水电工程溃坝洪水计算

水电工程溃坝洪水计算1前言水电是洁净能源，是西部地区重要的能源资源，开发西部水电，实现“西电东送”是实施“西部大开发”战略的重要举措，也是西部地区脱贫致富的重要途径之一。但水电站往往处于深山峡谷，甚至高地震区中，水电站的溃决将造成巨大的损失，为了预估溃坝洪水带来的影响，并提早采取相应的措施，将洪水灾害造成的影响减少到最小程度，有必要进行溃坝洪水计算。本次计算电站地处青藏高原东南缘，区域内地势较高，平均海拔在4000m左右。且电站坝址区覆盖层深厚，构造裂隙较发育，是我国西部著名的强地震带。电站下游主要的城镇为某城市，该城为我国西部少数民族集居区，经济以农牧业为主。2数学模型2.1模型结构本次计算采用美国国家气象局编制的溃坝洪水预报模型DAMBRK模型［１］。该模型由三部分组成：1）大坝溃口形态描述。用于确定大坝溃口形态随时间的变化，包括溃口底宽、溃口顶宽、溃口边坡及溃决历时。2）水库下泄流量的计算。3）溃口下泄流量向下游的演进。2.1.1溃口形态确定溃口是大坝失事时形成的缺口。溃口的形态主要与坝型和筑坝材料有关。目前，对于实际溃坝机理仍不是很清楚，因此，溃口形态主要通过近似假定来确定。考虑到模型的直观性、通用性和适应性，一般假定溃口底宽从一点开始，在溃决历时内，按线性比率扩大，直至形成最终底宽。若溃决历时小于10分钟，则溃口底部不是从一点开始，而是由冲蚀直接形成最终底宽。溃口形态描述主要由四个参数确定：溃决历时（τ），溃口底部高程（hbm），溃口边坡（z）。由第一个参数可以确定大坝溃决是瞬溃还是渐溃。由后面三个参数可以确定溃口断面形态为矩形、三角形或梯形及局部溃或全溃。2.1.2水库下泄流量计算水库下泄流量由两部分组成，一是通过溃口下泄流量Qb，二是通过泄水建筑物下泄的流量Qs，即Q=Qb＋Qs漫顶溃口出流由堰流公式计算序Q絮b戒=C网1布(狂h狂－糊h罚b浸)致1.5披+C椅2炸(侍h苍－迁h捞b返)携2.5添其趴中劣C添1达=3.1扔b疤i脱C秃v弊K抖S候，踪C厌2油=2.4预5ZC矿v乏K疑S乐当梁t腾b蜡≤锈τ膝时粒,h下b毫=h迅d醉－泛(茂h张d铲－宽h帆bm零)·t随b赢/响τ膝貌b或i沾=b·t绘b缠/怕τ旬当牢t购b耍>能τ疑时炸，夸b=h滤bm普b梢i子=设b刘行进流速修正系数Cv=1.0＋0.023Q′2/［B′2d(h′－hbm)2(h′－hb)］途

阀彩K邻s范=1.0疮夫当隆(导h单′婆t馅－毯h歪′阵b叶)/(去h益′够－吧h街′其b半)葱≤斜0.67线姑播K灿S乳=1.第0镜－技27.诊8焦［撑(球h累′销t遇－州h约′牌b域)/(牢h换′厦－役h六′照b猪)脂－辉0.6某7疾］坐3圆骆当类(镰h朝′谨t律－这h金′能b货)/(仙h盛′驳－若叼h利′寿b足)>0.都67式中hb为瞬时溃口底部高程；hbm为终极溃口底高程；hd为坝顶高程；hf为漫顶溃坝时的水位；h为库水位高程；bi为瞬时溃口底宽；b为终极溃口底宽；tb为溃口形成时间；Cv为行进流速修正系数（Brater1959）；Q为水库总下泄流量；Bd为坝址处的水库水面宽度；Ks为堰流受尾水影响的淹没修正系数（Venard1954）；ht为尾水位（靠近坝下游的水位）。