土石壩潰壩影響范圍淺析

袁昌龍

摘要：土石壩是國內(nèi)外使用最廣泛的壩型，也是大壩工程建設歷史上應用最廣泛，發(fā)展最快的一種壩型。在數(shù)量眾多的土石壩中，具有防洪功能的大壩占總數(shù)的六成以上，因此大壩的穩(wěn)定與否直接關系著下游人民群眾的生命財產(chǎn)安全，對下游城鎮(zhèn)的政治、經(jīng)濟、社會影響較大。洪水影響范圍的確定對下游社會的經(jīng)濟發(fā)展意義重大，本期就土石壩潰壩后對下游的影響范圍確定作淺析。

關鍵詞：土石壩；潰壩，影響范圍

潰壩影響區(qū)主要是大壩下游地區(qū)，可根據(jù)下游河道走向初步判斷影響區(qū)范圍，要確定具體的洪水影響區(qū)還要進行潰壩洪水分析計算，得出洪水到達某個斷面時淹沒的水深，推算洪水淹沒高程，為人員的應急轉(zhuǎn)移安置提供理論參考。洪水潰壩分析計算應從大壩的潰口寬度、壩址處的流量、潰壩洪水過程線分析、壩址最大流量沿程演進、洪水傳播時間過程具體確定洪水的淹沒高程。

土石壩潰壩的原因主要是壩體失穩(wěn)，壩體失穩(wěn)主要是通過洪水漫頂、基礎或大壩管涌、滲漏引起的。潰口的形態(tài)主要通過近似假定來確定。根據(jù)假定的不同潰壩形式與不同頻率洪水的組合，即可制定不同的潰壩計算方案。目前計算潰壩洪水的水力學模型較多，所采用的計算方法和經(jīng)驗公式繁多，但對潰壩決口形式的描述比較一致。

本次以貴州省興義市興西湖水庫為模型進行潰壩計算，分析水庫潰壩的影響范圍。興西湖水庫位于貴州省黔西南州興義市西北部，興西湖水庫建于1956年，大壩位于珠江流域南盤江支流馬別河的右岸一級支流納灰河上游河段，處東經(jīng) 104°47′～105°02′、北緯 24°55′～25°04′之間，壩址以上集雨面積34.00km?，為均質(zhì)土壩，壩頂高程1419.50m，最大壩高42.10m，壩頂寬6.00m，壩頂長176.00m，壩頂設0.90m高的漿砌塊石防浪墻。水庫校核洪水標準為1000年一遇（P=0.1%），相應水位1419.30m，對應庫容2720.00萬m?；設計洪水標準為50年一遇（P=2%），主汛期防洪限制水位1416.00m，相應庫容2200.00萬m?，死水位1397.40m；調(diào)洪庫容520萬m?，防洪庫容405萬m?，興利庫容2280萬m?，死庫容390萬m?。溢洪道最大下泄流量95.90m?/s，放水隧洞最大泄流量7.00m?/s。放水管設置于土壩廊道中，長度為109.50m，為鋼筋砼管，管長195.00m，內(nèi)徑0.80m，進水口底板高程1379m。水庫下游河道從上游到下游分經(jīng)過壩口、灑金、貴州醇景區(qū)、萬峰林景區(qū)、上納灰，在落水洞進入伏流匯入萬峰湖。

土石壩潰口計算最常用的有2種公式：

1 黃河水利委員會經(jīng)驗公式

公式1

式中b為潰口寬度（m），W為總庫容（萬m?），B為潰壩時壩前水面線寬度或壩頂長度（m），H為最大壩高（m），K為經(jīng)驗系數(shù)，黏土取0.65，壤土取1.30。

2 鐵道科學研究院經(jīng)驗公式

公式2

式中b為潰口寬度（m），W為總庫容（萬m?），K為經(jīng)驗系數(shù)，土石壩取1.19。

在大壩穩(wěn)定設計計算模型中，水庫達到校核水位時水庫大壩仍然處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此在計算時取總庫容計算結果偏小。準確來說這個庫容應該是壩頂高程對應的水庫庫容，但大多數(shù)水庫從校核水位到壩頂高程的高差較小，這部分高差形成的庫容占校核水位對應的百分比較小，幾乎可以忽略不計。公式1計算的潰口寬度b=119.53m，公式2計算的潰口寬度b=115.67m，潰口寬度b取119.53m，潰口寬度b取119.53m。

在計算潰口處的最大流量Qm時，可分為三種情況進行分析，即壩體瞬間全垮、壩體瞬間垮掉部分且部分一潰到底、壩體瞬間局部垮掉，剩余殘壩壩高按死水位計算。

（1）壩體瞬間全垮時，采用圣維南公式進行計算：

公式3

式中；Qm—潰壩時壩址處最大流量（m?/s）；H0—潰壩前的壩前水深（m），42.1m；B—壩頂長度（m），208m。Qm＝8÷27×208×9.80.5×42.11.5=

