某水庫潰壩洪水模擬研究

劉榮釗

(山東省濱州市無棣縣水資源綜合服務(wù)中心，山東 濱州 113200)

近幾年來，對于水利工程中的水庫大壩失事[1]的研究中，雖然潰壩在大壩失事中的概率相對較小，但是當(dāng)大壩超負(fù)荷運(yùn)行或受到洪水、地震等外界作用力影響時(shí)，也會(huì)形成潰壩[2]。潰壩洪水由于其水流湍急、洪水量大等特點(diǎn)，造成潰壩的發(fā)生時(shí)會(huì)對河流下游處的居民造成很大的威脅，因此潰壩、模擬潰壩洪水便成為學(xué)者們的重點(diǎn)研究內(nèi)容之一[3，4]。

本文將采用專業(yè)的水利模擬軟件對某水庫大壩潰壩進(jìn)行洪水模擬，擬定潰壩洪水?dāng)?shù)學(xué)模型，并分析不同方案下的潰壩洪水結(jié)果。

1 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方案

為考慮潰決原因、潰決水位對潰口流量、潰壩洪水以及斷面洪水時(shí)間特性的影響，設(shè)置6種不同的方案，如表1所示。

表1 計(jì)算方案

2 潰壩洪水計(jì)算結(jié)果分析

2.1 潰口流量時(shí)程分析

在分析潰壩洪水時(shí)，對潰口流量的分析可以直觀的反應(yīng)潰壩洪水的破壞強(qiáng)度，并且為下游后續(xù)的防洪工程建設(shè)提供重要的參考價(jià)值。

圖2展示了不同方案中隨時(shí)間的不斷推進(jìn)，潰口流量的變化曲線，可以很明顯看到，6個(gè)方案中，潰口的洪峰流量均大于當(dāng)?shù)?0 000 a一遇的入庫洪峰流量(22 700 m3/s)。其中，方案1的洪峰流量最大，說明洪水漫頂對于大壩潰壩破壞的影響最大，方案2、3洪峰流量雖然小于方案1，但也達(dá)到了10 000 a一遇入庫洪峰流量的5倍以上，因此雖然近幾年并沒有出現(xiàn)過地震導(dǎo)致大壩潰壩破快，但是，地震影響的重要性卻不能忽視。

圖2 潰口流量過程

從圖2中也不難看出，方案1、2、3、4、6的曲線趨勢基本相同，都是在潰壩現(xiàn)象出現(xiàn)的瞬間洪量急劇增大，而后期泄洪狀態(tài)洪量慢慢減小，但方案5的曲線相差比較大，這是由于方案5的潰決歷時(shí)為24 h而其余方案歷時(shí)均為2 h，可以說明，潰決歷時(shí)時(shí)間越長，潰口洪峰出現(xiàn)的就越遲；方案1在所有方案中的潰決水位最高為362 m，此時(shí)洪水漫頂，導(dǎo)致洪峰最大，而隨著潰決水位降低到方案2的正常蓄水位以及方案3的防洪限制水位時(shí)，洪峰值也隨之減小，當(dāng)潰決水位繼續(xù)減小到死水位(方案6)時(shí)，洪峰達(dá)到6個(gè)方案中的最小值。因此可以發(fā)現(xiàn)，潰決水位的不同以及潰決歷時(shí)長短的不同都會(huì)導(dǎo)致潰口流量發(fā)展的不同，并且會(huì)影響到洪峰值。

2.2 潰壩最大流量沿程分析

圖3展示了水庫沿程各斷面的最大洪水流量變化，由圖3可以發(fā)現(xiàn)，所有方案沿程洪水最大流量趨勢都是在潰壩處洪峰達(dá)到最大值，而隨著與潰壩距離的逐漸增大，越到下游，洪峰值越小，并且逐漸趨于穩(wěn)定。

圖3 最大洪峰沿程曲線

圖3中，方案1、2、3在第五個(gè)斷面處發(fā)生洪峰明顯衰減的現(xiàn)象，方案1的衰減率達(dá)到了20.25%，這是由于在這個(gè)斷面的位置處存在水庫大壩，因此在上游大壩發(fā)生潰壩破壞，洪水沿程涌入后，下游的大壩在一定程度上降低了洪水的破壞性。方案1、2、3、4、6的潰決歷時(shí)均為2 h，而潰決水位逐漸降低，這時(shí)在潰壩下游處最大洪峰減小的速率隨潰決水位的降低而逐漸減??；對于方案4、5，潰決水位均為330 m，方案5的潰決歷時(shí)為24 h，比方案4的歷時(shí)時(shí)間長，潰壩下游最大洪峰值衰減的速率隨潰決歷時(shí)時(shí)間的增大而減小。