尾水位（ht）由曼宁公式计算，即Q=(1.49/n)·S1/2A5/3/B2/3式中n为曼宁糙率系数；A为过流断面积；B为过流断面的水面宽；S为能坡。哭管涌羊溃口出流失由孔口出脚流公式计孟算犯Q美b难=4.8访A驻p舱(h-闻h译′宁)象1/2狠式中谦A末p旺=宾［偿2b娃i俗+4Z(震h姓f炊-h互b劳)涉］秤(雀h耗f催-h际b宴)碧。景若刚h尿t奸≤刚2h鹊f龙-h等b执时默,脚h碧′酸=h失f湖，否则清h陈t嫁>2h千f屋-h棍b豆时蜡,订h码′婆=h盟t格溢洪堵道下泄流敌量（割Q搜s辟）计算如懂下功Q两s旁=C筋s型L煮s谜(当h-h致s已)型1.5屯+C蜜g征A竭g智(桨h-h泼g寺)培0.5冬+C扫d坊L兰d就(殃h-h资d港)镇1.5聚+Q冈t凤式中粒C贞s仅为无控制振的溢洪道彼流量系数残；凶h弟s斤为无控制片的溢洪道墓堰顶高程脂；固C鄙g徒为有闸门河的溢洪道认流量系数鞠；柿h么g历为有闸门雾的溢洪道占中心线高筋程；拔C叉d吊为漫坝水烧流的流量谊系数；威L滋s匆为溢洪道枝长度；肢A巨g秩为闸门过饥流面积；厅L准d薪为坝顶长鞠度减浪L林s廉；蔬Q与t文为与水头男无关的固双定下泄流萄量项。融水库爱总出库流耐量过程是堡水库蓄水页和入库流探量共同作止用的结果包，本模型怖采用水文夫蓄量法来贿推求水库刻总出库流祝量，程如品下额I-Q=浙ds/d贸t援式中渗I效为入库流描量哭；贫Q诚为总出库喷流量辰；悬ds/d不t休为水库蓄糟量随时间械变化率。誓将上洒述方程用篮有限差分朴法离散可端得纱（揉I艺i档+I则i+1软）眠/2象-霉（石Q悟i耽+Q志i+1鸽）蜜/2拦=裁△坛s念/荐△格t纲其中疯上标打i晓和挠i+递1板分别表锦示岩t演和变t诞+鹅△座t守时刻变量啊的值。弹△飘s扁=椅（届A吸S嘉i+1脖+A炸S脖i愉）（捉h怨i+1琴-h辅i肤）葡/2闹代入婆有关公式伶得到总的燃离散方程恩为版（塑A偶S柴i+1杜+A回S骑i博）（比h质i+1绝-h体i央）耀/掀△票t+C辈1冬(演h暂－响h萄b序)璃1.5叔+C牙2晶(久h拘－阶h版b升)目2.5容+C尚s逢L山s呈(事h-h岩s土)敲1.5贤+拳C串g姥A后g瓣(胃h-h循g耻)明0.5增+C纳d巷L呈d居(坏h-h甚d宵)扛1.5愤+Q墙t蔬+Q锄i淡-I翁i+1轰-I泳i乳=甘0串佳上述兵方程可用悉Newt斩o存n宅—熔Raph古so拾n职迭代法求怒解，得到假水极位坦h乳和下泄流讲量密Q遗。泻2.1.曲3糟脸溃坝洪水既向下游演抽进龙本模型采充用圣维南怪方程来描障述洪水波男向下游的剥传播，其已方程形式增如下周连续方程勿

卖动量方程捏

扮式中已A消为有效过毛流面积尾；碍A垦0事为非有效助过流面积践（滩地蓄寒水面积）肿；桑q竹为沿河道揉单位距离劫的侧向入登流或出流熔（爷“划+帮”蒙表示入流孔，汉“—友”音表示出流归）论；壁S历f项为摩阻比瓣降；由曼住宁公式求条出：烧S冒f绞=n陆2奏|Q|Q辜/2.2钻1A毯2遭R聋4/3李;S最e族为局部损惯失（扩眨散拾—会收缩）比及降；连S小e娃=碎K看△坝(刺Q/A)盗2料/2传g岂△伤x顺。板圣维胡南方程为修双曲型偏牺微分方程背组，目前侄尚无法求尺出其解析离解。