溃坝洪水

2024-07-13

溃坝洪水（通用4篇）

溃坝洪水篇1

1 工程概括

石佛寺水库坝址位于辽宁省沈阳市沈北新区黄家乡和法库县依牛堡乡, 为典型的河道型平原水库。主副坝全长42.3公里, 其中主坝全长12.4公里, 最大坝高12.9米。为均质土坝。水库泄洪闸16孔总宽248.5米。工程等级为二等二级, 按100一遇洪水标准设计, 300年一遇洪水标准校核, 总库容1.85亿立方米, 其中防洪库容1.60亿立方米。

2 问题由来

据不完全统计, 我国现有大、中、小型水库8.6万座, 总库容4000亿立方米。自1954年以来, 溃坝总数2900多座, 我国人口稠密, 小水库众多, 失事率高, 溃坝影响之大, 不容忽视。石佛寺水库是一座以防洪为主的水库, 根据《水库大坝安全导则》规定, 应进行溃坝洪水复核。

3 溃坝洪水计算

3.1 溃坝模式的选择

溃坝坝址峰顶流量 (最大流量) 的大小与坝址溃坝前上下游水深和坝址断面形式及尺寸有关。溃坝的形式分为瞬间全溃、瞬间部分溃、逐渐溃。土石坝为逐渐溃, 不可能瞬间溃, 因为庞大的土石方不可能瞬间冲走。据统计, 国外土石坝溃坝占溃坝总数75%, 国内占90%以上。石佛寺水库为均质土坝, 所以本次计算采用逐渐溃的模式进行计算。

3.2 溃坝流量计算谢任之公式

3.3 结果分析

根据谢任之公式计算溃坝洪水流量, 将相关数值代入1-1式中计算bm=11.23m, 根据黄委公式计算溃坝洪水流量, 将相关数值代入2-2式中计算bm=10816m, 根据铁路公式计算溃坝洪水流量, 将相关数值代入3-2式中计算bm=1745m, 这显然与实际不符, 分析其原因是由于石佛寺水库为平原水库, 主坝长12.4公里, 因此, 不能用公式计算溃坝宽度bm, 本人给定不同溃坝宽度试算相应情况下的溃坝流量。具体计算结果见下表1。

4 成果分析

通过谢任之公式、黄委公式和铁路公式, 分别计算了水库溃坝宽度和溃坝流量, 三个公式对溃坝宽度的计算均不符合实际要求, 这主要与水库的特点有关。所以在本次计算中采用了假定溃口宽度的办法才计算相对应情况下的溃坝流量。

在相同溃口宽度情况下, 黄委公式与铁路公式的计算成果比较相近, 但是偏大。谢任之公式计算成果相对小一些, 但是应该更符合实际情况。在有可能的情况下, 再选取几种公式进行计算, 进一步验证公式计算成果的合理性。

5 结语

国内外对于溃坝的研究很多, 计算方式和方法也很多, 进行溃坝洪水计算时应多采用几种方法计算, 使计算结果更符合实际情况。

在现有情况下, 要加强对水库的管理和调度, 汛期要加强对水库大坝的检查和巡查力度, 发现问题及时采取有效措施, 避免出现溃坝情况。

根据溃坝洪水计算结果进行洪水演进计算和风险分析, 制作风险图, 修订和完善水库大坝应急预案。

参考文献

[1]谢任之.溃坝水力学.[M]济南:山东科技出版社, 1993.5

[2]李文涛, 边可斌.汤河水库溃坝流量估算[J].中国科技信息, 2009, (23) :74

溃坝洪水篇2

关键词：溃坝,数值模拟,尾矿坝,稀性泥石流

0 引言

汛期尾矿坝一旦溃决, 水流将携带库内堆积的大量尾矿砂冲向下游, 对水库下游的村庄、农田以及交通设施等造成巨大影响, 严重威胁坝下人员安全和当地经济发展, 同时尾矿砂的外流还会给当地环境带来污染。如1962年9月26日云南锡业公司火谷都尾矿库溃坝, 涌出尾矿330万m3, 水38万m3, 冲毁耕地36.05 km2, 11座村寨和一个农场, 共13 970人受灾, 其中死亡171人、伤92人, 直接经济损失2 000万元[1];2000年10月18日, 广西南丹县大厂镇铜坑矿区选矿厂发生尾矿坝坍塌的特大安全事故, 造成28人死亡, 56人受伤, 位于尾矿库下游的70间居民住房不同程度地被冲毁、冲坏, 直接经济损失340万元[2];2006年4月30日陕西商洛市镇安县金矿尾矿库坝发生溃坝事故, 造成17名群众下落不明, 5名群众受伤, 米粮河上游遭受污染[3]。

为了评价尾矿坝溃坝后的洪灾风险, 积极探求切实可行的防洪减灾措施, 这需要充分把握洪水淹没和下游矿砂淤积随时间的变化。研究开发能模拟这种情况的数学模型具有十分重要的意义。

不同的尾矿坝溃坝会产生不同流态的泥石流, 当为稀性泥石流时, 不仅需要精确模拟非恒定含间断波的洪水演进, 同时还需要考虑溃坝水流作用下的矿砂外泄, 及在下游河道、农田、村庄和工厂的淤积过程, 洪水波的演进计算应与矿砂冲淤计算同时进行。国内外对于尾矿坝溃坝数值计算研究的文献比较少, 国内陈青生[3]采用MAC法对尾矿库溃坝砂流进行计算模拟, 取得了一定的效果, 但其只考虑了砂流单一流情况, 如若为稀性泥石流, 则需从水砂两相流来考虑尾矿坝溃坝问题。

有限体积法求解的是浅水方程积分形式的守恒型方程组, 离散后仍能处处保持水量与动量的平衡, 具有激波捕捉性, 因而能处理溃坝水流这类的间断水流问题。本文在基于有限体积法的平面二维溃坝水流精确模拟的基础上, 耦合非恒定流输沙的计算, 考虑了悬移质和推移质作用下的矿砂淤积。在建立精确溃坝非恒定水沙模型的基础上, 准确地预测和模拟尾矿坝溃坝后下游洪水行进过程及矿砂淤积过程, 对灾后的生命损失、经济损失和社会环境影响的评估, 以及防洪抢险措施的决策实施等具有重要的实际意义。