52701.84m?/s

（2）壩體瞬間垮掉部分且部分一潰到底時：

根據(jù)大壩形狀來看，按上述計算潰口寬度119.53m一潰到底，幾乎相當于全垮狀態(tài)，故此種工況潰口寬度采用59.77m計算。

采用肖克利契公式進行計算：

公式4

Qm=8/27×9.80.5×（208/59.77）0.25×59.77×

42.11.5=20683.18 m?/s

（3）壩體瞬間局部垮掉，剩余殘壩壩高按死水位計算：

公式5

h—殘余壩高（m），取20m（死水位到基底高度）。Qm=8512.97m?/s

不同潰壩情況下水庫壩址斷面潰壩最大流量成果見下表。

瞬間全潰流量過程線與Qm、Q0及W有關，其水量平衡方程為：

公式6

式中：W 為潰壩前水庫的蓄水量；Q0 為潰壩前下泄流量，量級差距較大，可忽略；Qm為潰壩洪峰流量。計算上述三種不同潰壩總歷時T：

T=5×2720×104/52701.84=2580.56s（壩體瞬間全垮時）

T=5×2720×104/20683.18=6575.39s（當瞬間局部潰壩且一潰到底時）

T=5×2720×104/8512.97=15975.63s（當瞬間局部潰壩時）

洪水到達下游斷面時的洪峰流量按以下經(jīng)驗公式計算：

公式7

式中：Qm為潰口處洪峰流量，m；W為可泄水量（潰壩庫容），2720萬m?；L為計算斷面距壩址的距離，m；Vc為河道洪水期斷面最大平均流速，若無資料，一般山區(qū)可采用3～5m/s，半山區(qū)2.0～3.0m/s，平原地區(qū)1.0～2.0m/s。水庫位于山區(qū)，本次計算取4m/s，K為經(jīng)驗系數(shù)，山區(qū)可采用1.1～1.5，半山區(qū)1.0，平原區(qū)0.8～0.9，本次計算取1.2。

根據(jù)興西湖水庫下游河道的走向及下游地形，判斷下游影響區(qū)主要為沿河兩岸的村寨，從上游到下游分別是壩口、灑金、貴州醇景區(qū)、萬峰林景區(qū)、上納灰。各村寨距離壩址的距離從1∶10000地形圖上測得，通過公式7計算得出興西湖水庫潰壩洪水到達下游各斷面的最大流量見表2。

興西湖潰壩后，洪水主要沿著納灰河河道走向，沖刷納灰河兩岸的農(nóng)田和建筑物，洪水先后流經(jīng)壩口，長堂到達風洞，沿風洞向南威脅灑金、貴州醇景區(qū)及下五屯部分街道，經(jīng)過陽光盆景園到達萬峰林景區(qū)北門，順勢而下，威脅萬峰林景區(qū)內(nèi)的村寨，經(jīng)過魚隴、將軍橋、上納灰、下納灰，到落水洞進入伏流，洪水最后流入萬峰湖。

按照黃河水利委員會水利科學研究所（1977）根據(jù)試驗結果，求得潰壩洪水傳播時間，公式如下

洪水起漲時間：

公式8

最大洪峰流量到達時間：

公式9

洪水消落時間： 公式10

式中時間單位均為s：

k1為系數(shù)，k1=（0.63～0.73）×10-3，取0.68×10-3；k2為系數(shù)，k2=0.8～1.2，取1.0；hm為洪峰流量時的平均水深，即與Qm相應的平均水深；

根據(jù)以上公式計算水庫潰壩洪水到達各斷面時間，計算結果見下表3。

洪水達到下游時的淹沒深度按照大壩全潰時洪水延程演進流量來計算，即：

公式11

式中：h為淹沒深度，m；Qlm為全潰時大壩洪水延程演進流量，m?/s；水庫位于山區(qū)，本次計算VC取4m/s。

L為計算斷面的平均長度，m。

通過計算洪水達到下游時的淹沒水深，得到洪水的淹沒高程，進而繪制出洪水潰壩風險圖，在應急搶險中起到指導性作用。鑒于圣維南方程存在的局限性，加上潰壩洪水的變化過程復雜，在分析潰壩洪水時應根據(jù)實際情況合理取值，并結合實際應急搶險情況，合理安排搶險任務。

參考文獻

[1] 陳慶龍.土石壩潰壩分析與防治[J].建筑工程技術與設計，2018（4）：2429.