应用权中通常将款其离散为贡代数方程陵，然后求序出其数值威解。本模轨型中，变捎量的时间呆差分采用淹中心差分应，即站变量棚的空间差资分采用有竹加权系跳数柴θ秋的向前差聋分茶变量臂本身的近抗似表示如扰下旁夸将上么述离散式驰代入圣维捏南方程中混，得到两厌个非线性教方程。对左N抓个断面的怪河道，有柴（绢N-握1瓣）个河段咸，可建立症（奥2尚N疑—仗2碰）个方程堆。给定上盒、下游边表界，共同现组桐成幅2乱N叶个非线性毅方程，利汗用伍Newt崖o倍n咸哗Raph秋so替n唱法迭代求购解方程组舞，可求出庙任意时刻伟各断面有竞关的水力仅要素。绞2.1.娱4眠响初始条件拾和边界条我件平初始吐条件：在密求解上述挥不恒定流瓶方程时，秤为了使方诱程的解尽崇快收敛，尼必须给定淹一个适当愉的初始值谊，即时段起初（乞t=惭0揪），各断络面的水位瓦（隔h牵）或流量王（搞Q撕）。本模国型给定恒贯定非均匀游流作为河总道初始流眨条件。该酷初始值可脚由下列恒夺定流方程泪求衫出踩翼Q软i途=Q胁i-1桶+q缎i-1窃△渐x便i-1雹i=2,室3,知4热…盾N蹈式中讲Q模i舞为坝址处寿的恒定流笋量，狗q栽i-1渗为沿河断肿面姨间锻童莫玿内有弊支流汇入沸的单宽旁泊侧入流量谈。舞对于迷给定的上杨游初始流纤量条件及遣下游末端售断面的确续定的起始母水位，用革Newt融o假n面—与Raph迎so菜n牲法很容易虽迭代求解微上述方程亭，得到各棒断面的初蜓始水位和蚊流量。佣对于获山区河流预，由于断要面比降较踏大，某些圈断面可能乏会出现急贴流、跌水摆等复杂的岛流态。利式用上述恒斯定流方程读求解时，代可能会出愿现迭代不娃收敛的情芦况，使得磁计算无法魄继续。为辜了解决这冒种问题，匪在推求水然面线时，逼对可能会患出现以上悟复杂流态爱的断面，奥采用临界怀流方程，针用临界流屿水深作为践该断面的阔水位初值纠。临界流疤方程可表投示为型F枣3掩/B-Q以2育/g=0武当下系断面为急匆流，上断吨面为缓流访时，取上宏断面水位宰为临界水位位。上述刊方程为超愤越方程可州用对分法鞠求。暗上游理边界条件方：可用水荒库的出流艰过程线层Q(t侍)词。永下游听边界条件辆：可用下暮游断面的煮水位流量赌关系曲线放。栽若最辈下游的流壶量由河道吨控制，可您用满宁公龙式给出其努水位流量园关系懒若最标下游流量狠由建筑物晌控制，则帐其关系式廊可表示为欧Q截N傲=Q辰b事+Q甚s亡式中岸Q颗b性为溃口流充量，气Q轻s工为溢洪道巾流量。此播两变量均道与末断面序水位附h仰N站有关，故春上式可确横定末断面连的水位流宵量关系。帽2.1.逃5竟友△的t杂及鼠△凶x险的选择歼在求苹解不恒定拍流方程时朋，由于数寇值离散本尼身的特点呆，适当选铲择时间步芒长星△僻t铺和空间步叹长队△蚂x艇对方程的耕稳定性和旋收敛性至腿关重要。扭本模型的宣时间步长瑞采用变时冰间步长，珠表示如下动△给t映=0.5介士t畅≤惰t穴b辱-0.5隐△兔t熄=可τ啄/20子t玻b龟-0.5陆<t<t倘b它+骨2携τ渠△硬t秋=T瓜p淹/20锁t桨≥誉t美b仆+番2肤τ捐式功中搅τ精为出流过滩程线的峰侮现时间。忌空间赴步长的选破择由数值倚离散的稳迟定条件决逝定董：残△乐x/浴C笼△鬼t浸≤福1河。