对唐家山堰塞湖溃坝洪水计算的主要认识_徐照明

摘要 :通过溃坝计算可以对堰塞坝的溃决 影响作出定量估计 , 以制定有效的除险方案和 避险措施 。 采 用 M IK E 11 溃坝洪水计算模型 , 对唐家 山堰塞湖不同溃决历时 、溃口 形状及溃 口发展 过程情 况下的 溃坝洪 水进行 了计 算分析 , 并对河道糙率 、通口电站滞洪 、干流洪水遭 遇等条件进行了敏感性分析 。 通过上述计算分析 , 提高 了对 溃坝洪水及下游洪水演进的基本认识 。 关 键 词 :溃坝洪水 ;敏感性分析 ;洪水计算 ;唐家山堰塞湖 中图分类号 :P 315 .9 文献标识码 :A
M IK E 11 溃坝模型采 用溃 坝水 工建 筑物 模拟 坝体 的溃 决 过程 。 溃坝水工 建筑 物和 宽顶 堰很 相似 , 但 是有 两点 不 同 :① 坝的形状 会随着时 间变化 , 溃口变大 , 坝顶 变小 , 因此不能预 先 计算坝顶和溃口的临界流水位流量关系特 性 ;② 由于坝顶和 溃 口的水位流量关系不同 , 因此 坝顶漫 流和溃口 通过的 流量要 分 开计算 。 模型假定溃口 为等腰梯 形 , 溃口的形 状主要 由溃口 底 部高程(HB )、溃口 底部 宽度(WB )、溃口 坡度(SS , 水平/ 垂
同时 , 起溃 水位 越高 , 可 泄洪量 越大 , 坝 址洪峰 流量 也越 大 ;②
在起溃水 位相同时 , 溃决 历时越短 , 断面扩 大速度越快 , 坝址 洪
峰流量越大 。 因此 , 在制定除险方案时 , 一方面考虑了通过开 挖 泄流渠等措施有效降低起 溃水位 和减小 可泄水 量 ;另 一方面 考
2008 年 5 月 12 日 , 四川汶川发生 了里氏 8.0 级大 地震 , 在 距北川县城 4 .6 km 的涪江支流通口 河唐家山 附近形 成了堰 塞 湖 。 堰塞坝横河向长 612 m , 坝高 82 ～ 124 m , 坝顶最 低点高 程 752 m , 坝上游水库容积 3 .16 亿 m3(752 m 水位)。 由于坝高 库 容大 , 堰 塞坝一旦溃决将严重 威胁下 游沿岸人 民的生 命财产 安 全。
760 136234
752 132537
742 95030
730 62408
720 42058
表 3 全溃方案坝址洪峰流量
洪峰流量/(m3 · s-1)
2h
3h
4h
5h
69692 48452 37475 30710
65686 44497 34085 28011
48730 33517 25749 20981
北川 1:22 2 :14 3 :10 1:14 2 :06 3 :02 1:06 1 :48 2 :28 3:02 3 :38 4:04
通口电 站 2:06 3 :00 3 :50 1:42 2 :32 3 :26 1:24 2 :14 2 :52 3:26 4 :10 4:40
将军石 2:26 3 :14 4 :06 2:00 2 :48 3 :40 1:36 2 :16 2 :56 3:34 4 :26 4:56
涪江桥 5:20 6 :06 6 :52 4:28 5 :12 6 :00 3:26 4 :12 4 :58 5:40 6 :22 6:56
3 计算条件的敏感性分析
3 .1 河道糙率的敏感性分析
在溃坝洪水演进的计算分析中 , 河道糙率是一个重要参数 。 考虑到溃坝发生时可能发生 稀遇频 率洪水 , 较 难获得河 道糙率 资料 , 且溃坝造成的山体 护坡和 堤岸崩 塌可能 导致河道 边界条 件的改变 , 分 析过程 中需进 行糙率的 敏感性 分析 。 表 6 及表 7
2
10733
2
27610
3
1/ 2 溃坝
1
10477 18968
3
25958
4
23842
2
18708
5
21785
3
18089
6
19943
