1、堰塞湖控制泄流水力學演算及實踐【主題詞】：堰塞湖 控制泄流 水力學 演算及實踐【摘要】：堰塞湖潰壩有突發性、難以預控性等特點，發生潰壩后將對其下游人民生命、財產造成嚴重損害，本文提出采用控制泄流方式預控堰塞湖潰壩，并通過驗算和實踐，有效進行了多座堰塞湖控制泄流，降低或避免對其下游造成嚴重損害。1.堰塞湖潰壩簡化水力計算理論依據潰壩水力計算方法，經過人們長期的努力，無論在數值模擬、物理實驗以及現場觀測等方面都取得不少成果。1.1 基于美國天氣局推薦的潰壩簡化計算模型(SMPDBK)考慮到堰塞湖處理的特殊性，結合美國天氣局推薦的潰壩簡化計算模型(SMPDBK)。這一模型不但計算簡便，而且有足夠精度

2、估算出堰塞湖潰壩最大流量和下游最大水深，同時能夠進行下游河段洪水演算。是當前國際上公認的好模型，并具有一定意義的。一般潰壩水力計算需要的主要因素有：壩高、最大蓄水量、潰決的時間和潰決斷面的形狀與尺寸，這些因素的估算，大致可以參考表1.1-1經驗數據。表1.1-1 堰塞湖潰壩時的參數確定范圍值單位說 明附 注Hm潰口深度壩高B(或b)m最終潰口寬度(1)土壩一3×潰口寬度(2)砼重力壩一l/41/2壩長(3)拱壩總壩長tmin潰壩歷時(1)土壩0.54小時(2)砼重力壩0.10.5小時潰決時的庫水位(1)土壩-H/3或超出壩頂O.31.5m(2)砼壩超出壩頂315m1.1.1 堰塞湖潰

3、壩最大流量QM和最大水深hM的確定（1）堰塞湖潰壩最大流量QM的確定：堰塞湖潰壩流量的計算與壩潰決時間有關，壩潰決過程分瞬間全潰和局部漸潰兩種，兩者可以近似用0.1小時作為判別界限。 瞬間全潰通過潰口最大泄流量QBM(m3/s)，可用下式計算：QBM= Imb*（2g）1/2 H3/2 (m3/s) 1-(1)式中：b-潰口平均寬度(m)；H-潰口處潰決水頭(m)：m一寬頂堰流量系數，取下泄流量為最大時，m=0.385；I= (In×Iv)一系數，考慮潰決時潰口的幾何特性、尺寸和行近流速的影響。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一壩頂處河谷寬度；µ-河道擬合系數，確定方法于后詳述。 局部漸漬按照水量平衡原理，短暫時間內水庫蓄水量的減少應等于潰口處下泄的水量，同時假定潰決時間T內水庫水面面積不變，則0Yfdh=0tQdT 1-(3)式中：h一庫水位瞬時消落值；Yf-庫水位在潰壩歷時T時的變化值；Q一瞬時流量(m3/s)；可用寬頂堰流公式表

5、示：Q=mb（2g）1/2 h3/2 1-(4)式中：h一瞬時水頭。為了便于積分，按圖1的決口示意圖，找到關系式為：H=(HT-hb)-hd 1-(5)并令H=1/K(HT-hd) 1-(6)式中：K一經驗系數，韋特莫爾等應用美國天氣局精度高的DAMBRK潰壩模型驗證求得K=3,取m=0.385，又設hb=HT-Yf，把這些數值帶入式(3)，積分后結果得：T=3.52/b(1/hb1/2-1/HT1/2 ) 1-(7)設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)得潰壩最大流量為： QM=QBM=1.705bM(T+M/