1 溃坝水沙数学模型

1.1 基本方程

在笛卡儿坐标系下, 平面二维洪水运动的连续方程和动量方程可表达如下:

$\begin{array}{l} \frac{\partial Ζ}{\partial t} + \frac{\partial Μ}{\partial x} + \frac{\partial Ν}{\partial y} = 0 (1) \\ {\begin{cases} \frac{\partial Μ}{\partial t} + \frac{\partial u Μ}{\partial x} + \frac{\partial v Μ}{\partial y} = - g h \frac{\partial Ζ}{\partial x} - \\ \frac{g n^{2} u \sqrt{u^{2} + v^{2}}}{h^{1 / 3}} + γ_{t} (\frac{\partial^{2} Μ}{\partial x^{2}} + \frac{\partial^{2} Μ}{\partial y^{2}}) \\ \frac{\partial Ν}{\partial t} + \frac{\partial u Ν}{\partial x} + \frac{\partial v Ν}{\partial y} = - g h \frac{\partial Ζ}{\partial y} - \\ \frac{g n^{2} v \sqrt{u^{2} + v^{2}}}{h^{1 / 3}} + γ_{t} (\frac{\partial^{2} Ν}{\partial x^{2}} + \frac{\partial^{2} B}{\partial y^{2}}) \end{cases} (2) \end{array}$

平面二维泥沙连续方程形式如下:

$\begin{array}{l} \frac{\partial h s}{\partial t} + \frac{\partial Μ s}{\partial x} + \frac{\partial Ν s}{\partial y} - \\ ε (\frac{\partial^{2} h s}{\partial^{2} x} + \frac{\partial^{2} h s}{\partial^{2} y}) = - ρ^{'} \frac{\partial Ζ_{0}}{\partial t} (3) \end{array}$

悬移质冲淤引起的地形变形方程:

$ρ_{s} \frac{\partial Ζ_{b s}}{\partial t} = α ω (s - s_{*}) (4)$

推移质冲淤引起的地形变形方程:

$ρ_{b} \frac{\partial Ζ_{b g}}{\partial t} = \frac{\partial g_{b x}}{\partial x} + \frac{\partial g_{b y}}{\partial y} (5)$

悬移质水流挟沙力公式:

$s_{*} = Κ_{s} (\frac{U}{g h ω})^{m} (6)$

推移质输沙率公式:

$\begin{array}{l} {\begin{cases} g_{b x} = Κ_{b} \frac{ρ}{ρ_{b} - ρ} ρ_{b} u (1 - \frac{U_{c}}{u}) \frac{u^{3}}{ω C^{2}} \\ \sqrt{u^{2} + v^{2}} ＞ U_{c} \\ g_{b y} = Κ_{b} \frac{ρ}{ρ_{b} - ρ} ρ_{b} v (1 - \frac{U_{c}}{v}) \frac{v^{3}}{ω C^{2}} \end{cases} (7) \\ g_{b x} = g_{b y} = 0 \sqrt{u^{2} + v^{2}} \leq U_{c} (8) \end{array}$

上述各式中:h为水深;Z为水位;u和v为x和y方向的流速;M=uh;N=vh;n为Manning糙率系数;γt为紊动粘性系数;t为时间;g为重力加速度;Zbs、Zbg、Z0分别为悬移质和推移质引起的地形变形和总地形冲淤厚度;x、s*为垂线平均含沙量及水流挟沙力;ω为泥沙沉速;ε为泥沙扩散系数, 取ε=0.15hU*, U*为摩阻流速;α为恢复饱和系数;ρs、ρb分别为悬移质和推移质淤积物的干密度;ρ、ρ′分别为清水密度、泥沙干密度;gbs、gby分别为x、y方向的单宽推移质输沙率;U为x和y方向的合流速;ks、m为水流挟沙力公式的系数和指数;kb为推移质输沙率公式的经验系数, 取kb=0.01;Uc为推移质起动流速, C=h1/6。

1.2 方程离散

本文在方程离散时空间上采用有限体积法, 运用守恒格式对水沙连续性方程进行离散, 保证计算域内水量和沙量的守恒, 时间上采用蛙跳法可满足二阶精度的要求, 对流项采用随来流方向进行切换迎风方向的差分格式, 扩散项采用中心差分法, 使用交错网格计算物理量的分布, 如图1。模型详细离散过程见式 (9) -式 (13) 。

水流连续方程离散后为:

$\begin{array}{l} \frac{Ζ_{i + 1 / 2, j + 1 / 2}^{n + 3} - Ζ_{i + 1 / 2, j + 1 / 2}^{n + 1}}{2 Δ t} + \frac{Μ_{i + 1, j + 1 / 2}^{n + 2} - Μ_{i, j + 1 / 2}^{n + 2}}{Δ x} + \\ \frac{Ν_{i + 1 / 2, j + 1}^{n + 2} - Ν_{i + 1 / 2, j}^{n + 2}}{Δ y} = 0 (9) \end{array}$

x方向水流运动方程离散后为:

