堰塞湖抢险处理泄流水力学演算及实践

1、堰塞湖控制泄流水力学演算及实践【主题词】：堰塞湖 控制泄流 水力学 演算及实践【摘要】：堰塞湖溃坝有突发性、难以预控性等特点，发生溃坝后将对其下游人民生命、财产造成严重损害，本文提出采用控制泄流方式预控堰塞湖溃坝，并通过验算和实践，有效进行了多座堰塞湖控制泄流，降低或避免对其下游造成严重损害。1.堰塞湖溃坝简化水力计算理论依据溃坝水力计算方法，经过人们长期的努力，无论在数值模拟、物理实验以及现场观测等方面都取得不少成果。1.1 基于美国天气局推荐的溃坝简化计算模型(SMPDBK)考虑到堰塞湖处理的特殊性，结合美国天气局推荐的溃坝简化计算模型(SMPDBK)。这一模型不但计算简便，而且有足够精度

2、估算出堰塞湖溃坝最大流量和下游最大水深，同时能够进行下游河段洪水演算。是当前国际上公认的好模型，并具有一定意义的。一般溃坝水力计算需要的主要因素有：坝高、最大蓄水量、溃决的时间和溃决断面的形状与尺寸，这些因素的估算，大致可以参考表1.1-1经验数据。表1.1-1 堰塞湖溃坝时的参数确定范围值单位说 明附 注Hm溃口深度坝高B(或b)m最终溃口宽度(1)土坝一3×溃口宽度(2)砼重力坝一l/41/2坝长(3)拱坝总坝长tmin溃坝历时(1)土坝0.54小时(2)砼重力坝0.10.5小时溃决时的库水位(1)土坝-H/3或超出坝顶O.31.5m(2)砼坝超出坝顶315m1.1.1 堰塞湖溃

3、坝最大流量QM和最大水深hM的确定（1）堰塞湖溃坝最大流量QM的确定：堰塞湖溃坝流量的计算与坝溃决时间有关，坝溃决过程分瞬间全溃和局部渐溃两种，两者可以近似用0.1小时作为判别界限。 瞬间全溃通过溃口最大泄流量QBM(m3/s)，可用下式计算：QBM= Imb*（2g）1/2 H3/2 (m3/s) 1-(1)式中：b-溃口平均宽度(m)；H-溃口处溃决水头(m)：m一宽顶堰流量系数，取下泄流量为最大时，m=0.385；I= (In×Iv)一系数，考虑溃决时溃口的几何特性、尺寸和行近流速的影响。其中：In=1-0.5467(b/B)(1+µ)+O.2989(b/B)2(1+

4、µ)2-O.1634(b/B)3(1+µ)3 +0.0893(b/B)4(1+µ)4-0.0486(b/B)5(1+µ)5和Iv=1+O.15(b/B)2(1+µ)2-0.08(b/B)3(1+µ)3； 1-(2)B一坝顶处河谷宽度；µ-河道拟合系数，确定方法于后详述。 局部渐渍按照水量平衡原理，短暂时间内水库蓄水量的减少应等于溃口处下泄的水量，同时假定溃决时间T内水库水面面积不变，则0Yfdh=0tQdT 1-(3)式中：h一库水位瞬时消落值；Yf-库水位在溃坝历时T时的变化值；Q一瞬时流量(m3/s)；可用宽顶堰流公式表

5、示：Q=mb（2g）1/2 h3/2 1-(4)式中：h一瞬时水头。为了便于积分，按图1的决口示意图，找到关系式为：H=(HT-hb)-hd 1-(5)并令H=1/K(HT-hd) 1-(6)式中：K一经验系数，韦特莫尔等应用美国天气局精度高的DAMBRK溃坝模型验证求得K=3,取m=0.385，又设hb=HT-Yf，把这些数值带入式(3)，积分后结果得：T=3.52/b(1/hb1/2-1/HT1/2 ) 1-(7)设M=3.52b代入式(7)整理后得到：hb=Hmax=M/(T+M/HT1/2 )2 1-(8)把式(8)代人式(4)得溃坝最大流量为： QM=QBM=1.705bM(T+M/