6、HT1/2)3 (m3/s) 1-(9)如果壩區尚有其它泄流建筑物時，也要在最大泄流量中加上通過其它泄流建筑物的泄流量(m3/s)。1.1.2 最大水深hM的確定最大水深指的是緊靠壩下游處的水深hM，與下游河道斷面形狀有關。一般近似為拋物線，斷面到一定高程以上兩岸或為漫灘草林。或為雕岸石壁，所以可假設一參考水深hv，劃分斷面為兩部份：h>hv時，斷面視為矩形；b<hv斷面為拋物線形。頂寬B=ahµ，面積= ah1+µ/(1+µ)，系數a和µ均為水道擬合，可用最小二乘法計算，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)從而a=10(loga) 1-(12)上面式中：hi一河道斷面上第i個水深值(i=1，2，n)。當參數a、µ確定后，便可求出相應于hv的Qv，與堰塞湖潰壩最大泄流量Qmax比較，以判定出最大水深hM>hv(或<hv)，從而確定緊靠壩下游的hmax。Q可用水力學的均勻流公式計算： 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)，則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)，則hmax=Qmax3/5µ/(1+µ)hv 1-(15)式中=1/(1+µ)5/3hvµ5/3由于尾水有影響潰口最大出流，必須迭代進行淹沒修正，如果計算的最大出流水深hmax>0.67H，H一潰口上水頭，在潰口歷時為T時刻的H有式(8)的關系，修正系數由下式進行計算：

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沒修正系數：Kn=(Kn +Kn-1)/2 1-(17)式中上角標n為迭代次數，首先選用Kn-1=1迭代，在有些情況下，計算修正系數Kn可小于0.8，此時就采用O.8，以避免第一次迭代就因淹沒而損失過多。用修正系數計算潰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，將QBn與Qv比較，用式(15)和（16)計算新的出流水深hmaxn因為通過潰口的流量減少，庫水位也下降小了，所以，必須按下式重新計算潰口上水頭H：Hn= Hn-1+(QBn-1-Q B

10、n)T2 1- (19)此時應用式(17)以兩個新值之比(即hmaxnHn)來計算新的淹沒修正系數。計算出的最大潰口流量與式(18)前一次迭式計算的流量相差±5，尚需重新迭代。K值收斂并可獲得可能淹沒影響合適的QB值。1.1.3 堰塞湖潰壩下游洪水演進有了壩趾下游堰塞湖潰壩的流量和水深，為壩下游洪水演進計算提供依據，即通過計算能夠得習壩下游某斷面的洪峰流量和水深，以及洪波到達的時間。計算方法是利用預先制就的一套無量綱曲線，同已知條件求出的量大流量，再據有關公式求最大水深。在引用制就的一套無量綱曲線，首先要確定特定的演算參數。、距離參數Xc,如壩高H<hv，則：Xc= (1+&#

11、181;)a(V/H1-µ)6(1+4×0.51+µ) 1-(20)如果壩高H>hv，則：Xc= 6V3ahvµ3H-5µhv/(µ+1) 1-(21)式中：Xc一距離參數；H一壩高(m)；V- 水庫容積(m3)。、壩下辨某斷面水深hx由于洪水波在運動過程中的衰減作用，在壩下游X處水深hx 是最大水深hmax的函數待求。令h=(hmax+hx)/2=hmax 1-(22)可作逼近法求得hx，因計算是從緊靠壩下游斷面開始，系數可先設為0.95。、佛汝得數F按佛汝得數F的定義可寫出 F= V/(gd) 1/2 1-(23)式中：V一

12、斷面平均流速，可用滿寧公式：V=1nI1/2 D2/3求之;D一平均水力深度當Qmax<Qv時， D=hmax/（1+µ） 1-(24)當Qmax>Qv時， D=hmax-hv+hv/（1+µ） 1-(25)、無因次容積參數V從定義一水庫庫容V與Xc范圍內水流體積AcXc之比可知：V= VAcXc 1-(26)式中：V水庫庫容(m3)；Ac一相應于Xc處斷面面積。當Qmax<Qv時， Ac=(ahmax)µ D 1-(27)當Qmax>Qv時， Ac=hvµ D 1-(28)當F及Vn為已知。引用無量綱曲線定出某一張某一曲線后，在