$\begin{array}{l} \frac{Μ_{i, j + 1 / 2}^{n + 2} - Μ_{i, j + 1 / 2}^{n}}{2 Δ t} + \\ {\begin{matrix} \frac{u_{i, j + 1 / 2}^{n} Μ_{i, j + 1 / 2}^{n} - u_{i - 1, j + 1 / 2}^{n} Μ_{i - 1, j + 1 / 2}^{n}}{Δ x} & u_{i, j + 1 / 2}^{n} \geq 0, u_{i - 1, j + 1 / 2}^{n} ＞ 0 \\ \frac{u_{i, j + 1 / 2}^{n} Μ_{i, j + 1 / 2}^{n}}{Δ x} & u_{i, j + 1 / 2}^{n} ＞ 0, u_{i - 1, j + 1 / 2}^{n} \leq 0 \\ \frac{u_{i + 1, j + 1 / 2}^{n} Μ_{i + 1, j + 1 / 2}^{n} - u_{i, j + 1 / 2}^{n} Μ_{i, j + 1 / 2}^{n}}{Δ x} & u_{i, j + 1 / 2}^{n} \leq 0, u_{i - 1, j + 1 / 2}^{n} ＜ 0 \\ \frac{- u_{i, j + 1 / 2}^{n} Μ_{i, j + 1 / 2}^{n}}{Δ x} & u_{i, j + 1 / 2}^{n} ＜ 0, u_{i - 1, j + 1 / 2}^{n} \geq 0 \end{matrix} + {\begin{matrix} \frac{\tilde{v}_{i, j + 1 / 2}^{n} Μ_{i, j + 1 / 2}^{n} - \tilde{v}_{i, j - 1 / 2}^{n} Μ_{i, j - 1 / 2}^{n}}{Δ y} & \tilde{v}_{i, j + 1 / 2}^{n} \geq 0, \tilde{v}_{i - 1, j + 1 / 2}^{n} ＞ 0 \\ \frac{\tilde{v}_{i, j + 1 / 2}^{n} Μ_{i, j + 1 / 2}^{n}}{Δ y} & \tilde{v}_{i, j + 1 / 2}^{n} ＞ 0, \tilde{v}_{i - 1, j + 1 / 2}^{n} \leq 0 \\ \frac{\tilde{v}_{i, j + 3 / 2}^{n} Μ_{i, j + 3 / 2}^{n} - \tilde{v}_{i, j + 1 / 2}^{n} Μ_{i, j + 1 / 2}^{n}}{Δ y} & \tilde{v}_{i, j + 1 / 2}^{n} \leq 0, \tilde{v}_{i - 1, j + 3 / 2}^{n} ＜ 0 \\ \frac{- \tilde{v}_{i, j + 1 / 2}^{n} Μ_{i, j + 1 / 2}^{n}}{Δ y} & \tilde{v}_{i, j + 1 / 2}^{n} ＜ 0, \tilde{v}_{i - 1, j + 3 / 2}^{n} \geq 0 \end{matrix} = \\ - g \frac{h_{i - 1 / 2, j + 1 / 2}^{n + 1} + h_{i + 1 / 2, j + 1 / 2}^{n + 1}}{2} \cdot \frac{Ζ_{i + 1 / 2, j + 1 / 2}^{n + 1} - Ζ_{i - 1 / 2, j + 1 / 2}^{n + 1}}{Δ x} - \frac{g (\frac{n_{i - 1 / 2, j + 1 / 2} + n_{i + 1 / 2, j + 1 / 2}}{2})^{2} \frac{2 Μ_{i, j + 1 / 2}^{n}}{h_{i - 1 / 2, j + 1 / 2}^{n + 1} + h_{i + 1 / 2, j + 1 / 2}^{n + 1}} \sqrt{(u_{i, j + 1 / 2}^{n})^{2} + (\tilde{v}_{i, j + 1 / 2}^{n})^{2}}}{(\frac{h_{i - 1 / 2, j + 1 / 2}^{n + 1} + h_{i + 1 / 2, j + 1 / 2}^{n + 1}}{2})^{1 / 3}} (10) \end{array}$

上式中:

$\begin{array}{l} u_{i, j + 1 / 2}^{n} = 2 Μ_{i, j + 1 / 2}^{n} / (h_{i - 1 / 2, j + 1 / 2}^{n + 1} + h_{i + 1 / 2, j + 1 / 2}^{n + 1}) \\ \tilde{v}_{i, j + 1 / 2}^{n} = (v_{i - 1 / 2, j}^{n} + v_{i - 1 / 2, j + 1}^{n} + v_{i + 1 / 2, j}^{n} + v_{i + 1 / 2, j + 1}^{n}) / 4 \end{array}$

y方向水流运动方程的离散方法与x方向的相同, 离散结果略。

泥沙连续方程离散后为:

$\frac{(h s)_{i + 1 / 2, j + 1 / 2}^{n + 3} - (h s)_{i + 1 / 2, j + 1 / 2}^{n + 1}}{2 Δ t} +$

$\frac{Μ_{i + 1 / 2, j + 1 / 2}^{n + 2} s_{i + 1 / 2, j + 1 / 2}^{n + 1} - Μ_{i, j + 1 / 2}^{n + 2} s_{i - 1 / 2, j + 1 / 2}^{n + 1}}{Δ x} +$

$\frac{Ν_{i + 1 / 2, j + 1}^{n + 2} s_{i + 1 / 2, j + 1 / 2}^{n + 1} - Ν_{i + 1 / 2, j}^{n + 2} s_{i + 1 / 2, j - 1 / 2}^{n + 1}}{Δ y} =$

-αω (s $_{i + 1 / 2, j + 1 / 2}^{n + 1}$ -s $_{* i + 1 / 2, j + 1 / 2}^{n + 1}$ ) +

$\frac{C F F_{x} - C F B_{x}}{Δ x} + \frac{C F F_{y} - C F B_{y}}{Δ y} (11)$

$C F F_{x} = ε \frac{h_{i + 3 / 2, j + 1 / 2}^{n + 1} + h_{i + 1 / 2, j + 1 / 2}^{n + 1}}{2}$ ·

$\frac{s_{i + 3 / 2, j + 1 / 2}^{n + 1} - s_{i + 1 / 2, j + 1 / 2}^{n + 1}}{Δ x}$

CFBx、CFFy、CFBy相应交换x、y后给出。

悬移质冲淤引起的地形变形方程离散后为:

$Δ Ζ_{b s_{i, j}} = Δ t α ω_{i, j} (s_{i, j} - s_{* i, t}) / ρ_{s} (12)$

推移质冲淤引起的地形变形方程离散后为:

$\begin{array}{l} Δ Ζ_{b g_{i, j}} = Δ t (\frac{g_{b x_{i + 1 / 2, j + 1 / 2}} - g_{b x_{i - 1 / 2, j + 1 / 2}}}{Δ x} + \\ \frac{g_{b y_{i + 1 / 2, j + 1 / 2}} - g_{b y_{i + 1 / 2, j - 1 / 2}}}{Δ y}) / ρ_{b} (13) \end{array}$

