聊一聊溃坝洪水的分析计算

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聊一聊溃坝洪水的分析计算

水库溃坝洪水的分析计算，在 水库的规划设计、大坝安全管理 和 洪水风险图 的编制过程中经常遇到。在当前极端天气频发的变化环境下，由于水库溃坝灾难性甚至毁灭性的灾害损失，水库溃坝洪水的分析计算显得更为重要。

根据《水库堤防水闸失事典型案例》，1954 年以来，我国共发生3558 座水库溃坝，其中土石坝溃坝3356 座，在土石坝溃坝案例中， 大型水库2座 ，分别为河南板桥水库和新疆西克尔水库，均为大（2）型水库；中型水库131 座，其余均为小型水库。进入21世纪后，就有2021年“7.20”郑州郭家咀水库（2021年7月）、蒙古永安与新发水库（2021 年7月）、广西沙子溪水库（2020 年6月）、新疆射月沟水库（2018年8月）、内蒙增隆昌水库（2018 年7月）、吉林大河水库（2010年7月）等多座水库发生溃坝或发生严重溃坝险情。

1 水库溃坝的计算要素

水库溃坝的计算要素，主要包括 坝体建筑物要素 和 洪水要素 两个部分。溃坝建筑物要素，主要为溃口形状、溃口宽度、溃口高度、溃口发展历时等；溃坝洪水要素，主要为溃坝洪水洪峰流量、洪水历时、坝前水深、下游防洪断面的洪峰流量和淹没水深、洪水演变过程等。坝体建筑物要素和溃坝洪水要素是相互影响和制约的。

2 溃坝建筑物要素的计算

1、国内用于溃坝建筑物要素中 溃口宽度 的经验公式主要有铁道部科学研究院公式、黄河水利委员会公式。

铁道部科学研究院公式：

式中，b为最终溃口平均宽度，米；k为坝体材料参数；W为溃坝库容，万立方米；B为坝顶长度，米；H为坝前水深，米。

黄河水利委员会公式：

式中，b为最终溃口平均宽度，米；W为溃坝库容万立方米；B为坝顶长度，米；H为坝前水深，米；k为坝体材料参数。

2、 溃坝历时 的经验公式，主要有MacDonald 与Langridge-Monopolis提出经验公式：

式中，Tf为溃坝历时，小时；Vw为溃坝库容，立方米；hw为溃口底部以上水深，米。

还有学者提出了考虑库容、坝高、坝型、坝料及溃坝原因的溃口发展过程回归方程：

式中：Tf为溃坝历时，小时；Tr为参考溃坝历时，小时；Bwe为最终溃口平均宽度，米；Hb为溃口深度，米；hd为坝高，米；hr为参考坝高，米；Vw为溃坝库容，立方米；Hw为溃口底部以上水深，米；B1为坝型参数，B2为破坏参数。

3 溃坝洪水要素的计算方法

目前，对于溃坝洪水要素的模拟计算，一般分为经验公式法和模型计算法两种。经验公式法由于其简便快捷，使用较为广泛。随着信息技术的快速发展，模型计算由于其直观可视，已经成为主要的技术手段。

3.1

经验公式法

3.1.1 坝址断面溃坝最大流量的计算

坝址断面溃坝最大流量的经验公式比较多，其常见的计算方法有肖克利契公式、简化的圣维南公式、波额流量计算、堰与波流相交法联解法（如辽宁省水利局方法）等。

（1）肖克利契公式

1）当瞬间局部溃坝未到河床底部时，采用下式计算：

式中，Q M 为溃坝时坝址处最大流量，立方米/秒；h0 为溃坝前的坝前水深，米；h' 为溃坝后坝体剩余平均高度，米；B为坝址断面的平均宽度，米。

2）瞬间局部溃坝且一部分到河床底部时，采用下式计算：

式中，Q M 为溃坝时坝址处最大流量，立方米/秒；h0 为溃坝前的坝前水深，米；b 为缺口宽度，米；B 为坝址断面的平均宽度，米。

（2）圣维南公式

1）坝体瞬间全垮时，采用下式计算：

2）坝体瞬间局部溃坝时，采用下式计算：

（3）波额流量法

假定坝址上下游为平底无阻力河槽，建立上下游相对坝址处的连续方程和动力方程，求得向下游的正波和向上游的负波波额流量（分别以、表示）如下。

联解两式，即当

时，即得最大瞬溃流量Q M =Q B 。

式中A、P、g分别为过水断面面积、静水压力、重力加速度。其下脚注B、1、0分别表示坝址、上游、下游断面。

（4）辽宁省水利局公式

1）坝体瞬间全垮时，采用下式计算：

2）坝体瞬间局部溃坝时，采用下式计算：

3.1.2 坝址断面溃坝洪水（流量）过程线的计算

溃坝洪水过程线，一般采用概化过程线来确定，常用的概化过程线如表1所列。表中T表示水库泄空时间；Q _M 为溃坝最大流量；Q为t时间的流量，即为以t为横坐标的溃坝洪水过程线的纵坐标； Q _入为入库流量。

