土石坝溃坝影响范围浅析

袁昌龙

摘要：土石坝是国内外使用最广泛的坝型，也是大坝工程建设历史上应用最广泛，发展最快的一种坝型。在数量众多的土石坝中，具有防洪功能的大坝占总数的六成以上，因此大坝的稳定与否直接关系着下游人民群众的生命财产安全，对下游城镇的政治、经济、社会影响较大。洪水影响范围的确定对下游社会的经济发展意义重大，本期就土石坝溃坝后对下游的影响范围确定作浅析。

关键词：土石坝；溃坝，影响范围

溃坝影响区主要是大坝下游地区，可根据下游河道走向初步判断影响区范围，要确定具体的洪水影响区还要进行溃坝洪水分析计算，得出洪水到达某个断面时淹没的水深，推算洪水淹没高程，为人员的应急转移安置提供理论参考。洪水溃坝分析计算应从大坝的溃口宽度、坝址处的流量、溃坝洪水过程线分析、坝址最大流量沿程演进、洪水传播时间过程具体确定洪水的淹没高程。

土石坝溃坝的原因主要是坝体失稳，坝体失稳主要是通过洪水漫顶、基础或大坝管涌、渗漏引起的。溃口的形态主要通过近似假定来确定。根据假定的不同溃坝形式与不同频率洪水的组合，即可制定不同的溃坝计算方案。目前计算溃坝洪水的水力学模型较多，所采用的计算方法和经验公式繁多，但对溃坝决口形式的描述比较一致。

本次以贵州省兴义市兴西湖水库为模型进行溃坝计算，分析水库溃坝的影响范围。兴西湖水库位于贵州省黔西南州兴义市西北部，兴西湖水库建于1956年，大坝位于珠江流域南盘江支流马别河的右岸一级支流纳灰河上游河段，处东经 104°47′～105°02′、北纬 24°55′～25°04′之间，坝址以上集雨面积34.00km?，为均质土坝，坝顶高程1419.50m，最大坝高42.10m，坝顶宽6.00m，坝顶长176.00m，坝顶设0.90m高的浆砌块石防浪墙。水库校核洪水标准为1000年一遇（P=0.1%），相应水位1419.30m，对应库容2720.00万m?；设计洪水标准为50年一遇（P=2%），主汛期防洪限制水位1416.00m，相应库容2200.00万m?，死水位1397.40m；调洪库容520万m?，防洪库容405万m?，兴利库容2280万m?，死库容390万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。放水管设置于土坝廊道中，长度为109.50m，为钢筋砼管，管长195.00m，内径0.80m，进水口底板高程1379m。水库下游河道从上游到下游分经过坝口、洒金、贵州醇景区、万峰林景区、上纳灰，在落水洞进入伏流汇入万峰湖。

土石坝溃口计算最常用的有2种公式：

1 黄河水利委员会经验公式

公式1

式中b为溃口宽度（m），W为总库容（万m?），B为溃坝时坝前水面线宽度或坝顶长度（m），H为最大坝高（m），K为经验系数，黏土取0.65，壤土取1.30。

2 铁道科学研究院经验公式

公式2

式中b为溃口宽度（m），W为总库容（万m?），K为经验系数，土石坝取1.19。

在大坝稳定设计计算模型中，水库达到校核水位时水库大坝仍然处于稳定状态，因此在计算时取总库容计算结果偏小。准确来说这个库容应该是坝顶高程对应的水库库容，但大多数水库从校核水位到坝顶高程的高差较小，这部分高差形成的库容占校核水位对应的百分比较小，几乎可以忽略不计。公式1计算的溃口宽度b=119.53m，公式2计算的溃口宽度b=115.67m，溃口宽度b取119.53m，溃口宽度b取119.53m。

在计算溃口处的最大流量Qm时，可分为三种情况进行分析，即坝体瞬间全垮、坝体瞬间垮掉部分且部分一溃到底、坝体瞬间局部垮掉，剩余残坝坝高按死水位计算。

（1）坝体瞬间全垮时，采用圣维南公式进行计算：

公式3

式中；Qm—溃坝时坝址处最大流量（m?/s）；H0—溃坝前的坝前水深（m），42.1m；B—坝顶长度（m），208m。Qm＝8÷27×208×9.80.5×42.11.5=