表 6 752 m 起溃水位下不同糙率情况下涪江桥断面洪峰流量
方案
溃决历时/ h
洪峰流量/ (m 3 · s -1) n =0 .04 n =0 .05
1/3 溃坝
2 溃坝洪水计算分析
研究中主要 计算分 析了 溃至 720 (1/ 3 溃)、695 (1/ 2 溃)、 663 m(全溃)3 类典型 方案 , 在 1/ 3 溃 及 1/ 2 溃 时 , 溃口 最终形 状为顶宽 340 m、底宽 35 m 的等腰梯形 , 在全溃时 , 溃口最终形 状为顶宽 340 m、底宽 100 m 的等腰 梯形 。 溃口的 溃决 历时考 虑了 1 ～ 6 h 的不同情况 。
虑了通过各种措施延长坝体的溃决时间 , 避免坝体的突然溃决 , 以降低坝址溃坝洪峰流量 , 从 而有效 减轻溃坝 洪水对 下游的 威
胁。
表 1 1/ 3 溃坝方案坝址洪峰流量
起溃水位/ m 760
1h 35940
洪峰流量/(m3 · s -1) 2h
24508
3h 18361
752
26440
20289
88
人 民 长 江
2008 年
为堰塞坝下游河道糙率分别取 0 .04、0.05 情况下绵阳涪江桥 断 面洪峰流量及出 现时 间的 比较 , 从表 中可 以看 出 :河道 糙率 越
大 , 河道的阻力 越大 , 则河道的 滞洪效果相 应就越大 , 对洪峰 的
衰减作用也越大 。 河道 糙率增大 后 , 不同工况 下涪江 桥断面 洪
ห้องสมุดไป่ตู้第 2
39 00
卷 第 22 8年 11
期 月
文章编号 :1001 -4179(2008)22-0086 -03
人Ya ng民tz e 长R iv江er
VN
ol .39 ov .,
,
N
o 2
.22 008
对唐家山堰塞湖溃坝洪水计算的主要认识
徐 照 明 王 永 忠 宁 磊
(长江水利委 员会 设计院 , 湖北 武汉 430010)
图 1 溃口扩展过程和溃口扩展控制参数示意 M IK E 11 溃坝模型范 围包括 通口 河唐 家山 至涪 江汇 口及 涪江干流江油至 小河 坝的 河道 。 堰塞 坝水 库在 模型 中按 照水 位 — 面积曲线添 加附 加容 积(A dd storag e)来 进行 模拟 。 堰塞 湖库容曲线采用震前实测的 1∶2 000 地形图量算 。 溃坝洪水在下游河道中的传播采用一维圣维南方程组来描 述 。 方程组的离散采用 6 点 A bbo tt 中心差分格式 , 离散得到的 线形方程组采用双向消除格式(Double Sweep A lg orithm)求解 。
收稿日期 :2008 -08-28 作者简介 :徐照明 , 男 , 长江水利委员会设计院规划处 , 工 程师 , 硕士 。
第 22 期
徐照明等 :对唐家山堰塞湖溃坝洪水计算的主要认识
87
2 .1 坝址洪峰流量计算结果
表 1 ～ 3 为 3 类典型溃 坝方案在不同起溃水位 、不同溃决 历 时情况下的坝址洪峰流量 。 从表中可以看 出 :① 在溃决历时 相
1 M IKE11 溃坝模型简介
溃坝洪水计算模型 在国内 外得到了 广泛的 应用 。 史 宏达 、 刘臻[ 1] 对溃坝水流数值模 拟的研 究进展 进行了 总结 , 一维溃 坝 问题有传统差 分方 法 、近 似黎 曼 解的 G odunov 型 格 式 、L attice Boltzmann 方法 、流矢 量分 裂法 。 目前 在国 内应 用较 为广 泛 的 溃坝计算模型有经 验公 式法 、美国 DA M BRK 溃 坝及洪 水演 进 模型 、DHI 的 M IK E 11 溃坝模型 、中 国水利水 电科学 研究院 模 型 、长江科学院模型等[ 2] 。
31580 22055 17102 14036
21554 14697 11196
9 05 7
m3/ s
