磨子潭水库溃口洪水分析

蔡黎明+麻天为

摘 要：简要介绍了磨子潭水库的基本情况，遵循“最不利，最可能”的原则，提出了磨子潭水库可能溃坝的4种典型方案，并根据这些方案分析了磨子潭水库溃口洪水的流量过程线，从而为溃坝洪水演进模拟入流边界的设置提供必要的参考。

关键词：磨子潭水库；溃坝；溃口；洪水分析

中图分类号：TV122+.4 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.05.018

在实际工作中，假设混凝土坝的溃决方式和溃口形态，根据水库运行水位和不同上游来流量值进行组合计算，比较和分析了溃口最大流量、溃口流量过程线。溃口发展和溃口流量的计算、模拟是研究溃坝问题的基础。溃口流量过程线作为溃坝洪水波演进的入流边界，其计算精确度关系着溃坝洪水波的演进效果，而且还会影响对溃坝风险的分析和地区应急预案的制订。

1 工程概况

磨子潭水库位于淠河上游安徽省霍山县境内，水库下游25 km是佛子岭水库坝址，它与佛子岭水库形成串联式的梯级枢纽，是一座以防洪为主，集灌溉、发电等功能为一体的综合水利枢纽。其控制流域面积570 km2，总库容3.47×108 m3。枢纽工程主要包括拦河坝、溢洪道、泄洪隧洞和发电厂。拦河坝主体为混凝土支墩大头坝，它是由中部的12个双支墩（ 2～12号） 坝段、两坝头各3个单支墩坝段、重力坝段、左岸2号垛以左（坝轴线向上游转折42°）的转折重力坝段组成。其坝顶全长331.0 m，最大坝高83.1 m，坝顶高程 202.0 m，防浪墙顶高程204 m，正常蓄水位187.0 m，设计洪水位201.19 m，对应坝前水深79.19 m，对应库容为3.47×108 m3，校核洪水位203.93 m，对应坝前水深81.93 m，对应库容3.47×108 m3。

2 溃口洪水计算

2.1 确定溃口形态

溃口是大坝溃决失事时形成的口门，其形态主要取决于坝型和筑坝材料。目前，对实际溃坝机理的研究尚不明确，因此，溃口的形态多用近似假定的方式确定。一般情况下，溃口形态是由4个参数确定的，即溃决历时τ、溃口宽度b、溃口底部高程Hb、溃口边坡的坡比m。第一个参数可以确定大坝的溃决形式——是瞬时溃坝还是逐渐溃坝，后面的3个参数则可以确定溃口的断面形状——矩形、三角形、梯形，进而判断大坝是局部溃决还是全部溃决。

2.2 计算溃坝最大流量

溃坝坝址的峰值流量与坝址溃坝前上下游水深、坝址断面形状和尺寸有关，而其计算方法则取决于溃坝形式——瞬时全溃、瞬时部分溃、逐渐溃决。由于筑坝材料和结构形式不同，所以，对于混凝土重力坝或拱坝等刚性体坝，经常出现一次性瞬时全溃或瞬时部分溃的情况。此次计算结合工程的实际情况，遵循“最不利，最可能”的原则计算坝体瞬时全溃、瞬时部分溃2种情况下的相关值。对于瞬时溃坝，水流呈非恒定、不连续的运动状态。目前，国内外有不少溃坝溃口流量的计算模型，比如谢任之提出的统一公式，Sigh和Scarlato等通过实验观察修正的宽顶堰流量计算公式，还有美国国家气象局FLDWAV模型中使用的溃口流量公式等。本文拟采用谢任之提出的统一公式计算瞬时溃坝的最大流量，即：