6、HT1/2)3 (m3/s) 1-(9)如果坝区尚有其它泄流建筑物时，也要在最大泄流量中加上通过其它泄流建筑物的泄流量(m3/s)。1.1.2 最大水深hM的确定最大水深指的是紧靠坝下游处的水深hM，与下游河道断面形状有关。一般近似为抛物线，断面到一定高程以上两岸或为漫滩草林。或为雕岸石壁，所以可假设一参考水深hv，划分断面为两部份：h>hv时，断面视为矩形；b<hv断面为抛物线形。顶宽B=ahµ，面积= ah1+µ/(1+µ)，系数a和µ均为水道拟合，可用最小二乘法计算，µ= n i=1 (1oghi)( logB,i)一n i=

7、1 (1oghi)n i=1 (1oghi)n i=1 (logBi)/nn i=1 (1oghi)2-n i=1 (1oghi)2/n) 1-(10) loga=n i=1 (logBi) /n-µn i=1 (1oghi)/n 1-(11)从而a=10(loga) 1-(12)上面式中：hi一河道断面上第i个水深值(i=1，2，n)。当参数a、µ确定后，便可求出相应于hv的Qv，与堰塞湖溃坝最大泄流量Qmax比较，以判定出最大水深hM>hv(或<hv)，从而确定紧靠坝下游的hmax。Q可用水力学的均匀流公式计算： Qv=I1/2/na(1+µ)5/

8、3hv(µ+5/3) 1-(13)式中：I一河道底坡，n一糙率。如果Qv<Qmax(hv必大于hmax)，则hmax=Qmax/1/(u+5/3) 1-(14)式中：=I1/2n×a(1+µ)5/3 如果Qv>Qmax(hv必小于hmax)，则hmax=Qmax3/5µ/(1+µ)hv 1-(15)式中=1/(1+µ)5/3hvµ5/3由于尾水有影响溃口最大出流，必须迭代进行淹没修正，如果计算的最大出流水深hmax>0.67H，H一溃口上水头，在溃口历时为T时刻的H有式(8)的关系，修正系数由下式进行计算：

9、Kn=l-27.8(hmaxH-0.67)3 1-(16)以Kn值代人下式即可得到平均淹没修正系数：Kn=(Kn +Kn-1)/2 1-(17)式中上角标n为迭代次数，首先选用Kn-1=1迭代，在有些情况下，计算修正系数Kn可小于0.8，此时就采用O.8，以避免第一次迭代就因淹没而损失过多。用修正系数计算溃口的修正出流如下式：QBn=Kn+QBn-1 1-(18)式中：QBn-1 =Qmax供第一次迭代。然后，将QBn与Qv比较，用式(15)和（16)计算新的出流水深hmaxn因为通过溃口的流量减少，库水位也下降小了，所以，必须按下式重新计算溃口上水头H：Hn= Hn-1+(QBn-1-Q B

10、n)T2 1- (19)此时应用式(17)以两个新值之比(即hmaxnHn)来计算新的淹没修正系数。计算出的最大溃口流量与式(18)前一次迭式计算的流量相差±5，尚需重新迭代。K值收敛并可获得可能淹没影响合适的QB值。1.1.3 堰塞湖溃坝下游洪水演进有了坝趾下游堰塞湖溃坝的流量和水深，为坝下游洪水演进计算提供依据，即通过计算能够得习坝下游某断面的洪峰流量和水深，以及洪波到达的时间。计算方法是利用预先制就的一套无量纲曲线，同已知条件求出的量大流量，再据有关公式求最大水深。在引用制就的一套无量纲曲线，首先要确定特定的演算参数。、距离参数Xc,如坝高H<hv，则：Xc= (1+&#

11、181;)a(V/H1-µ)6(1+4×0.51+µ) 1-(20)如果坝高H>hv，则：Xc= 6V3ahvµ3H-5µhv/(µ+1) 1-(21)式中：Xc一距离参数；H一坝高(m)；V- 水库容积(m3)。、坝下辨某断面水深hx由于洪水波在运动过程中的衰减作用，在坝下游X处水深hx 是最大水深hmax的函数待求。令h=(hmax+hx)/2=hmax 1-(22)可作逼近法求得hx，因计算是从紧靠坝下游断面开始，系数可先设为0.95。、佛汝得数F按佛汝得数F的定义可写出 F= V/(gd) 1/2 1-(23)式中：V一

12、断面平均流速，可用满宁公式：V=1nI1/2 D2/3求之;D一平均水力深度当Qmax<Qv时， D=hmax/（1+µ） 1-(24)当Qmax>Qv时， D=hmax-hv+hv/（1+µ） 1-(25)、无因次容积参数V从定义一水库库容V与Xc范围内水流体积AcXc之比可知：V= VAcXc 1-(26)式中：V水库库容(m3)；Ac一相应于Xc处断面面积。当Qmax<Qv时， Ac=(ahmax)µ D 1-(27)当Qmax>Qv时， Ac=hvµ D 1-(28)当F及Vn为已知。引用无量纲曲线定出某一张某一曲线后，在

