水库溃坝洪水计算研究

高兴舟，王 贵

(黑龙江省红卫农场水务局，黑龙江建三江156322)

1 引言

溃坝可分为瞬时全馈、部分溃和逐渐全溃。不过，由于导致溃坝的因素甚为复杂，难于事先全面考虑，从最不利的结果着想，可以认为溃坝是瞬时完成的。因此，以下仅对瞬时全馈或部分溃的情况进行讨论，所谓全馈，是指坝体全部被冲毁;部分溃则指坝体未全冲毁，或溃口宽度未及整个坝长，或深度未达坝底，或二者兼有的情况。

实验表明溃坝水流的物理过程，如图l所示，溃坝初期，库内蓄水在水压力和重力作用下，奔腾而出，在坝前形成负波，逆着水流方向向上游传播，称为落水逆波;在坝下形成正波，顺着水流方向向下游传播，称为涨水顺波。由于波速随水深而增加，所以落水逆波前边的波速总大于后面的波速，使其波形逐渐展开(但并非水平);坝下游涨水顺波的变化正相反，因为后面的波速总大于前面的波速，于是形成了后波赶前波的现象，使波额变陡，成为来势凶猛的立波(不连续波)。例如，1928年美国圣佛兰西斯科坝失事，下游2.2 km处观察的波额高达37 m，万吨大的温凝土巨块都被冲走，不过，经过一段河槽调蓄及河床阻力作用之后，立波逐滚坦化，最终消失。图2所示表示出一次溃坝洪水在坝址及下游各断面的流量过程线，从图上可以看出，坝址处峰形极为尖瘦，溃坝后瞬息之间即达最大值，然后随时间的推移而急速下降，呈乙字形的退水线。随着溃坝洪水向下游的演进，过程线渐渐变缓。

对于中小水库，多采用具有一定精度、且较为简便的半理论半经验公式或经验公式，计算坝址处溃坝最大流量及其向下游的传播。

图1 溃坝水流状态示意图

图2 溃坝洪水沿程演进示意图

2 坝址处溃坝最大流量的计算

调查溃坝的情况表明，中小水库的土坝、堆石坝短时间局部馈的较多，刚性坝(如拱坝)和山谷中的土坝容易瞬间溃毁，为安全计，对于设计情况可考虑按瞬间溃坝处理，以瞬间全溃及局部馈的最大水流理论为指导，在总结国内外各种计算方法的基础上，对所做600多次试验资料综合归纳，得到的适合于瞬间全馈或局部溃的坝址处溃坝最大流量计算公式。经使用200多组溃坝试验记录和实际的溃坝资料，对该公式和国内外的其他公式进行检验，表明该公式适用条件广、计算精度高，误差均不超过土20%。该计算公式为:

式中:Qm为坝址处溃坝最大流量，m3/s;g为重力加速度，m/s2;B为坝址处的库面宽，通常就等于坝长，m;H为坝前水深，对于设计条件可取坝高值，m;L为库区长度，一般可采用坝址断面至库区上游库面宽度突然缩小处的距离，m。但实验证明，L＞5 B后，其影响不再增加，故计算的L/B＞5时仍取L/B等于5;b为溃口的平均宽度，m，最大(全馈时)等于坝长，此值可按以下计算方法估计:当溃坝时的蓄水量v≥100万m3时按b=Klv1/4B1/7H1/2估计(K1为坝体材质系数，对黏土类坝、黏土心墙或斜墙坝和混凝土坝取1.19，均质壤土坝取1.98)，当V＜100万m3时按b=K2(VH)1/4估计(坝体施工和管理质量好的K2取6.6，差的取9.1)，B、b、H的单位为m，V的单位为万m3。B/b一般不应超过l 7;h为溃口处残留坝体的平均高度，m，为安全计。对于设计条件可取h=0;K'不经验系数，近似按K'=1.4(bh/BH)1/3估计。

3 溃坝最大流量向下游演进的计算

坝址处的溃坝流量过程线在向下游演进中将不断展平，渍坝的最大流量将很快衰减。以下介绍一些对于中小水库设计使用简便且有一定精度的经验公式方法。详见图3。

图3 河道洪水验算辅助线

3.1 水库下游纂断面演坝最大流量的计算

溃坝在下游某断面处形成最大流量，根据国内外许多单位的研究，大都采用下面经验公式计算:

式中:Qm为坝址处的馈坝最大流量，m3/s;Qm，L为Qm演进至距坝址L处的渍坝最大流量，m3/s;V为馈坝时的水库有效蓄水容积，m3;v为洪水期间河道断面最大平均流速，m/s;kv为经验系数;kv为v值相当于洪水传播速度。

3.2 溃坝最大流到达下游其断面所需时间的计算

除了要知道溃坝之后在下游各断面形成的最大流量外，还需要估计它们在下游各断面什么时候出现，即需要计算溃坝最大流量从坝址下游某处的传播时间。

式中:τ为溃坝最大流量从坝址到下游L处的传播时间，s;Hm为下游断面处最大流量时的平均水深，m，可根据式(2)计算的Qm·L;查该断面的水位流量关系曲线和水位平均水深关系曲线求得;Kr为经验系数，等于0.8～1.2，水深小时取小值，大时取大值;H为馈坝时的坝前水深，m;V为与式(2)同。

4 预防及应急措施

1)水库管理人员要加强险情监测和巡视，做到早发现、早报告。

2)出现险情时做好水库调度，加大下泄流量，同时要会同专家采取正确的应急抢险措施，控制险情，保障安全。

3)不但完善水库抢险预案，提高预案的可操作性。

［1］ 裘法军，邢明.某水库溃坝洪水计算［J］.大坝与安全，2006 (5).

［2］ 李洋，周孝德，李红英.溃坝洪水数值模拟［J］.东北水利水电，2006(12).

［3］ 张振，张光科，刘超，杨中华.小型水库溃坝洪水演算探讨［J］.东北水利水电，2007(11).

［4］ 冯民权，许清香，吴巍.A水库溃坝对B水库大坝安全的影响研究［J］.水资源与水工程学报，2008.