微溃坝猜洪水过程博线是一个茧尖瘦的曲染线，随着残向下游的足传播，洪巨峰不断衰御减，过程吵线不断展际宽，因此线，计算时舌间步长可石随洪水波男的向下游段演进而加僻大，空间影步长也可拖随之加大仇即紧靠坝敌址下游处强选择较小呆的宗△密x途，随着距棉坝址的距请离增大父，泼△田x梁的值可随箩之增大。竹2.2捉熄模型验证尸本模础型经用雅渴砻江唐古挑栋滑坡堵段江后形成吃的溃坝洪乖水演进实厕测资料验考证板［２］俱，并经二查滩不恒定弦流出流资哪料验证，短计算值与尝实测值符叨合较好。粱证明本模床型在模型倦结构、计璃算方法及天参数选择岸上是基本搏合理的。粉3忌们大坝溃决担方案的拟房定娘3.1踢饼溃决形式遵本电狂站上库大榨坝按上1000烦0廊年一遇洪亭水校核，牢坝顶高程暴为智382摄9.5踢m挎。正常蓄晓水忙位忌382秒4.5千m插，库容习为唯1.2北6雁亿疤m贫3兼。水库一发般在正常模蓄水位下川运行，因番此不会出神现超标准丸洪水漫顶散溃决的情赤况。本电逆站库周无跨大型坍滑茧体存在，构不会出现哄因滑坡造蚊成的涌浪闪导致大坝似漫顶溃决点的情况。定土石然坝失事主政要原因是治：施工质亡量差、水覆库调度管煤理失当及恼出现大于许抗震烈度稼的地震等咱。失事形必式主要为亭管涌，据恩资料统计往由于管涌蠢造成大坝所失事的占放38符%碰。管涌从竟发生到大延坝溃决一御般要经历联一个比较鼻长的时间据，易于察屿觉。在发屡生管涌时耐，除了采道取适当的史工程措施药来阻止管饰涌外，还简应及时开春启泄水设臣施泄流，魔以便降低汤库水位。名本水库水驳位与放空轿洞放空时背间关系见恭表尺1苍。河表细1妖蓬某水库水追位与放空蜘洞放空时穿间关赶系惠寒Tabl至e1胃Rela现tion己ship您bet道ween瞎wat赠erl混evel剃and垃emp么tyin迟gti长mei线non间ere式serv晚ior绳放空时佩间谎/d蹦1拔3歇5亭7雪8痰9斥10胶库水技位级/m虎382墨1.6常381验5.0令380随8.4茎380概1.6话379晴8.0惜379绝5.1雁379等1.7驻3.2溉骆溃口宽度蜡及底高程蹲土石林坝的溃决饼过程是水娱流与坝体乒相互作用播的一个复稳杂的过程效。到目前考为止，溃融坝的溃决灶机理还不刮是十分清湖楚。一般惨而言，土霸石坝的溃锅口宽度及斯底高程与殊坝体的材脸料，施工馆质量及外诞力如地震医等因素有茧关。在具什体计算时株，溃口尺趋寸一般根任据实验和羊实测资料滩确定。愿本水解电站上库静坝体溃口珍尺寸通过隐已有资料惹和大坝自母身的结构碗、型式及郊筑坝材料翠确定为：赤溃决底高珍程为嚼3788测.0并m取，溃口边毯坡，不考梨虑原始河居床冲刷时歌取难1时：矛1.叛5碧，考虑原牺始河床有找少量冲刷兵时伴取纸1榆：亩1娃。溃口底桐宽由坝体平材料和当赴地地形确圆定，考虑励坝上游原净始河床有爷少量冲刷锋经计算取援最大底宽盒为车150功m膏，当不考渡虑原始河扮床冲刷时筝，溃口底贵宽由原始膛河床控制罪为附70策m淋。不3.3伸伐溃决历时捕大坝衬的溃决历集时因大坝粘的型式、甩坝高、筑摩坝材料、尖施工质量捉及溃决形往式的不同浆而不同，饿可从几分乞钟到数小平时不等。匹土石坝芹［３］煮的溃决一蔑般是渐溃友，历时一娱般为性0.援5总～航2.0台h迁。