13、攒坐标Xn=1处，找到无量纲曲线上的纵坐标Qn。从而得剜Qx值。当Qv>Qx，hx用式(15)求得,当Qv<Qx，hx用 (16)求得，这样可以由式(22)转化核算，如果核算得的值与原假设的相差>±5，则应利用式(24)(25)(26)(27)(28)和式(15)(16)(22)重算。这样正确的演进参数确定后，坝下游某一断面的洪蜂流量可由无量纲曲线求得，洪水位可用式(15)(16)求得。、洪水波到达时问tn 在距坝址为x 处洪水渡到达时间为：tn=-Xc/C 1-(29)式中：一溃坝历时，C一洪水波速由是C=V(5+3µ)3(1+µ) 1-(30

14、)式中：V一流段平均流速，取Xc/2处用均匀公式计算： V=I1/2/n(Dx)2/3 1-(31) 式中：Dx一Xc2处的平均水力深度。如果hx<hv时，则Dx=hx(1+ µ)如果hx>hv时，则Dx=hx+hx(1+ µ)hx可由无量纲曲线上找hn=O.5的流量值，再用式(15)(16)确定。、无量纲演算曲线无量纲演算曲线是美国国家天气局研制DAMBRK模型时用四点带权隐式美分格式解圣·维南方程组通过大量运算工作获得的演算工作图，在应用上非常方便，因此在堰塞湖溃坝简化水力计算引引用这套无量纲演算曲线，既提高了精度，又省去许多烦琐的计算，并且又是现

15、成的工作曲线图。无疑是对堰塞湖溃坝水力计算的简化是十分有利的。关于简化水力计算的精确性，最大误差约为10左右，与动力模型(DAMBRK)比较，通过美国明尼苏达州一高为l5m的水坝渍决情况，进行计算，最大误差为10-15，从而可以比较无论是计算洪峰流量或洪水位，简化水力模型计算结果都比动力模型大些，是偏于安全。另一优点是下持演注引用了一套无量纲曲线。喊有以动力方程为基础的演算成果，提高了成果的精确性。1.2 基于经验公式简化计算模型计算常规的堰塞湖溃坝计算需要复杂的微分方程解算，难以普及计算。然而，一般堰塞湖溃坝计算精度要求并不太高，用溃坝简化计算方法基本可满足要求。1.2.1 堰塞湖溃坝缺口宽

16、度b估算根据黄河水利委员会的经验公式：b=0.1KW1/4B1/4H1/2     1-(32)  其中:W为堰塞湖溃坝时的蓄水量，m3；B为主坝长度,m；K为堰塞湖溃坝流量经验计算系数，粘土类坝体取0.65，壤土类坝体取1.30，H为堰前水头或最大坝高,m。1.2.2 堰塞湖溃坝最大流量Qmax估算  采用肖克列奇公式Qmax=（8/27）g1/2（B/b）1/4 bH03/2  1-（33）  其中：H0为水库坝前淤积面以上水深，g为重力加速度取9.8。1.2.3 水库堰塞湖溃坝演

17、进沿程最大流量Ql估算采用公式：Ql=W/ (W/Qmax)+(L/(VmaxK)  1-(34） 其中：L为控制断面（下游控制破坏流量下线位置）到水库坝址的距离，m；K为经验系数（山区取1.11.5，丘陵取1.0，平原取0.80.9）；Vmax为特大洪水最大流速（无资料时：山区取3.05.0，丘陵取2.03.0，平原取1.02.0，m/s）。1.2.4 堰塞湖溃坝洪水传播时间  堰塞湖溃坝之后，堰塞湖溃坝洪水多长时间会到达下游各个断面对防汛十分重要，堰塞湖溃坝洪水比一般洪水的传播要快得多，其波速在坝址附近最大，距坝址越远，波速削减愈快。黄河水利委员会水