52701.84m?/s

（2）坝体瞬间垮掉部分且部分一溃到底时：

根据大坝形状来看，按上述计算溃口宽度119.53m一溃到底，几乎相当于全垮状态，故此种工况溃口宽度采用59.77m计算。

采用肖克利契公式进行计算：

公式4

Qm=8/27×9.80.5×（208/59.77）0.25×59.77×

42.11.5=20683.18 m?/s

（3）坝体瞬间局部垮掉，剩余残坝坝高按死水位计算：

公式5

h—残余坝高（m），取20m（死水位到基底高度）。Qm=8512.97m?/s

不同溃坝情况下水库坝址断面溃坝最大流量成果见下表。

瞬间全溃流量过程线与Qm、Q0及W有关，其水量平衡方程为：

公式6

式中：W 为溃坝前水库的蓄水量；Q0 为溃坝前下泄流量，量级差距较大，可忽略；Qm为溃坝洪峰流量。计算上述三种不同溃坝总历时T：

T=5×2720×104/52701.84=2580.56s（坝体瞬间全垮时）

T=5×2720×104/20683.18=6575.39s（当瞬间局部溃坝且一溃到底时）

T=5×2720×104/8512.97=15975.63s（当瞬间局部溃坝时）

洪水到达下游断面时的洪峰流量按以下经验公式计算：

公式7

式中：Qm為溃口处洪峰流量，m；W为可泄水量（溃坝库容），2720万m?；L为计算断面距坝址的距离，m；Vc为河道洪水期断面最大平均流速，若无资料，一般山区可采用3～5m/s，半山区2.0～3.0m/s，平原地区1.0～2.0m/s。水库位于山区，本次计算取4m/s，K为经验系数，山区可采用1.1～1.5，半山区1.0，平原区0.8～0.9，本次计算取1.2。

根据兴西湖水库下游河道的走向及下游地形，判断下游影响区主要为沿河两岸的村寨，从上游到下游分别是坝口、洒金、贵州醇景区、万峰林景区、上纳灰。各村寨距离坝址的距离从1∶10000地形图上测得，通过公式7计算得出兴西湖水库溃坝洪水到达下游各断面的最大流量见表2。

兴西湖溃坝后，洪水主要沿着纳灰河河道走向，冲刷纳灰河两岸的农田和建筑物，洪水先后流经坝口，长堂到达风洞，沿风洞向南威胁洒金、贵州醇景区及下五屯部分街道，经过阳光盆景园到达万峰林景区北门，顺势而下，威胁万峰林景区内的村寨，经过鱼陇、将军桥、上纳灰、下纳灰，到落水洞进入伏流，洪水最后流入万峰湖。

按照黄河水利委员会水利科学研究所（1977）根据试验结果，求得溃坝洪水传播时间，公式如下

洪水起涨时间：

公式8

最大洪峰流量到达时间：

公式9

洪水消落时间： 公式10

式中时间单位均为s：

k1为系数，k1=（0.63～0.73）×10-3，取0.68×10-3；k2为系数，k2=0.8～1.2，取1.0；hm为洪峰流量时的平均水深，即与Qm相应的平均水深；

根据以上公式计算水库溃坝洪水到达各断面时间，计算结果见下表3。

洪水达到下游时的淹没深度按照大坝全溃时洪水延程演进流量来计算，即：

公式11

式中：h为淹没深度，m；Qlm为全溃时大坝洪水延程演进流量，m?/s；水库位于山区，本次计算VC取4m/s。

L为计算断面的平均长度，m。

通过计算洪水达到下游时的淹没水深，得到洪水的淹没高程，进而绘制出洪水溃坝风险图，在应急抢险中起到指导性作用。鉴于圣维南方程存在的局限性，加上溃坝洪水的变化过程复杂，在分析溃坝洪水时应根据实际情况合理取值，并结合实际应急抢险情况，合理安排抢险任务。

参考文献

[1] 陈庆龙.土石坝溃坝分析与防治[J].建筑工程技术与设计，2018（4）：2429.