13、攢坐標Xn=1處，找到無量綱曲線上的縱坐標Qn。從而得剜Qx值。當Qv>Qx，hx用式(15)求得,當Qv<Qx，hx用 (16)求得，這樣可以由式(22)轉化核算，如果核算得的值與原假設的相差>±5，則應利用式(24)(25)(26)(27)(28)和式(15)(16)(22)重算。這樣正確的演進參數確定后，壩下游某一斷面的洪蜂流量可由無量綱曲線求得，洪水位可用式(15)(16)求得。、洪水波到達時問tn 在距壩址為x 處洪水渡到達時間為：tn=-Xc/C 1-(29)式中：一潰壩歷時，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處用均勻公式計算： V=I1/2/n(Dx)2/3 1-(31) 式中：Dx一Xc2處的平均水力深度。如果hx<hv時，則Dx=hx(1+ µ)如果hx>hv時，則Dx=hx+hx(1+ µ)hx可由無量綱曲線上找hn=O.5的流量值，再用式(15)(16)確定。、無量綱演算曲線無量綱演算曲線是美國國家天氣局研制DAMBRK模型時用四點帶權隱式美分格式解圣·維南方程組通過大量運算工作獲得的演算工作圖，在應用上非常方便，因此在堰塞湖潰壩簡化水力計算引引用這套無量綱演算曲線，既提高了精度，又省去許多煩瑣的計算，并且又是現

15、成的工作曲線圖。無疑是對堰塞湖潰壩水力計算的簡化是十分有利的。關于簡化水力計算的精確性，最大誤差約為10左右，與動力模型(DAMBRK)比較，通過美國明尼蘇達州一高為l5m的水壩漬決情況，進行計算，最大誤差為10-15，從而可以比較無論是計算洪峰流量或洪水位，簡化水力模型計算結果都比動力模型大些，是偏于安全。另一優點是下持演注引用了一套無量綱曲線。喊有以動力方程為基礎的演算成果，提高了成果的精確性。1.2 基于經驗公式簡化計算模型計算常規的堰塞湖潰壩計算需要復雜的微分方程解算，難以普及計算。然而，一般堰塞湖潰壩計算精度要求并不太高，用潰壩簡化計算方法基本可滿足要求。1.2.1 堰塞湖潰壩缺口寬

16、度b估算根據黃河水利委員會的經驗公式：b=0.1KW1/4B1/4H1/2     1-(32)  其中:W為堰塞湖潰壩時的蓄水量，m3；B為主壩長度,m；K為堰塞湖潰壩流量經驗計算系數，粘土類壩體取0.65，壤土類壩體取1.30，H為堰前水頭或最大壩高,m。1.2.2 堰塞湖潰壩最大流量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為水庫壩前淤積面以上水深，g為重力加速度取9.8。1.2.3 水庫堰塞湖潰壩演

17、進沿程最大流量Ql估算采用公式：Ql=W/ (W/Qmax)+(L/(VmaxK)  1-(34） 其中：L為控制斷面（下游控制破壞流量下線位置）到水庫壩址的距離，m；K為經驗系數（山區取1.11.5，丘陵取1.0，平原取0.80.9）；Vmax為特大洪水最大流速（無資料時：山區取3.05.0，丘陵取2.03.0，平原取1.02.0，m/s）。1.2.4 堰塞湖潰壩洪水傳播時間  堰塞湖潰壩之后，堰塞湖潰壩洪水多長時間會到達下游各個斷面對防汛十分重要，堰塞湖潰壩洪水比一般洪水的傳播要快得多，其波速在壩址附近最大，距壩址越遠，波速削減愈快。黃河水利委員會水

18、科所根據實驗求得堰塞湖潰壩洪水起漲時間簡化計算公式如下：t1=k1(L1.75(10-h0)1.3)/W0.2H00.35   1-(35）式中：h0-下游計算斷面基流平均水深,m；   t1-下游計算斷面堰塞湖潰壩洪水起漲時間,s；     k1-為經驗系數，取值區間：0.650.75 ；一般可取平均數0.70。  需要指出的是，下游計算斷面起漲時間的堰塞湖潰壩洪水流量并不是該斷面的最大堰塞湖潰壩洪水流量，最大堰塞湖潰壩洪水流量到達時間t2要比起漲時間t1滯后，其簡化計算公式如下：t2=k2L1.4/(