2 模型中几个问题的处理

2.1 计算区域

本文模型计算区域的选取为坝址及其下游地形区域。

2.2 初始条件

模型中要求给定的初始条件包括:水位、流速。文中模型采用下游为干河床的演进, 溃口初始水位为未溃时水库水位值, 坝址下游水位等于地面高程, 初始流速u=0, v=0。

2.3 边界条件

计算区域边界分两种类型, 即固体边界和开边界。其中固体边界指周围山体、高地等水流不能通过的边界, 采用不可穿入条件, 即固体边界的法向流速为零, 相邻单元交界面处无流量通过; 开边界指水流进入和流出的计算区域的边界, 进口处给定坝址溃口的流量过程和出沙过程, 计算区域出口处, 在流动方向上各参数梯度变化为零。

渐变的坝体溃口其变形机理非常复杂, 有推移、悬移、塌落、滚动等现象, 目前还难以准确地描述其过程。本文仅以矩形逐渐线性变化来模拟溃口渐溃的现象, 矩形渐变, 直到库容基本泄空为止。

坝体逐渐溃决的流量计算采用宽顶堰溢流的流量计算公式:

$\begin{array}{l} Q = σ_{c} m b \sqrt{2 g} Η_{0}^{3 / 2} (14) \\ Η_{0} = Η + \frac{v_{0}^{2}}{2 g} (15) \end{array}$

式中:H0为行近流速水头的堰前水头;V0为行进流速;σc为侧收缩系数;b为溃口宽度;m为流量系数, 它与堰型、堰高等边界条件有关;σc、m等参数由水力学中相应表格和公式确定。

2.4 计算参数选取

水流挟沙力公式的系数和指数:ks取0.025, m取0.92。

泥沙冲淤恢复饱和系数:冲刷时取α=1.0, 淤积时α=0.25。

糙率:根据下游地形条件而定, 房屋、村庄取0.08, 树丛取0.075, 农田取0.045。

空间步长:对于山区性的尾矿坝, 其地形起伏比较大, 故空间步长不宜过大。

时间步长:溃坝洪水变化剧烈, 时间步长过长会出现不符合实际情况的数据结果。因以库朗特 (CFL) 条件为控制条件:

$\begin{array}{l} Δ t = C_{t} \min (Δ t_{x}, Δ t_{y}) \\ Δ t_{x} = \min_{i} \frac{Δ x}{| u_{i + 1 / 2, j + 1 / 2} | + \sqrt{g h_{i + 1 / 2, j + 1 / 2}}} ‚ \\ Δ t_{y} = \min_{j} \frac{Δ y}{| v_{i + 1 / 2, j + 1 / 2} | + \sqrt{g h_{i + 1 / 2, j + 1 / 2}}} \end{array}$

式中:Ct为Courant数, 一般取小于1.0的数;Δx, Δy分别为x, y 方向的空间步长。

3 模型应用计算

云南某磷石膏堆场 (目前正在建设中) 位于云南滇池下游, 其下游2 km有海口河通过。场区为一狭长谷地, 整个场区呈东西走势, 西高东低, 为三面环山。场区内植被疏松, 冲沟内农田较多, 谷口处为三汁箐水库。三汁箐水库下游地势平坦, 地面高程一般在1 900 m左右。场区内磷石膏库堆积坝坝高约130 m, 库容约3 900万m3, 下游有村庄和铁路线等。

采用上述模型对此尾矿库溃坝后的洪水淹没及矿砂淤积影响进行模拟, 结合场区附近的地形情况, 模型模拟范围为坝址下游约3 750 m×3 080 m, 网格大小为Δx=Δy=10 m, 时间步长Δt=0.05 s, 矿砂为粒径为0.1 mm的均匀沙, 尾矿坝位置为计算区域的入流口。

模型总共考虑了4种工况进行模拟计算, 具体见表1。

由于篇幅限制, 本文取泻砂量最大值的工况4来叙述, 工况4通过渐溃的宽顶堰溢流公式计算坝址溃口处的流量过程如图2。

图3为工况4尾矿坝溃坝后下游最终的矿砂淤积图, 计算结果显示:当柳树菁磷石膏库溃坝后, 洪水急速冲向下游的三汁箐水库, 由于洪水在水库内的滞留, 导致大量的矿砂在三汁箐水库内淤积, 当入库水量超过三汁箐水库的库容后, 洪水溢过坝顶, 冲入下游的平原地区, 流速减小, 矿砂淤积, 进入海口河的矿砂和洪水顺着河道流出计算区域。

图4、图5分别为工况4代表点水深变化过程线和矿砂淤积过程线, 可见, 柳树菁磷石膏库一旦溃坝, 其将严重危害下游的铁路, 沙锅村和达子小村。

4 结语

本文通过对二维浅水方程和泥沙悬移质方程进行离散, 建立非恒定、均匀不平衡悬移质泥沙数学模型, 用于模拟尾矿坝溃坝后稀性泥石流的水流矿砂运动及下游地形变形。实例计算证明该模型可以正确模拟出尾矿坝溃坝后的洪水演进和矿砂运动的基本规律, 在实际应用中是可行且可靠的, 为今后尾矿坝的安全风险评估及防洪抢险决策的实施奠定了基础。

参考文献

[1]丁言伟, 于小川.尾矿库利用:擅自动工万万不行[J].当代矿工, 2002, (9) :13-15.

[2]梁雅丽.10.18南丹尾矿坝大坍塌[J].沿海环境, 2000, 12:7-7.

[3]张红平, 高雪相.黄金尾矿溃坝之后[J].中国气象报, 2006, 5 (1) :1-2.

[4]陈春生, 孙建华.矿山尾矿库溃坝砂流的计算模拟[J].河海大学学报, 1995, 23 (5) :99-105.

[5]Zhang Xiao-feng, Yu Ming-hui.Numerical simulation of bed de-formation dike burst[J].Journal of Hydrodynamics (B) , 2001, (4) :60-64.