如我国副河南板桥夜水库土坝涌溃决历哀时拆1.5块h笋，青海沟眨后坝为砂肆砾石面板春坝，溃决迈历时庙为聚1.7弊h允，美纠国样Teto宣n估土坝溃决饮历时姓为授1.25婆h腰。考虑本乐电站大坝哗为碎石土摘心墙堆石宪坝，抗冲元能力强，把取该电站与溃决历时柔为批2.0涂h已。著3.4稳昼溃决方案版的拟定酷本电细站大坝为时土石坝，陡考虑失事脊主要形式窜为管涌，怪溃决形式方为渐溃。屈由管涌导蒸致的坝体蒜溃决，在乳溃决前有蜡一定的迹袋象。当发衰现大坝出贡现异常，务除采取适翠当的工程另措施外，毙还可以通仿过放空水很库降低库访水位，使断大坝溃决红前坝前水莫位尽可能持低，从而隐达到减小图溃决流量土，减少损哑失的目的庸。初步拟失定四种放绢空水库方蹲案即：不农放空、放逮空画3情天、放想空放5墨天、放进空君7宝天，相应哨坝前水位始分别饺为凳3824凳.5配m懒，面381惹5泄m境，徐380魔8.4腹m肢，晨381筛0.6广m狼。则溃决伐方案组合删有霞8虎种，详见村表恭2伐。桑表牵2偿五某电站溃钻坝方案组首合骗表题测Tabl拌e2材Damb式reak鸭sch施emes怒of膛one共powe缩rsta牙tion奔方案耀不放空化3思天柔5纺天言7爸天踏坝前水稻位剑/m助382奸4.5另381很5骗380绝8.4峡381钓0.5痒B拍m冶=150向.0m,秒Z=1.刘0恢方悲案热1通方痒案枣2坝方丽案池3昨方辉案背4赵B部m欠=70.抄0m,Z短=1.5平方符案镇5咸方锯案渔6悼方靠案临7吊方深案寄8猪3.5基够计算条件界某电窜站坝址以近下至某城乞市共布设粮有肆2擦8嘴个计算断剖面，分别歇从虚1/20纵0曾0刊，乘1/50每0停0敢，并1/10鞠00龙0剖地形图上巷量取。河病道糙率通怨过实测资绍料率定。国本电站下障游洪水演经进河道有样三个水尺骑断面。通侮过实测资消料试算，翠河道糙率监一般厕为纺0.0耽5积～跟0.晨1谋。流量大言时糙率取盈值举在步0.07销5惹～赌0.晶1常之间，小宁流量糙率陷取值净在缎0.0东5灯～壶0.07根5胖之间。矿4多淘计算结果殿及分析详4.1煎岸溃坝洪水矛流量风大坝塑溃坝最大顿流量不仅哄受大坝溃惑口形态的棒影响，而恢且受坝址肚地形影响龟。即使是呼大坝全溃拿，其溃口领尺寸也要粘结合坝址警地形确定细。考虑到踩大坝溃决脏时可能会渡冲走一部侄分原始河坑床，因此信拟定溃坝仿的最不利旺方案即方侮案欧1浪。方舟案精1式，从大坝躁溃决到形隐成最大流涝量共腾需飞1.64延h财，坝址最括大流量教为思154狠00m临3顺/炼s壳，随后流渣量逐渐衰榴减，总共蹄下泄水量溜为危830枯7欣万炕m暑3熊，占总库必容的运66回%升。假定水伍流冲刷没役有影响原良始河床，千再考虑水超库放空一蛙段时间，桂由此拟定树溃坝的中竞方案即方犁案意6啊。方怖案川6来，从大坝杀溃决到形自成最大流缺量共版需很2.0恢h待，坝址最颗大流量树为骡940舅m遇3枣/出s派，总共下毫泄水量忆为蒜576塘7m营3偿（不包括堵放空水量恋），占总写库容的滚46脸%侍。福若大牲坝溃决前灾有足够的迁时间放空建水库，将何使坝前水导位提前降倡低，从而员减小下泄讲流量，由苏此拟定溃众坝的低方泳案即方案奴8相。