19、W0.2H00.5hm0.25)         1-(36）式中：k2-為經驗系數，取值區間：0.81.2；     hm- 最大流量時的平均水深,m；因hm值的計算需要水位流量關系曲線。2.堰塞湖潰壩簡化水力計算案例分析采用經驗公式以綿遠河小崗劍堰塞湖為例進行計算。2.1 案例基本情況5月12日，四川汶川發生8.0級特大地震，造成綿竹市漢旺鎮綿遠河上游多處山體坍塌形成堰塞湖，對下游人民生命、財產造成嚴重威脅，尤其是小崗劍水電站上游形成高63m、長105m（上下游）、寬173m（左右

20、岸）的堰塞體（主壩寬70m），且堰塞體含泥量達到70%左右，存在潰壩的可能性。綿遠河上游河床來水量13m3/s，該處堰塞湖湖水位以4m/d的速度上漲，庫容量以50萬m3/d的速度增加，截止6月10日，庫水位已上漲60m，庫容量已達1000萬m3。庫水位和庫容量的不斷上漲，上游淹沒范圍不斷擴大，對庫區內的搶險救災及災后重建帶來嚴重影響；同時庫水位不斷上漲加劇了潰壩的風險，一旦發生潰壩將直接對其下游的漢旺鎮、綿竹市乃至德陽市人民生命、財產帶來嚴重損失，其危害程度不可估量，其后果不堪設想。根據抗震救災指揮部要求，6月10日晚，由武警水電三總隊采用爆破方式溝槽泄流進行處理，要求有效控制下泄流量，在確保

21、下游漢旺鎮人民群眾生命財產安全的情況下，盡快放空湖水，為綿遠河汛期安全度汛創造條件。2.2 參數計算2.2.1 潰壩缺口寬度b計算公式：b=0.1KW1/4B1/4H1/2，計算結果見表2.2-1。  表2.2-1 全潰壩至1/4潰壩情況潰口寬度計算表全潰情況：序號參數意義單位數值計算結果修正1K系數0.90 113.39 702W下泄庫容m310000000.00 3B壩長m70.00 4H壩高m60.00 2/3潰壩情況：序號參數意義單位數值計算結果修正1K系數0.90 83.66 702W下泄庫容m36666666.67 3B壩長m70.00 4H壩高m40.00 1/2潰壩情

22、況：序號參數意義單位數值計算結果修正1K系數0.90 67.42 2W下泄庫容m35000000.00 3B壩長m70.00 4H壩高m30.00 1/3潰壩情況：序號參數意義單位數值計算結果修正1K系數0.90 49.75 2W下泄庫容m33333333.33 3B壩長m70.00 4H壩高m20.00 1/4潰壩情況：序號參數意義單位數值計算結果修正1K系數0.90 40.09 2W下泄庫容m32500000.00 3B壩長m70.00 4H壩高m15.00 2.2.2 潰壩最大流量Qmax計算公式Qmax=（8/27）g1/2（B/b）1/4 bH03/2 ，計算結果見表2.2

23、-2。 表2.2-2 全潰壩至1/4潰壩情況最大泄流量計算表全潰壩情況:序號參數意義單位數值計算結果備注1g系數9.80 28095.06 2B壩長m70.00 3b潰口m70.00 4Ho水深m60.00 2/3潰壩情況:序號參數意義單位數值計算結果備注1g系數9.80 15293.01 2B壩長m70.00 3b潰口m70.00 4Ho水深m40.00 1/2潰壩情況:序號參數意義單位數值計算結果備注1g系數9.80 9657.76 2B壩長m70.00 3b潰口m67.42 4Ho水深m30.00 1/3潰壩情況:序號參數意義單位數值計算結果備注1g系數9.80 4184.93

24、 2B壩長m70.00 3b潰口m49.75 4Ho水深m20.00 1/4潰壩情況:序號參數意義單位數值計算結果備注1g系數9.80 2312.08 2B壩長m70.00 3b潰口m40.09 4Ho水深m15.00 2.2.3 潰壩演進沿程最大流量Ql計算公式：Ql=W/ (W/Qmax)+(L/(VmaxK)，計算結果見表2.2-3。表2.2-3 全潰壩至1/4潰壩情況演進最大泄流量計算表全潰壩情況：序號參數意義單位數值計算結果備注1K系數1.40 2W下泄庫容m310000000.00 4001.93 3Qmax最大流量m3/s28095.06 4L控制距離m15000.00 5Vma