[6]白玉川, 许栋, 王玉琦, 等.二维溃坝波遇障碍物的水流泥沙数值模拟[J].水利学报, 2005, 12 (9) :538-543.

[7]谢任之.溃坝水力学[M].济南:山东科学技术出版社, 1989.

[8]李义天, 赵明登, 曹志芳.河道平面二维水沙数学模型[M].北京:中国水利水电出版社, 2002.

[9][英]迈克.剑桥.尾矿坝失事的回顾[J].水利水电快报, 2002, 23 (5) :6-7.

溃坝洪水篇3

2011年6月14日, 湖北省房县上龛乡二荒坪村发生大面积山体滑坡, 阻塞平渡河, 形成堰塞湖。堰塞体顺水流方向最大长度200m, 宽约70m, 右岸侧高, 左岸侧低, 平均堰高约40m。堰塞体主要由粒径大于200mm的巨粒岩块组成。堰塞湖汇流面积198km2, 300年一遇洪水位时库容约60.9万m3, 属小 (2) 型堰塞湖, 溃决风险等级为Ⅱ级[1]。堰塞体一旦溃决, 将可能威胁下游两岸居民和百户沟、湖溪、龙背湾等各梯级电站的安全。按应急处置专家组意见, 先在堰塞体左侧开挖20 m×8m (B×H) 的泄水渠, 以降低堰塞湖库水位, 初步降低了溃坝风险及危害。

为分析溃坝洪水的流量及对下游居民区和水利工程的影响, 先根据不同频率洪水流量计算堰体泄流槽的断面流速和堰体堆积物的粒径, 分析了堰塞体抗冲稳定性和堰体冲刷溃决的可能发展过程。再采用土石坝溃坝模型与一维非恒定流数学模型相结合, 以实测地形资料为依据, 同时进行湖区调洪演算、溃口发展和下游河道洪水演进计算, 得出了八种不同频率洪水情况下河道下游各断面的最大流量、流速及最高水位, 为下游居民避险转移方案及除险措施的制定提供了依据。

1 模型简介

1.1 堰塞体稳定性分析及溃坝模型

房县二荒坪堰塞湖由山体崩塌滑落堵塞河道形成, 堰塞体主要由山坡崩塌的页岩块体组成, 堆积较密实, 粒径为20~50cm。最大块石尺寸为5m×3m×1.5m。河床高程665m左右, 堰塞体高约40m, 顺河向最大长度200m, 左岸开挖的泄流槽底面高程约676m。堰塞体横面图见图1。

据司特芬逊公式[2]计算, 堰塞体坡面的块石起动流速一般为3~5 m/s, 表面所见的特大块石起动流速约为9.22 m/s。发生5年一遇至300年一遇洪水时, 泄流槽流速为10.14~23.68m/s, 堰塞体堆积物存在被洪水推移滑动的可能性, 进行使溃口不断冲深展宽。

堰塞体的上、下游边坡为1∶4~1∶5, 上下游边坡发生整体滑动的可能性较小, 溃决方式只能是逐渐溃决。逐渐溃决模式下不同的溃口流量过程计算方法为:根据入库洪水流量过程, 堰塞湖水位变化, 堰塞坝溃口冲刷发展过程 (溃口形状、溃决历时) , 采用宽顶堰流量公式计算溃口流量值, 同时根据水量动态平衡方程和堰塞湖水位容积曲线计算库区水位过程。该方法在唐家山堰塞湖溃坝洪水计算中取得较好效果, 计算结果与实测资料吻合较好[4]。

将溃口概化为梯形, 起溃前溃口尺寸为实测断面, 计算中溃口坡度保持不变, 溃口尺寸按时间线性发展扩大, 根据堰塞体岩石的抗冲流速和断面水流计算流速, 确定溃决后溃口尺寸和高程。概化溃口发展示意图见图2。经过2011年汛期洪水冲刷, 2011年12月实测冲刷展宽后的溃口近似为梯形, 假设合理。

1.2 一维非恒定流模型

一维非恒定水动力学模型基本方程为:

式中:Q为流量, m3/s;x为沿程距离, m;A为过水断面面积, m2;t为时间, s;ql为侧向单位长度注入流量, m2/s;β为动能修正系数;g为重力加速度, m3/s2;z为水位, m;n为糙率系数;R为断面水力半径。

方程的离散采用6点中心隐格式, 算法为Abbott-Ionescu法 (三对角矩阵法) [3]。模型除进行非恒定流计算外, 还可增加堰、涵洞等水工建筑物的计算。

2 溃坝洪水计算及结果分析

计算河段包括堰塞湖所在的平渡河及其下游的马厂河, 总长15.3km, 实测44个河道断面。水位~库容曲线根据堰塞湖库区实测1∶500平面地形图量取。

研究中选取了将不同频率洪水、溃坝历时及起溃水位组合成多个计算方案。入库洪水过程选取100年一遇和300年一遇洪水, 堰塞体溃决历时选取10min和0.5~3h的不同情况, 起溃水位选取683.8~682.0m的多级水位。计算总时间为24h, 时间步长为1s。

2.1 溃坝洪峰流量及影响因素分析

根据唐家山堰塞湖溃坝洪水模拟计算的经验, 坝址溃坝洪峰流量取决于起溃水位[6]、溃坝历时和溃口形状及其发展过程等因素[7]。选取不同计算方案下的溃坝洪峰流量值列于表1。

由表1可看出:在起溃水位相同时, 溃坝历时越短, 溃口断面扩展越快, 坝址洪峰流量越大, 300年一遇洪水条件下, 10min溃决导致洪峰流量增加719m3/s, 而2h溃决导致洪峰流量仅增加67m3/s。100年一遇洪水条件下, 10 min溃决导致洪峰流量增加825 m3/s;2h溃决导致洪峰流量仅增加69m3/s。溃坝历时对洪峰流量的影响与唐家山堰塞湖溃坝模拟得到的结论一致。