方誉案睬8雾，从大坝贫溃决到形郊成最大流嫂量共彩需盲2.0扎h似，坝址最况大流量后为舒383骨0m斗3旅/夹s吵，总共下躁泄水量图为雷272茎0起万担m康3两（不包括松放空水量金），占总羞库容的劣22凤%仙。御分析嫌坝址处流馅量随时间勺变化过程塘可以看出障，由于溃航口不断扩碑大，出库铺流量急剧荡增加，同叠时下游水归位不断升样高，对出帐口流量形沸成顶托，参抑制流量副继续增加革，当两种到作用平衡愧时流量达钩到最大。润此时溃口呀也达最大丝，而后流简量由最大筐逐渐减小稠，由于下轧游水位顶讯托，流量视衰减相应尖减慢，洪部水波形成快陡涨缓落条型波形。故4.2领兽溃坝洪水礼流量沿程哲变化述从该朋电站坝址跳到某城市瞎河段距离邀为甚29.0时7k秧m勒。该溃坝康洪水波行技进河段由探两段组成涉，上段平叶均比槐降查98.薪8静‰明，下段平协均比殊降缩19.辽9间‰监。该河段芳河道窄深斧，槽蓄作暑用不大。食计算卷结果表明决，该电站滴溃坝最不宗利方案（戚方案颂1乌），坝址芳最大流量扯为吵154局00m航3折/隐s贼，洪水波盒传播到某沾城市，其剖流量衰减吧为遮152除00m富3见/巾s数，流量减催少杀了蛮200m碗3除/筹s嚷，平均每含公里衰鹿减技7.0胞m晶3量/繁s云。其衰减尤很小，这浆主要由于县本河段坡盘降很大，钻且河道窄馅深，槽蓄聚作用不明湾显。捏该溃免坝中方案寇（方案父6封），坝址搬最大流量去为虽964宇0m恨3期/疲s杰，传播到准某城市其梳流量衰减竞为迹897茫0m粱3丙/肥s垄，流量减搁少乐了田670m炒3接/晃s湾，平均每厅公里衰被减狱23.0疫m势3本/辨s产。呢该溃锐坝低方案碎（方案附8握），坝址泉最大流量码为牛383德0m尊3浊/果s慌，洪水波亚传播到某盗城市，其罩流量衰减藏为驼354间0m津3繁/聪s床，流量减碎少犬了虏290m携3暴/虫s稍，平均每骆公里衰雪减雅10.0安m白3丛/级s由。龙4.3爆魂洪水波传拨播时间德本河昂段由于坡抱降较大，犯河道窄深夹，洪水流穗量衰减小走，且坝址心距某城市缸只有热30k妈m荒左右，因滋此，溃坝教洪水传播惩很快，相秋应的预见首期很短。哥各方竖案洪峰自三坝址到达衔某城市的挨时间均未尚超过敌1必个小时，疏且流量大馆，传播速合度快，传春播时间短肾。柏4.4忠沟沿程最高培水位和最家大水深蛮溃坝宗洪水波传赠播到各断剂面，将使巷该断面的突水位迅速麦升高，从高而造成淹急没损失。机在各种方辩案下，溃映坝洪水到钉达某城市茂的水深均粱超过干11挡m蔑，造成损肿失较大。戒4.5肤域溃坝洪水卖影响分析总本电府站，坝体溜一旦溃决写，其溃坝她洪水将对猪下游某城估市造成严茂重影响。崖溃坝叨最不利方淹案（方案走1现），坝址怎流量将彩在兵1.6纳4酬小时涨糠至键154徒00m照3千/罢s匪，经塘过等4鸭1桐分钟，洪捆水波传播吊至某城市过流量旨为添152出00m啄3干/惹s子，其深弘要点水深肚为教20.1讲2乡m相。该城市饼地形为一嫩缓慢抬升寒的斜坡，哈其比降芝约侍1界0愤‰洞，该城市些受影响的音范围赵为漆201效2敬m盛。阀溃坝弓中方案（耐方案犹6谁），坝址眼流量将令在捆2.0枣0睡小时涨楚至予964肢0m蝴3限/候s糕，经添过鸦4岂2竖分钟，洪朋水传播至予某城市处责流量么为摸897播0m叫3不/锦s客，其深弘践点水深苦