表溃坝洪水概化过程线

t/T	0	0.05	0.10	0.20	0.30	1.00
Q/ Q _M	1.00	0.65	0.48	0.34	0.26	Q _入 /Q _M

3.1.3水库下游控制断面溃坝最大流量的计算

对于常常缺乏资料的中小型水库下游控制断面（防洪控制点或重要城镇、厂矿企业等）处的溃坝最大流量，可采用以下的经验公式计算：

式中，Q控M为控制断面处溃坝最大流量，立方米/秒；V 为水库溃坝时的蓄水库容(立方米)；Q _x 为坝址断面溃坝最大流量，立方米/秒；L 为坝址断面至控制断面的距离(米)；V _M 为洪水期河道断面的最大流速，米/秒。有流量与断面资料时，可采用特大洪水的最大流速。

3.2

模型计算法

随着计算机和地理空间信息技术的不断发展，解决了溃坝洪水模拟中地形数据计算量庞大的难题，将 验证溃坝的洪水数值模型与GIS技术结合 ，借助计算机强大的计算能力与地理信息系统提供的地形数据，从而实现 溃坝洪水演进过程的可视化 。在研究区域的地形条件和河流边界条件较为复杂时，利用数值模拟的优势并结合水库大坝自身特性，可以较快、较准确地展示溃坝洪水演进过程的可视化，进一步对模拟成果定量和定性分析。

3.2.1 HEC-RAS

HEC-RAS对于溃坝洪水演进的研究主要包括通过控制溃前水位、溃决时间、溃口流量、溃决形式、洪水频率、溃口宽度等参数进行数值模拟。其中使用HEC-RAS通过控制溃决形式来探究溃坝洪水演进规律，对最大洪水条件下的大坝进行 “无溃坝”、“溃坝”和“无坝” 三种情景模拟，并对大坝敏感性进行分析，得出管涌导致的大坝破裂会增加溃坝风险的持续时间，溃坝参数的变化对下游最大水面高程和边界条件的影响不大；另外，采用HEC-RAS一维水动力模型对山区河道防洪过程进行模拟，通过设置溃口水位、洪峰流量和河道糙率等相关参数进行数值模拟，得出下游淹没区淹没水深和淹没历时。

3.2.2 MIKE

MIKE软件应用于溃坝洪水时，最主要的模型是MIKE软件中的 MIKE11模型、MIKE21模型 。其主要用于流域洪水模拟， 结合地形地貌对洪水演进过程进行模拟分析，研究洪水对下游及周边流域影响 。在溃坝水流数值模拟方面取得成果，MIKE Flood 模块能将一维、二维耦合模拟，对研究溃坝洪水有着很重要的实际意义。通过侧向连接，将一维河网断面文件选择性的与二维地形文件耦合，在连接处将一维河道溢出的水溢到地形中，模拟河道的汇流和洪水从河道泛滥到堤防的淹没过程，对于淹没面积、淹没水深、流速、流场等水力要素可以进行有选择性的提取。这种耦合方式对于分析洪水演进过程和提高防洪能力有着举足轻重的作用。

4 溃坝洪水模拟的资料收集

（1） 水库的设计资料 ，工程规模、总体布置、泄水(导流)建筑物布置堤坝类型、形状及材料，水库库容曲线、大坝设计洪水、泄水建筑物泄流能力等资料，用以溃坝洪水计算方法和参数的选择.

（2） 区域水文气象资料 ，典型的大洪水和大暴雨等实测资料，包括入库洪水和下游入汇支流洪水、出口断面水位流量关系及洪泛区内特征点的历史洪水水位等，用以计算流域洪水。

（3） 水库下游的dem资料 ，研究区域地形和相关设施布置资料，坝洪水传播的建筑物和防洪工程资料，用以模拟下游的淹没水深及历时。

（4） 水库下游的社会经济资料 ，影响区域城镇、重要建筑物和设施分布及其防洪标准等，用以分析洪水的淹没影响。

5 一点想法

（1）水库溃坝是一种暴雨、地震及其他原因造成的极端条件下的事件，溃坝洪水往往对下游造成灾难性甚至毁灭性的灾害，所以，溃坝洪水作为 水库大坝应急管理预案的重要组成部分 ，作为极端情况下的应对措施。

（2）就水库溃坝的成因来看，应该将溃坝洪水分析的重点放在 小型水库 。一方面，从规划设计的角度，小型水库往往位于无资料地区，缺乏实测资料的支撑；第二，近些年极端短历时强降雨频发，暴雨洪水发生频率超过大坝校核洪水标准发生漫坝的可能性增大；第三，小型水库以土石坝见多，而且大多建设于20世纪建国初期经过多年运行，水库存在应对极端洪水时的质量隐患；第四，小型水库的运行管理相对薄弱，较多水库没有现场的管理机构，加上洪水预见期短，给下游的疏散和撤离时间很短。

（3）溃坝洪水的分析模拟，是一种预测预警的数值手段，并不能从根本上避免水库的溃坝风险。工程按规范设计施工，水库建成后的运行管理，定期的安全评价和除险加固，汛前的安全检查，暴雨期间的巡查和值守，加强水库安全管理，水库下游的防御演练，是非常必要的。

（4）在水库溃坝洪水的发生过程中，会导致大量的河道冲刷或者泥沙淤积，对于溃坝洪水水流模拟精度有很大影响，后续可利用数值模拟软件结合理论研究深入研究，进一步提高溃坝洪水演进过程模拟的准确性。

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