本次计算结果与唐家山堰塞湖不同的是:溃坝历时相同的条件下, 以最高水位起溃不一定产生最大溃坝流量。选取300年一遇洪水不同起溃水位的流量过程线绘于图3, 从图3可看出:由于坝址洪峰流量为入库洪水和溃坝洪水叠加而成, 本处堰塞湖坝高和库容相对较小, 溃坝洪水与入库洪水量级相当, 只有当入库洪峰和溃坝洪峰遭遇时, 才会产生最大流量。堰塞湖水位达到最高时起溃, 溃坝洪峰滞后于入库洪峰, 坝址流量反而略小。

2.2 洪峰沿程变化情况分析

从堰址下游沿程洪峰流量来看, 溃坝后下游洪峰流量较入库流量明显增大, 至河段出口洪峰流量逐渐衰减, 但仍大于不溃坝情况下的河道流量。相同入库流量条件下, 溃坝历时越短的洪峰流量沿程衰减越多。不同溃决方案下沿程洪峰流量统计柱状图见图4。

2.3 水位抬高对下游工程设施的影响分析

由于溃坝引起的堰址洪峰流量增大, 堰塞体下游河道水位抬高较明显。下游河道沿程水位见表2和表3。

发生300年一遇洪水时, 10min溃决流量导致下游河道水位抬高0.42~1.07m;0.5h溃决导致下游河道水位抬高0.24~0.56m;发生100年一遇洪水时, 10min溃决流量导致下游河道水位抬高0.53~1.38m, 0.5h溃决导致下游河道水位抬高0.24~0.60m。发生100年一遇洪水时溃坝导致的下游水位抬高值略大于300年一遇的溃坝水位。

通过比较溃坝后下游河道洪水位和下游水电工程设施的校核洪水位, 即可分析溃坝洪水对下游工程设施的影响。下游百户沟水电站厂房校核洪水标准为100年一遇, 100年一遇洪水条件下溃坝最高洪水位未超过厂房地面高程, 溃坝洪水对百户沟电站厂房基本无影响。龙背湾电站导流标准为20年一遇, 100年一遇及更大洪水已经超过龙背湾电站自身的设计洪水标准, 但溃坝洪水会导致龙背湾电站施工营地受淹风险增大, 施工单位应编制应急预案, 一旦发生较大暴雨, 应立即启动应急预案, 组织施工人员尽快撤离。老码头镇移民搬迁工作应龙背湾电站截流前完成, 如发生较大洪水, 需组织尚未搬迁的居民紧急撤离避险。

3 结论

(1) 在发生5年一遇及更大洪水时, 应急处置期开挖的泄槽流速过大, 均不能满足抗冲稳定要求, 大流速冲刷、淘蚀、推移泄水渠陡槽段, 可能导致泄水渠扩展, 继而转入溃坝过程。

(2) 溃坝洪峰流量由入库洪水流量过程、起溃水位、溃决历时共同决定。由于山区洪水具有陡涨陡落特性, 且由于本处堰塞湖库容小, 溃坝流量与入库流量为同一量级, 略早于最高库水位起溃, 溃坝洪峰与入库洪峰遭遇叠加, 下游会产生最大洪峰流量。堰塞湖水位达到最高时起溃, 溃坝洪峰滞后于入库洪峰, 坝下流量反而略小。

(3) 溃坝历时是影响溃坝流量的重要因素, 溃坝历时越短, 断面扩展越快, 坝址洪峰流量就越大, 因此在制定除险措施时, 应考虑通过各种措施延长溃坝历时, 避免堰塞体突然溃决, 以减小溃坝洪水对下游的威胁。

(4) 在完成堰塞体永久性处置之前, 应加强堰塞体及雨情、水情监测, 当上游来水量快速增加、水位急速上涨时, 应立即通知下游电站和居民区, 采取避险措施。

摘要：堰塞湖溃坝洪水计算可对溃坝流量和影响范围作出定量估计, 以利于制定应急避险措施和后期永久性处置方案。通过计算堰塞体组成材料抗冲流速分析堰塞体溃口的可能发展过程, 溃口形状及发展与实测断面较相符。以此为基础, 采用一维非恒定流数学模型与溃坝模型相结合进行溃坝洪水演进计算, 得到不同频率洪水在不同溃坝历时和不同起溃水位条件下的溃坝洪峰流量和水位, 据此可以分析下游水利工程设施受影响的程度。

关键词：房县,堰塞湖,溃坝,洪水演进,影响分析

参考文献

[1]SL 451-2009, 堰塞湖应急处置技术导则[S].

[2]水利水电工程施工组织设计手册1:施工规划[M].北京:中国水利水电出版社, 2009.

[3]Abbot M B, Ionescu F.On the numerical computation of nearly horizontal flows[J].J.Hyd.Res., 1967, (5) :97-117.

[4]张细兵, 卢金友, 范北林, 等.唐家山堰塞湖溃坝洪水演进及下泄过程复演[J].人民长江, 2008, 39 (22) :76-78.

[5]SL164-2010, 溃坝洪水模拟技术规程[S]

[6]李书飞, 胡维忠.唐家山堰塞湖可能起溃水位分析研究[J].人民长江, 2008, 39 (22) :73-75.

溃坝洪水篇4

关键词：溃坝,损失率,修正系数,经济损失

我国作为世界上水库大坝数量最多的国家,已建造的水坝几乎遍布所有大小江河的干流或支流上。根据第一次全国水利普查公报可知,到2011年我国共建有水库98002座,总库容达9 323. 12亿m3,数量庞大的水坝为我国带来了巨大的利益,在防洪、供水、发电等方面都具有重要作用。但是我国的水库多建于20世纪50 - 70年代,技术水平受限,运行设施老化,病险水库数量大、比例高,因此存在着极大的风险,据统计,直至20世纪80年代,我国年均仍有20余座水库发生溃坝[1],由此可见我国面临的溃坝问题是不容忽视的,而溃坝造成的洪水具有极大的冲击力与破坏力,会给下游的城市、村庄造成巨大的损失,对此进行提前预测有利于防洪减灾工作,因此研究溃坝洪水导致的经济损失是十分必要的。

