根據(jù)水庫(kù)實(shí)際情況，分析可能導(dǎo)致水庫(kù)大壩潰決的主要因素、分析可能發(fā)生的水庫(kù)潰壩形式、分析水庫(kù)潰壩洪水對(duì)下游防洪工程、重要保護(hù)目標(biāo)等造成的破壞程度和影響范圍，進(jìn)而確定影響范圍內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況及工程防洪標(biāo)準(zhǔn)以及下游河道安全泄量等。本文通過(guò)對(duì)大峪河水庫(kù)潰壩潰壩形式、洪峰及洪水過(guò)程等進(jìn)行分析計(jì)算，通過(guò)曼寧公式計(jì)算水庫(kù)下游沿程各斷面潰壩最大流量，最終確定水庫(kù)潰壩洪水對(duì)下游防洪工程、重要保護(hù)目標(biāo)等造成的破壞程度和影響范圍，為小型水庫(kù)潰壩洪水分析，提供了較為實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)。