. （1）

式（1）中：λ为流量系数；B0为溃口平均宽度，m；g为重力加速度，m/s2；H0为溃坝时坝前平均水头，m。

当大坝瞬时全溃时：

. （2）

当大坝瞬时部分溃时：

. （3）

式（2）（3）中：m为断面形状系数；σ为沉溺系数；λe为矩形断面、自由出流、口门拉至河底、堰宽比为e的流量系数；f为堰高比；n2，n4，n6分别为指数。

2.3 坝址断面溃坝流量过程线

溃坝流量过程线可以概化为4次抛物线型或2.5次抛物线型，即当溃坝初瞬流量陡增至Qmax时，在短时间内流量迅速降为溃坝前入库流量Q0所形成的下凹曲线。在工程中，多选择4次抛物线型。其具体工作流程是先拟定过程线总历时T，再验算过程线与Q=Q0直线间的水量是否等于溃坝库容。如果不相等，则需要调整T值，直到二者相等为止。

3 计算方案的选取和结果分析

3.1 计算方案

方案Ⅰ溃坝条件：瞬时全溃，库水位取校核洪水位，即203.93 m；溃口底部高程为122 m；下泄库容为3.47×108 m3；溃口宽度取坝址断面平均河谷宽度，约为165.5 m；水库上游来流量取与校核洪水位对应的洪峰流量，即12 400 m?/s。

方案Ⅱ溃坝条件：瞬时部分溃，库水位取校核洪水位，即203.93 m；溃口底部高程为163 m；下泄库容为2.94×108 m3；溃口宽度取坝址断面溃口底部以上平均河谷的宽度，约为220 m；水库上游来流量取与校核洪水位对应的洪峰流量，即12 400 m?/s。

方案Ⅲ溃坝条件：瞬时全溃，库水位取设计洪水位，即201.19 m；溃口底部高程为122 m；下泄库容为3.47×108 m3；溃口宽度取坝址断面平均河谷宽度，约为165.5 m；水库上游来流量取与设计洪水位对应的洪峰流量，即6 640 m3/s。

方案Ⅳ溃坝条件：瞬时部分溃，库水位取设计洪水位，即201.19 m；溃口底部高程为163 m；下泄库容为2.665×108 m3；溃口宽度取坝址断面溃口底部以上平均河谷宽度，约为220 m；水库上游来流量取与设计洪水位对应的洪峰流量，即6 640 m3/s。

3.2 结果分析

溃坝流量计算结果详见表1，4种方案溃坝流量过程线如图1、图2、图3、图4所示。

由表1可知，通过计算4种方案的相关值，可得到坝址处溃坝峰值流量和下泄库容放空用时。方案Ⅰ溃坝峰值流量最大，方案Ⅳ溃坝峰值流量最小，方案Ⅱ下泄库容放空用时最长，方案Ⅲ下泄库容放空用时最短。

由图1、图2、图3、图4可知，在4种溃坝条件下，在分析坝址断面处溃口流量过程线的变化时，并没有考虑到岸边溢洪道、新老泄洪洞对溃口流量过程线的影响，而溃口流量在溃坝初迅速达到了溃坝峰值流量Qmax，之后又随时间迅速展平，最后达到溃坝前入库流量Q0.比较图1和图3可知，坝前水头越高，溃坝洪水波携带的重力势能就越高，溃坝峰值流量就越大，破坏能力就越强。

4 结论

磨子潭水库多年平均径流量为17.6 m?/s，历年最大洪峰流量为9 350 m?/s，大坝采用千年一遇的校核标准，与其对应的流量为12 400 m?/s。当水库遇到入库洪水量超过设计洪水量或是其他突发情况，比如地震、战争等时，存在一定的溃坝风险。即使方案Ⅳ的溃坝峰值流量为66 039 m?/s，其真正流量也远大于设计流量。

文中溃口流量过程线的计算中并没有考虑到溃口形成过程对其的影响，但是，在“最不利，最可能”的原则下，这种计算方式也是比较合理的，它能满足工程的实际需要。在此过程中，较为准确的溃口流量过程线的计算方法对计算溃坝洪水波演进、分析溃坝风险、制订地区应急预案是非常有利的。因此，后续探寻较为准确的溃口流量过程线计算方法是很有必要的。

参考文献

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〔编辑：白洁〕