已有的溃坝洪水经济损失评估方法主要通过收集大量溃坝损失资料,建立经济损失与受灾状况参数之间的相关关系[2]; 也有专家对受淹资产的类别进行划分,并建立各类资产相应的损失系数[3],得到较以往准确的评估结果; 随着空间信息技术的不断发展,基于GIS或RS的经济损失评估也在不断增多[4,5],但这些方法都不曾考虑或者只定性地提及了流速与预警时间的影响,由于考虑的影响因素的缺失,所以评估结果误差较大。本文通过对损失率的修正,希望在一定程度上减少溃坝洪水经济损失评估的误差。

1溃坝洪水经济损失评估模型

溃坝洪水导致的经济损失主要可以分为直接经济损失和间接经济损失。直接经济损失是指洪水直接淹没造成的财产类损失以及生产类损失的总和, 财产类损失包括基础设施损失、单位财产损失、居民财产损失( 包括居民的房屋以及室内财产的损失) ; 生产类损失包括工商企业损失、农林牧渔损失。间接经济损失是指洪水次生灾害和衍生灾害所造成的损失。它既是时间性的波及损失,又是区域性的波及损失。由于间接经济损失涉及到的影响因素很多,与直接经济损失之间的划分界限也并不明显,因而要全面而准确地计算出间接经济损失是十分困难的,一直以来对它的分类也存在不少争议[6],文献[7]认为可以将间接经济损失分为三大类: 产业关联性损失、投资溢价损失以及抢险救灾费用。

根据对溃坝洪水经济损失构成的分析,笔者认为溃坝洪水的经济损失为直接经济损失及间接经济损失之和:

式中: S为溃坝洪水的经济损失,万元; S1为溃坝洪水的直接经济损失,万元; S2为溃坝洪水的间接经济损失,万元。

1. 1直接经济损失

溃坝洪水直接经济损失分为财产类损失与生产类损失两部分,其计算公式为

式中: S财为溃坝洪水的财产类损失,万元; S生为溃坝洪水的生产类损失,万元。

这两部分损失计算时有多种模型可以采用: 1损失率模型,以各类灾前财产价值和损失率相乘即可,该模型对各种受灾对象均适用; 2经济活动中断时间模型,以经济活动单位时间产值与中断时间相乘,这种方法主要适用于工商企业等停业造成的损失; 3长度比例模型,以单位长度修复费用与毁坏长度相乘,主要用于输送管道、道路桥梁等破坏对象[8]。

本文对财产类损失中的道路桥梁、通信线路等基础设施采用了长度比例模型,其余财产类损失采用的为损失率计算模型:

式中: F1i为单位财产及居民财产损失中第i类财产的灾前价值,万元; β1i为单位财产及居民财产损失中第i类财产的损失率,% ; m为单位财产及居民财产划分的总个数; M2j为基础设施损失中第i类设施单位长度的价值,万元/m; L2j为基础设施损失中第i类设施的毁坏长度,m; n为基础设施划分的总个数。

对生产类损失中的农林牧渔业损失也采用损失率计算模型,而工商业停减产损失采用经济活动中断时间模型,故生产类损失计算模型如下:

式中: F2i为农林牧渔业损失中第i类行业的灾前价值,万元; β2i为农林牧渔业损失中第i类财产的损失率,% ; D2j为工商业停减产损失中第j类行业的灾前净产值,万元/d; t2j为工商业停减产损失中第j类行业的停减产时间,d。

1. 2间接经济损失

洪水间接经济损失的计算有多种方法,根据间接经济损失的界定视角不同,可以把洪灾间接经济损失的评估方法分成两大体系,即基于存量- 流量方法体系和基于投入- 产出方法体系,前者包括: 比例系数法、马尔科夫模拟法和系统动力学方法; 后者包括: 经济增长模型法、投入产出法和可计算一般均衡方法[7]。

这些方法中比例系数法由于计算方便快捷,最常被采用,即:

式中: ki为第i类行业的间接损失系数; S1i为第i类行业的直接经济损失。

间接损失系数ki的取值国内外都做过一些研究,其中美国住宅为15% ,商业为37% ,工业为45% ,公用事业为10% ,公共产业为34% ,农业为10% ,公路为25% ,铁路为23% ; 前苏联在20% ~ 25% 之间取值; 澳大利亚住宅为15% ,商业37% ,工业45% ; 中国取农业15% ~ 28% ,工业16% ~ 35%[9]。

1. 3损失率修正

在溃坝洪水直接经济损失评估中损失率是重要参数,损失率值的准确度对评估结果的准确性有很大影响。洪灾的损失率是指受灾区域在发生洪灾后损失的各类财产的价值及各行业产值与未发生洪灾时实际值的比值。通常,损失率与淹没水深、流速、历时和预警时间等因素有关,可根据当地或类似地区以往的溃坝灾情损失资料通过多元回归分析或者逐步回归分析方法确定。

溃坝洪水的冲击强度直接影响了其造成的损失,靠近溃坝处的地区往往受到极强的洪水冲击,损失极大,而离坝址很远的地区受到洪水冲击的强度很小,造成的损失也很小。参考相关资料,本文将靠近坝址处的地区称为毁灭区,损失率取100% ,划分标准定义为hv > 7 m2/ s,并且v > 2 m / s,其中h是指淹没水深,v是指淹没流速; 远离坝址处的地区称为安全区,损失率取0,此处划分标准为h < 0. 1 m,v < 0. 1 m / s; 在这两者之间的区域为部分破坏区,损失率根据当地的流速、水深、历时来分析计算[10]。

溃坝洪水区别于一般洪水的主要特点是它的流速比较快,破坏力相应地也强于一般洪水,已有文献中损失率获取时往往只考虑了淹没水深或者水深及历时,得到的关系式为 β' = f1( h) 或 β' = f1( h,t) ,未曾考虑到流速的影响,因此并不完全适用于溃坝洪水的计算,同时预警时间对损失率的影响也没有得到重视,本文在已有公式的基础上乘以相关修正系数,包括流速影响修正系数f2( v) ,预警时间影响修正系数f3( T) ,减少了损失率计算的误差。