25、x最大流速m/s5.00 2/3潰壩情況：序號參數意義單位數值計算結果備注1K系數1.40 2W下泄庫容m36666666.67 2585.20 3Qmax最大流量m3/s15293.01 4L控制距離m15000.00 5Vmax最大流速m/s5.00 1/2潰壩情況：序號參數意義單位數值計算結果備注1K系數1.40 2W下泄庫容m35000000.00 1879.29 3Qmax最大流量m3/s9657.76 4L控制距離m15000.00 5Vmax最大流速m/s5.00 1/3潰壩情況：序號參數意義單位數值計算結果備注1K系數1.40 2W下泄庫容m33333333.33 1134.0

26、3 3Qmax最大流量m3/s4184.93 4L控制距離m15000.00 5Vmax最大流速m/s5.00 1/4潰壩情況：序號參數意義單位數值計算結果備注1K系數1.40 2W下泄庫容m32500000.00 775.40 3Qmax最大流量m3/s2312.08 4L控制距離m15000.00 5Vmax最大流速m/s5.00 2.2.4 潰壩洪水傳播時間計算公式：t2=k2L1.4/(W0.2H00.5hm0.25)，計算結果見表2.2-4。 表2.2-4 全潰壩至1/4潰壩洪水傳播時間計算表全潰壩情況：序號參數意義單位數值計算結果(S)備注(min）1K2系數1.20 2

27、200.95 36.68 2L控制距離m15000.00 3hm下游水深m15.00 4W下泄庫容m310000000.00 5Ho上游水深m60.00 2/3潰壩情況：序號參數意義單位數值計算結果(S)備注(min）1K2系數1.20 3235.17 53.92 2L控制距離m15000.00 3hm下游水深m10.00 4W下泄庫容m36666666.67 5Ho上游水深m40.00 1/2潰壩情況：序號參數意義單位數值計算結果(S)備注(min）1K2系數1.20 4183.91 69.73 2L控制距離m15000.00 3hm下游水深m8.00 4W下泄庫容m35000000.00

28、5Ho上游水深m30.00 1/3潰壩情況：序號參數意義單位數值計算結果(S)備注(min）1K2系數1.20 7298.36 121.64 2L控制距離m15000.00 3hm下游水深m5.00 4W下泄庫容m33333333.33 5Ho上游水深m14.67 1/4潰壩情況：序號參數意義單位數值計算結果(S)備注(min）1K2系數1.20 9612.09 160.20 2L控制距離m15000.00 3hm下游水深m2.00 4W下泄庫容m32500000.00 5Ho上游水深m15.00 2.3 計算結果分析根據對綿遠河及其下游工業重鎮漢旺鎮歷年來水文資料調查，漢旺鎮抗洪能力為50年

29、一遇，相應流量為3000m3/s，并且在小崗劍下游觀音巖還有一處小型堰塞湖尚未徹底處理完成，小崗劍出現潰壩后洪水到達觀音巖將造成該處堰塞湖潰壩，造成洪峰疊加。根據以上情況，結合計算結果，經研究分析認為，小崗劍需進行控制爆破泄流，不能出現全潰壩現象，因控制在2/3潰壩比較合理。若能控制在2/3潰壩將對漢旺鎮、下游金魚嘴電站及沿線主要村莊不會造成威脅。2/3潰壩，潰口寬70m（河床段主壩基本潰掉），壩下游下泄最大流量15293.01m3/s，到達漢旺鎮最大洪峰流量為2585.2m3/s，洪峰到達漢旺鎮時間為出現潰壩后54分鐘。3.堰塞湖爆破泄流控制參數驗算3.1 水力參數堰塞湖爆破泄流水力參數主要控制下泄最大流量、控制斷面最大流量、洪水到達時間。以小崗劍為例，因受漢旺鎮最大防洪能力影響，壩址處最大下泄流量應控制在15300m3/s以內，控制斷面漢旺鎮最大通過流量因控制在3000m3/s以內，為便于下游部分受影響群眾及時被疏散，洪峰到達漢旺鎮時間因在50分鐘以上。3.2 爆破參數根據控制水力參數，爆破應控制爆破塊石粒徑、泄槽寬度和深度。泄槽寬度和深度在后續爆