18、科所根据实验求得堰塞湖溃坝洪水起涨时间简化计算公式如下：t1=k1(L1.75(10-h0)1.3)/W0.2H00.35   1-(35）式中：h0-下游计算断面基流平均水深,m；   t1-下游计算断面堰塞湖溃坝洪水起涨时间,s；     k1-为经验系数，取值区间：0.650.75 ；一般可取平均数0.70。  需要指出的是，下游计算断面起涨时间的堰塞湖溃坝洪水流量并不是该断面的最大堰塞湖溃坝洪水流量，最大堰塞湖溃坝洪水流量到达时间t2要比起涨时间t1滞后，其简化计算公式如下：t2=k2L1.4/(

19、W0.2H00.5hm0.25)         1-(36）式中：k2-为经验系数，取值区间：0.81.2；     hm- 最大流量时的平均水深,m；因hm值的计算需要水位流量关系曲线。2.堰塞湖溃坝简化水力计算案例分析采用经验公式以绵远河小岗剑堰塞湖为例进行计算。2.1 案例基本情况5月12日，四川汶川发生8.0级特大地震，造成绵竹市汉旺镇绵远河上游多处山体坍塌形成堰塞湖，对下游人民生命、财产造成严重威胁，尤其是小岗剑水电站上游形成高63m、长105m（上下游）、宽173m（左右

20、岸）的堰塞体（主坝宽70m），且堰塞体含泥量达到70%左右，存在溃坝的可能性。绵远河上游河床来水量13m3/s，该处堰塞湖湖水位以4m/d的速度上涨，库容量以50万m3/d的速度增加，截止6月10日，库水位已上涨60m，库容量已达1000万m3。库水位和库容量的不断上涨，上游淹没范围不断扩大，对库区内的抢险救灾及灾后重建带来严重影响；同时库水位不断上涨加剧了溃坝的风险，一旦发生溃坝将直接对其下游的汉旺镇、绵竹市乃至德阳市人民生命、财产带来严重损失，其危害程度不可估量，其后果不堪设想。根据抗震救灾指挥部要求，6月10日晚，由武警水电三总队采用爆破方式沟槽泄流进行处理，要求有效控制下泄流量，在确保

21、下游汉旺镇人民群众生命财产安全的情况下，尽快放空湖水，为绵远河汛期安全度汛创造条件。2.2 参数计算2.2.1 溃坝缺口宽度b计算公式：b=0.1KW1/4B1/4H1/2，计算结果见表2.2-1。  表2.2-1 全溃坝至1/4溃坝情况溃口宽度计算表全溃情况：序号参数意义单位数值计算结果修正1K系数0.90 113.39 702W下泄库容m310000000.00 3B坝长m70.00 4H坝高m60.00 2/3溃坝情况：序号参数意义单位数值计算结果修正1K系数0.90 83.66 702W下泄库容m36666666.67 3B坝长m70.00 4H坝高m40.00 1/2溃坝情

22、况：序号参数意义单位数值计算结果修正1K系数0.90 67.42 2W下泄库容m35000000.00 3B坝长m70.00 4H坝高m30.00 1/3溃坝情况：序号参数意义单位数值计算结果修正1K系数0.90 49.75 2W下泄库容m33333333.33 3B坝长m70.00 4H坝高m20.00 1/4溃坝情况：序号参数意义单位数值计算结果修正1K系数0.90 40.09 2W下泄库容m32500000.00 3B坝长m70.00 4H坝高m15.00 2.2.2 溃坝最大流量Qmax计算公式Qmax=（8/27）g1/2（B/b）1/4 bH03/2 ，计算结果见表2.2

23、-2。 表2.2-2 全溃坝至1/4溃坝情况最大泄流量计算表全溃坝情况:序号参数意义单位数值计算结果备注1g系数9.80 28095.06 2B坝长m70.00 3b溃口m70.00 4Ho水深m60.00 2/3溃坝情况:序号参数意义单位数值计算结果备注1g系数9.80 15293.01 2B坝长m70.00 3b溃口m70.00 4Ho水深m40.00 1/2溃坝情况:序号参数意义单位数值计算结果备注1g系数9.80 9657.76 2B坝长m70.00 3b溃口m67.42 4Ho水深m30.00 1/3溃坝情况:序号参数意义单位数值计算结果备注1g系数9.80 4184.93

24、 2B坝长m70.00 3b溃口m49.75 4Ho水深m20.00 1/4溃坝情况:序号参数意义单位数值计算结果备注1g系数9.80 2312.08 2B坝长m70.00 3b溃口m40.09 4Ho水深m15.00 2.2.3 溃坝演进沿程最大流量Ql计算公式：Ql=W/ (W/Qmax)+(L/(VmaxK)，计算结果见表2.2-3。表2.2-3 全溃坝至1/4溃坝情况演进最大泄流量计算表全溃坝情况：序号参数意义单位数值计算结果备注1K系数1.40 2W下泄库容m310000000.00 4001.93 3Qmax最大流量m3/s28095.06 4L控制距离m15000.00 5Vma

