混凝土坝瞬溃对水库水力学研究

张晓刚

(大石桥市水利事务中心，辽宁 大石桥 115100 )

1 概 述

随着国家科学技术的发展，我国在水利工程领域的发展也是飞速进行，大批水利工程的修建改善了河道的水利通航、水力发电、生态环境改善。但随着大坝修建的年限增长，大坝老化及受到自然灾害的冲击都有可能发生溃决。目前，研究溃坝主要有物理模型试验和数值模拟计算，对比物理模型试验，数值模拟相对可重复性强、节约成本、反演程度高[1]。

目前，溃坝洪水计算模型是水力学分析溃坝发生的重要工具，一直备受国内外学者的广泛关注和引用，许多学者对这一问题进行了大量的研究[2-3]。如唐友一通过分析研究得出溃坝溃口瞬时的最大流量 、流量过程线的简化计算方法，适用于河道型水库、湖泊水库的溃坝计算。谢任之[4]通过公式推导给出瞬时全溃、局部溃、逐渐溃的溃坝坝址峰值流量计算“统一公式”，并给出相应的流量参数表。王立辉讨论了梯级水库同时溃和相继溃、底坡等因素对溃坝波在河道传播的影响程度。因此在前人研究的基础上，本文主要通过Flow-3d建立数学模型研究混凝土坝瞬溃的上下游水位、流量变化，以期得到较为可靠的水力学参数，并为混凝土坝瞬溃提供重要的参考基础。

2 试验设计

2.1 数学模型建立

通过CAD建立混凝土坝的几何模型，通过Flow-3d进行模型的验证。根据图1所示，分别设置上游、溃口、下游3处水位波动模拟点，坝高50 m，假定溃口尺寸30×50 m，溃口位于坝体中心溃决条件为坝前水位50 m漫顶溃决，下游水位10 m。

图1 模型布置图

2.2 模型验证

2.2.1 溃决方式

通过建立的数学模型以漫顶溃坝进行模型的验证，即上游水位H=50 m，下游水位H=10 m，预设溃口整体坝高50 cm，假定溃口尺寸30×50 m，具体见图2。

图2 溃口瞬时溃决方式

2.2.2 溃口流速验证

由图3可知，溃口流速的实验值与模拟值在验证的20 s时间内吻合度很高，两者差异小，最大误差为1.2%。数学模型建立的准确可靠，可以作为本文研究的理论基础。

图3 溃口水位对比图

3 混凝土坝瞬溃的数值模拟

3.1 上下游水位

数值模拟混凝土坝瞬溃时，上游监测点在溃口1 m处，下游监测点在溃口3 m处，根据数值模拟结果绘出上下游水位波动图，见图4-图5。由图4和图5可知，在混凝土坝瞬溃的5 s之内上游水位在0.5 s左右时开始下降，在0.5～2 s水位下降缓慢，在第2 s骤然下降较快；下游水位在0.4 s时开始上骤然上升，在1.5 s左右上升到最高点H=30 m，在2.5 s之后缓慢波动水位稳定在H=15 m。

图4 上游水位过程线

图5 下游水位过程线

3.2 溃口流量

模拟溃口流量图见图6。

图6 模拟溃口流量图

根据数值模拟值可知，混凝土坝在瞬溃时流量是逐渐降低，在10 s内流量降低的缓慢，10～80 s下降较快，可见混凝土坝在瞬溃时候最佳的封堵时间为瞬溃的1 min之后，在此之前流量及流速较大，封堵难度大且危险。

4 结 论

1) 通过Flow-3d建立混凝土坝的瞬溃模型，根据验证结果可知计算快捷方便、准确可靠，可以计算类似的水力学发生过程，为试验提供相验证的数据。

2) 计算混凝土坝瞬溃时上下游水位波动、溃口流量变化等水力学特性，可见在混凝土坝瞬溃时溃口的流速及流量较大，变化较快。因此，对于混凝土坝在瞬溃时应注重溃口上下游附近的流量、流速及水位的变化情况，采取相应的封堵和救援措施。