新疆洛浦县布尔库木水库溃坝洪水数值模拟

王 振

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

溃坝洪水具有突发性强、历时短、峰高量大、难以预测的特点，溃坝洪水突发事件是破坏力强、危害范围广、损失严重的突发事件。新疆洛浦县布尔库木水库位于灌区内部，为均质土坝小型水库，水库下游居民点、耕地密布，水库修建年代早、设计标准低、防洪能力差、管理不到位，一旦发生溃坝，将对下游造成极为严重的生命、财产损失。截至目前，国内外专家学者对土石坝水库溃坝洪水数值模拟方面取得了丰硕成果[1-6]。本文选用BREACH模型和简化计算法模拟布尔库木水库溃坝洪水，模拟计算成果可为水库突发洪水事件应急预案制定和风险评估提供技术支持。因此，开展水库溃坝洪水研究具有重要的现实意义。

1 工程概况

布尔库木水库位于新疆和田地区洛浦县多鲁乡境内，水库利用天然洼地筑坝而成，是一座以灌溉为主的引水注入式平原水库，水库水源为玉龙喀什河河水。坝址距离洛浦县多鲁乡政府约2.5 km，地理坐标为E80°16′08″，N37°5′45″。

布尔库木水库主要由大坝、放水涵洞、引水渠和放水渠组成。水库正常蓄水位1 324.98 m，正常蓄水位相应库容150×104m3；死水位1 323.00 m，死库容10×104m3；调节库容140×104m3。水库大坝为均质土坝，全长2 300 m，坝顶高程1 326.5 m，最大坝高4.18 m，工程为小(Ⅰ)型Ⅳ等工程，水库大坝为4级，地震设防烈度为Ⅶ度。

2 BREACH模型模拟成果

BREACH模型是由美国国家气象局Fread研制的一种有关土坝失事的模型，用来预测由管道失事或洪水漫溢引起的土坝/堆石坝溃口出流过程和决口大小。

2.1 水量平衡

BREACH模型采用水量平衡关系模拟水库水位的变化，公式如下：

(1)

其中：ΔH为计算时段内水库水位变化；Δt为计算时段，较小值；Sa为水面面积；Qi为水库入库流量；Qb为流经决口的宽顶堰流量；Qsp为溢洪道出流流量；Qo为流经坝顶宽顶堰流量。

2.2 溃口流量计算公式

漫顶溃口流量公式采用宽顶堰公式计算：

Qb=3Ab(H-hb)0.5(宽顶堰水流)

(2)

如果决口因管道失事所致，用短管、孔流方程代替宽顶堰水流方程，则：

Qb=Ab[2g(H-hb)/(1+fL/D)]0.5(孔流)

(3)

其中：Ab为水流所流过的堰或溃口的面积；hb为坝下游面决口底部高程；f为达西摩擦系数，取决于D50粒径；L为管道长度；D为管道直径或宽度。

2.3 决口宽度

决口最初可认为是宽度为B0的矩形，B0=BrY，Y是决口入口处的临界水深，Y=2/3(H-hb)。Br为无量纲因子，漫溢决口时Br为2，管道失事决口时Br为1。

有效决口深度超过临界水深dc发生坍塌，决口由原来的矩形可以变为梯形。

dc=4Ccosφsinθ′/[γ-γcos(θ′-φ)]

(4)

其中：C为土壤内聚性；Φ为坝料内部摩擦角；γ为土壤容重；θ′为坝坡坡脚。

坍塌引起的角度θ′减小到新角度，公式为：

θ′=(θ′+φ)/2

(5)

2.4 决口侵蚀

除侧面坍塌之外，假定决口侵蚀沿底部和侧面同时进行。一旦决口冲刷到规定的坝底，侵蚀只在决口侧面继续进行。决口侵蚀速度取决于水流输送侵蚀材料的能力。泥沙输送关系用下式表示：

(6)

其中：Qs为坝料冲蚀率；D90、D50、D30分别为小于或等于某粒径的沙重占总沙重90%、50%和30%的泥沙粒径；D为用曼宁方程求得的任一瞬时决口水流的水力深度；S为决口底部坡降,假定与坝下游面平行；P为决口总周长；n为曼宁系数；τc为产生侵蚀所必须超过的Shield临界剪切力。

在计算时间内，模型假设决口底部和两侧冲蚀率相等，底部和侧面产生的增量相等，计算公式如下：

ΔHc=QsΔt/PL(1-P)

(7)

其中：L为穿过大坝的决口长度；P为决口材料的孔隙度。

2.5 溃坝流量过程线

本次采用BREACH模型，对布尔库木水库溃坝洪水模拟，计算结束条件为大坝水位与溃口底部高程差小于0.1 m、溃口基本不再出流。经计算，坝址处最大溃坝流923 m3/s。

图1 布尔库木水库BREACH模型模拟溃坝洪水

3 简化计算法模拟结果

简化计算法为保守地利用地形与水文过程线资料和凭经验确定的溃决流量表达式，适用于坝高小于等于12 m的均质土坝[7]。

坝址处的最大溃坝流量Qm可以按下式计算：

Qm=2.5FV0.76H0.1

(8)

式中：Qm为最大溃坝流量，m3/s；F为简化评估特征参数，F=1.3；V为下泄水的总体积，103m3；H为最大水深，m。

布尔库木水库大坝为均质土坝，最大坝高4.18 m。从大坝坝高和材料类型方面考虑，可采用简化计算公式计算最大溃坝流量。经计算，布尔库木水库大坝坝址处溃坝洪水洪峰为955 m3/s。

4 两种模拟的分析比较

1) BREACH模型模拟坝址最大溃坝流量923 m3/s，简化计算法计算最大溃坝流量955 m3/s，两者相差较小，仅3.5%。

2) BREACH模型模拟结果为溃坝洪水过程线，为完整的溃决流量过程，可分析最大溃坝流量出现时间。但需综合水利学、泥沙、土力学等学科知识，参数多，计算过程复杂，在资料具备条件下，应尽量采用BREACH模型。

3) 简化计算公式模型简单，未考虑实际溃坝机理，仅能计算坝址最大溃坝流量。但所需计算参数少，计算简单，在资料缺乏条件下，可采用该方法进行初步计算及突发情况应急估算。

5 结 论

BREACH模型和简化计算法均能进行布尔库木水库溃坝模拟，模拟成果可为制定水库突发洪水事件应急预案和风险评估提供技术支持，对其他均质土坝小型水库溃坝洪水模拟具有一定指导意义，但应根据水库资料情况合理选择计算模型。