25、x最大流速m/s5.00 2/3溃坝情况：序号参数意义单位数值计算结果备注1K系数1.40 2W下泄库容m36666666.67 2585.20 3Qmax最大流量m3/s15293.01 4L控制距离m15000.00 5Vmax最大流速m/s5.00 1/2溃坝情况：序号参数意义单位数值计算结果备注1K系数1.40 2W下泄库容m35000000.00 1879.29 3Qmax最大流量m3/s9657.76 4L控制距离m15000.00 5Vmax最大流速m/s5.00 1/3溃坝情况：序号参数意义单位数值计算结果备注1K系数1.40 2W下泄库容m33333333.33 1134.0

26、3 3Qmax最大流量m3/s4184.93 4L控制距离m15000.00 5Vmax最大流速m/s5.00 1/4溃坝情况：序号参数意义单位数值计算结果备注1K系数1.40 2W下泄库容m32500000.00 775.40 3Qmax最大流量m3/s2312.08 4L控制距离m15000.00 5Vmax最大流速m/s5.00 2.2.4 溃坝洪水传播时间计算公式：t2=k2L1.4/(W0.2H00.5hm0.25)，计算结果见表2.2-4。 表2.2-4 全溃坝至1/4溃坝洪水传播时间计算表全溃坝情况：序号参数意义单位数值计算结果(S)备注(min）1K2系数1.20 2

27、200.95 36.68 2L控制距离m15000.00 3hm下游水深m15.00 4W下泄库容m310000000.00 5Ho上游水深m60.00 2/3溃坝情况：序号参数意义单位数值计算结果(S)备注(min）1K2系数1.20 3235.17 53.92 2L控制距离m15000.00 3hm下游水深m10.00 4W下泄库容m36666666.67 5Ho上游水深m40.00 1/2溃坝情况：序号参数意义单位数值计算结果(S)备注(min）1K2系数1.20 4183.91 69.73 2L控制距离m15000.00 3hm下游水深m8.00 4W下泄库容m35000000.00

28、5Ho上游水深m30.00 1/3溃坝情况：序号参数意义单位数值计算结果(S)备注(min）1K2系数1.20 7298.36 121.64 2L控制距离m15000.00 3hm下游水深m5.00 4W下泄库容m33333333.33 5Ho上游水深m14.67 1/4溃坝情况：序号参数意义单位数值计算结果(S)备注(min）1K2系数1.20 9612.09 160.20 2L控制距离m15000.00 3hm下游水深m2.00 4W下泄库容m32500000.00 5Ho上游水深m15.00 2.3 计算结果分析根据对绵远河及其下游工业重镇汉旺镇历年来水文资料调查，汉旺镇抗洪能力为50年

29、一遇，相应流量为3000m3/s，并且在小岗剑下游观音岩还有一处小型堰塞湖尚未彻底处理完成，小岗剑出现溃坝后洪水到达观音岩将造成该处堰塞湖溃坝，造成洪峰叠加。根据以上情况，结合计算结果，经研究分析认为，小岗剑需进行控制爆破泄流，不能出现全溃坝现象，因控制在2/3溃坝比较合理。若能控制在2/3溃坝将对汉旺镇、下游金鱼嘴电站及沿线主要村庄不会造成威胁。2/3溃坝，溃口宽70m（河床段主坝基本溃掉），坝下游下泄最大流量15293.01m3/s，到达汉旺镇最大洪峰流量为2585.2m3/s，洪峰到达汉旺镇时间为出现溃坝后54分钟。3.堰塞湖爆破泄流控制参数验算3.1 水力参数堰塞湖爆破泄流水力参数主要控制下泄最大流量、控制断面最大流量、洪水到达时间。以小岗剑为例，因受汉旺镇最大防洪能力影响，坝址处最大下泄流量应控制在15300m3/s以内，控制断面汉旺镇最大通过流量因控制在3000m3/s以内，为便于下游部分受影响群众及时被疏散，洪峰到达汉旺镇时间因在50分钟以上。3.2 爆破参数根据控制水力参数，爆破应控制爆破块石粒径、泄槽宽度和深度。泄槽宽度和深度在后续爆