2.3 潰壩最高水位沿程分析

圖4展示了潰壩破壞后，下游最高洪水水位沿程變化規(guī)律，容易得到，所有方案在發(fā)生潰壩破壞時(shí)最高洪水水位達(dá)到最大，隨后洪水水位會(huì)驟減，在下游處，最大洪水水位一直處于逐漸降低的趨勢，但隨著與潰壩位置距離的不斷增大，最大洪水水位的降低速率越來越小。方案1最高洪水水位最大，當(dāng)潰決歷時(shí)都為2 h時(shí)，方案2、3、4、6的最大洪水水位都隨著潰決水位的降低而降低，方案6的潰決水位最低，因此在整個(gè)沿程中，方案6的最大洪水水位也最低；當(dāng)潰決水位均為330 m時(shí)，由于方案4的潰決歷時(shí)2 h比方案5潰決歷時(shí)24 h短，方案4的最高水位明顯大于方案5的最高水位，因此可以總結(jié)潰決歷時(shí)越短，沿程的最高洪水水位越高。

圖4 沿程最高洪水水位曲線

2.4 水庫沿岸村落淹沒情況

研究潰壩洪水最重要的就是為后續(xù)的防洪工程以及發(fā)生洪災(zāi)后沿岸村落的撤離提供依據(jù)，因此，在水庫沿岸隨機(jī)選擇兩個(gè)村落進(jìn)行洪水淹沒情況的模擬研究。表2、3分別給出了村落1、2的淹沒情況，其中村落1與潰壩壩址距離較近，村落2與壩址距離較遠(yuǎn)。

表2 村落1淹沒情況

表2中可以得到，方案1～5的潰壩洪水將村落1部分淹沒，方案1在潰決歷時(shí)均為2 h的方案中洪水抵達(dá)的時(shí)間最晚，洪水位最高，因此導(dǎo)致村落的最大淹沒水深也最大，隨著潰決水位的降低，方案2、3、4、6的洪水抵達(dá)時(shí)間都隨之逐漸更早，而最高洪水位隨之降低，最大淹沒深度同樣隨之降低，其中，方案6的最高洪水位為257.31 m，而村落1的房屋高程在258～339 m之間，最高洪水位低于房屋高程，此方案下的村落1未被淹沒。方案4與方案5潰決水位均為330 m，對于潰決歷時(shí)更長的方案5，洪水抵達(dá)的時(shí)間更加晚于方案4，而最高洪水水位也低于方案4，因此對于村落的最大淹沒水深更小，但村落同樣被部分淹沒。

表3中可以得到，各方案的潰壩洪水最高水位與村落1的相差不大，但是村落2由于房屋高程低于村落1的房屋高程而在所有計(jì)算方案下都會(huì)被部分淹沒。與表1規(guī)律相同的是，當(dāng)潰決歷時(shí)均為2 h時(shí)，方案1洪水抵達(dá)的時(shí)間最晚，洪水位最高，因此導(dǎo)致村落的最大淹沒水深也最大，隨著潰決水位的降低，洪水抵達(dá)時(shí)間逐漸變早，而最高洪水位逐漸降低，最大淹沒深度同樣逐漸降低；當(dāng)潰決水位均為330 m時(shí)，潰決歷時(shí)更長的方案5，洪水抵達(dá)的時(shí)間晚于方案4，最高洪水水位也低于方案4，因此對于村落的最大淹沒水深更小，村落被部分淹沒。

表3 村落2淹沒情況

3 結(jié)語

本文利用水利模擬軟件對某水庫大壩潰壩破壞進(jìn)行了模擬研究，并對沿岸村落淹沒情況進(jìn)行了分析，得到結(jié)論如下：

(1)潰壩破壞后，潰口流量劇增并達(dá)到洪峰值，隨著時(shí)間的推進(jìn)，潰口流量逐漸減小。當(dāng)潰決水位不變時(shí)，潰決歷時(shí)越長，達(dá)到洪峰所需的時(shí)間越長，洪峰越低；當(dāng)潰決歷時(shí)相同，潰決水位越高，洪峰值越大。

(2)當(dāng)潰決水位相同時(shí)，潰決歷時(shí)越長，潰壩洪水的沿程最大流量越小，在壩址下游最大流量衰減速率越慢；當(dāng)潰決歷時(shí)相同，潰壩洪水的沿程最大流量隨潰決水位的增大而變大，在下游處，潰決水位越高，洪水最大流量的衰減速率越大。

(3)在潰壩破壞處，洪水最高水位最大，越遠(yuǎn)離壩址，最高水位越低。當(dāng)潰決水位不變，潰決歷時(shí)越長，潰壩洪水的沿程最高水位越低；當(dāng)潰決歷時(shí)相同時(shí)，潰壩洪水的沿程最高水位隨潰決水位的增大而變大。

(4)利用洪水抵達(dá)時(shí)間以及最高潰壩洪水水位可以估算出沿程村落的淹沒情況，為后續(xù)對村民的撤離以及防洪措施的采取有很大的意義。