最终的损失率

经过分析,可以将流速影响修正系数与流速之间的关系以函数的形式表现出来,如图1所示。

由图1可见,当流速小于v1时不会对损失率产生影响,流速到达v2后对损失率的影响达到最大,m是指最大流速修正系数,根据溃坝洪水影响分区的划分,可取v1= 0. 1 m / s,v2= 2 m / s,另外,修正损失率时应注意修正后的最大损失率不应大于100% , 由此可以确定m的值。

由于溃坝洪水造成的损失大小与其对物体的破坏作用大小有关,溃坝洪水对物体的作用主要是动水压力,而动水压力与v2成正比,所以在v1与v2之间的部分可认为f2与v2成正比。

最终得到的流速影响修正系数与流速之间的关系式如下:

对于预警时间对损失率的影响,随着预警时间的加长,损失率不断降低,直至达到某个值后不再发生变化,经分析采用图2的分段函数。图中n是指当预警时间足够时,仍然无法转移走的物品占全部物品的比例,T1是指将所有可搬物件转移至安全地区所需时间。首先要考虑有多少物品是可以转移出去,免受损害的,不同的转移程度对应不同的n值,n值从0到1按照等值内插的方法可列成表1。

预警时间可以影响的主要包括单位财产中工商业产品库存和设备的转移,以及居民财产中室内财产的转移。工商业产品的库存如果有足够的预警时间应该是绝大部分可移的,取n = 0. 2,而工商业的设备应当是极少数可移的,取n = 0. 8,居民室内财产应该是多数可移的,取n = 0. 4。

根据相关文献研究结果可知,居民住宅中将所有可搬物件搬移至安全地带所需预警时间的平均值为1. 5 h,即T1= 1. 5 h,工商业产品库存的搬移时间也可以参考该数据[11]。

最终得到的预警时间影响修正系数与预警时间之间的关系式如下:

1. 4洪灾损失增长率

在应用上文的模型进行溃坝洪水经济损失计算时,还需要结合实际状况。若对已有洪水进行损失估算,只需要根据当时的经济状况按照本模型计算即可,若对溃坝洪水损失进行预测,则需要考虑到社会经济状况的不同导致的变化,由于社会经济发展水平不断提高,人们拥有的社会财富不断增加,一旦发生洪灾,造成的损失是逐年增长的,可以用洪灾损失增长率来反映这种增长[6]:

式中: Ct为预测年的洪灾损失; Ct0为基准年的洪灾损失; r为洪灾损失年增长率。

鉴于影响洪水损失增长率的因素很多,且相互关系复杂,目前还没有一套公认的计算损失增长率的有效方法。按不同的时段和不同的承灾体选取相应的损失增长率误差会比较小,但由于相关资料比较匮乏,所以可以用多年平均值代替。吴恒安[12]认为洪灾损失年综合增长率在1% ~ 4% 之间。

2实例验证

2. 1溃坝洪水资料

1963年8月,河北省刘家台水库发生了严重的溃坝事故,文献[13]经统计分析得到此次溃坝给保定市造成经济损失约791. 91万元。刘家台水库库容为4 054万m3,水库坝址断面控制的流域面积为174 km2,最大入库洪峰1 575 m3/ s。由于水库工程质量存在问题,8月8日4时许,大坝溃决,溃坝洪水来势汹汹,从南坝头漫溢,仅半小时冲开大坝,溃坝后引起的洪水达0. 75亿m3,豁口底宽180 m,深达坝基,瞬时最大垮坝流量28 000 m3/ s,下游瞬时水深达18 m左右,主要淹没了下游30 km范围内的易县、满城、顺平3县68个村庄,受灾人数为64 941人,靠近大坝下游的东高士庄村所有的房屋树木在5分钟内全部被冲毁。根据已有文献中应用FLDWAV软件分析出的刘家台水库洪水演进过程, 可以对刘家台水库溃坝造成的经济损失进行评估[14]。

根据淹没状况将刘家台水库的溃坝洪水分为4个淹没区进行分析,分别对应不同的水深、流速、历时和预警时间,如表2所示。

2. 2损失评估

本文损失率选择和保定市经济结构以及地理环境相似的黄河下游地区的数据[15,16]。

根据分区的定义可判断出分区一和分区二属于毁灭区,各类损失率可认为是100% ,其他淹没区则处于部分破坏区,需要利用流速和预警时间的修正系数进行损失率修正,修正系数的计算以居民财产为例进行说明。

居民财产中的房屋主要需考虑流速的修正,而室内财产主要需考虑预警时间的修正。由资料获得的居民房屋的最大损失率为0. 595,故m =1 /0. 595 = 1. 681,又已知v1= 0. 1 m / s,v2= 2 m / s,根据式( 6) 可得到f2的表达式:

由上文可知居民室内财产的T1= 1. 5 h,n = 0. 4,根据式( 7) 可得到f3的表达式:

分区三的流速v =7. 69 m/s,预警时间T =0. 625 h, 故f2= 1. 681,f3= 0. 75。

分区四的流速v =1. 81 m/s,预警时间T =0. 631 h, 故f2= 1. 552,f3= 0. 747 6。

按照上述方法对居民财产的损失率修正的结果如表3所示,对其他损失也可以采用同样的方法进行计算。

根据修正前后的损失率值,可以对直接经济损失进行估算,估算结果经总结整理后得到表4。采用间接系数法得到间接经济损失,与直接经济损失相加后得到总损失,再与实际损失进行对比,结果见表5。

万元

分析得出,流速对评估结果的影响远大于预警时间,修正前由于不曾考虑流速的影响,所以极大地低估了溃坝洪水会造成的损失,对损失率进行修正后,经济损失的评估值大幅提高,误差从32. 9% 降低到了5. 43% ,由此可见,考虑到流速和预警时间的影响后可以减少溃坝洪水经济损失计算的误差, 使计算结果更为精确。

3结语

【溃坝洪水】推荐阅读：

溃坝试验08-31

溃坝风险评价模型06-24

暴雨洪水05-12

洪水风险05-21

洪水特性06-16

洪水评价07-27

特大洪水08-13

洪水特征09-23

洪水监测11-14

洪水影响11-17