6h 2 60 90 2 38 59 1 77 37 1 19 41 7 60 8
图 4 全溃坝方案洪峰流量沿程变化
2 .2 洪峰的沿程变化及传播时间
在溃坝洪水计算中 , 沿程 洪峰流量 以及洪 峰出现 时间是 计 算的重要成果 。 图 2 ～ 4 为 起溃水位 752 m 情况下 , 不同溃坝方 案的洪峰流量沿程变化图 , 表 4 为不 同溃坝方 案的洪 峰到达 时 间 。 从图和表中 可以 发 现 :① 坝 址 以下 洪峰 流 量沿 程逐 渐 减 小 , 且坝 址洪峰流量越大 , 洪峰流量沿程衰 减就越快 ;② 从坝 址 至通口电 站 , 由 于河道狭 窄 , 存 在多个卡口 断面 , 洪峰流量沿 程 衰减相对较快 , 而从通口电站至永兴场段洪峰流量减小很慢 , 而 永兴场以下由于河道放 宽 , 洪峰 流量有 所衰 减 ;③ 在通 河口 以 上由于河道比降相对较大 , 单位距离的传播时间相对较短 , 进 入 涪江干流后洪峰传播相 对变 慢 ;④ 溃坝 洪水 越大 , 洪峰 传播 越 快。
表 4 3 种典型溃坝方案洪峰到达时间
h :min
地点
1/ 3溃 坝方案
1/ 2溃 坝方案
全溃坝 方案
1h 2h 3 h 1h 2h 3 h 1h 2h 3 h 4h 5h 6 h
坝址 1:00 2 :00 3 :00 1:00 2 :00 2 :48 1:00 1 :44 2 :20 2:32 3 :00 3:24
表 2 1/ 2 溃坝方案坝址洪峰流量
洪峰流量/(m3 · s -1)
1h
2h
68373
44222
58935
40470
40417
26624
25601
17196
14776
9048
3h 30721 28520 19447 12152 6277
图 3 1/ 2 溃坝方案洪峰流量沿程变化
起溃水位/
m
1h
通过溃坝计算 , 可以对水 库(堰塞湖)的溃 决影响 做出定 量 估算 , 从而制定有效的除险方案和避险措施 。 采用 M IK E 11 溃 坝洪水计算模型 , 对唐家山堰塞湖不同溃决历时 、溃口形状及 溃 口发展过程的溃坝洪水进 行计算 分析 , 并对数 学模型 中河道 糙 率 、通口电站滞 洪 、干 流洪水遭 遇等条件进 行了敏感性 分析 , 在 上述工作基础上 , 提高了对溃 坝洪水 及其在下 游演进 的基本 认 识。
峰流量减小 8 .5 %～ 17 %, 洪峰出现时间滞后 40 ～ 60 min 。 表 5 752 m 起溃水位下不同糙率情况下涪江桥断面洪峰流量
溃决历时/ 方案
h
1/ 3 溃坝
1
断面流量/ (m3 · s -1)
10861
方案 全溃坝
溃决历时/ h 1
断面流量/ (m 3 · s -1)
28247
1
10861
永兴场 2:36 3 :24 4 :14 2:06 2 :54 3 :48 1:40 2 :22 3 :04 3:40 4 :34 5:04
青莲镇 3:02 3 :48 4 :38 2:26 3 :14 4 :06 1:54 2 :40 3 :22 3:58 4 :40 5:26
通河口 3:36 4 :22 5 :10 2:50 3 :38 4 :30 2:08 3 :02 3 :44 4:20 4 :56 5:54
16320
742
15544
11955
9453
显 , 说明在天然洪水传播 时间内 涪江桥 断面洪 峰流量主 要取决 于溃坝的可泄水量 ;③ 在溃决 历时 长于 3 h 时 , 洪峰 流量 随着 溃坝历时增长而明显减小 。
图 2 1/ 3 溃坝方案洪峰流量沿程变化
起溃水位/ m 760 752 742 730 720
2 .3 绵阳涪江桥断面洪峰流量
涪江桥断面靠近绵阳 市区 , 该断面 的洪峰 流量结 果对于 分 析溃坝洪水对绵阳市防洪安全的影响具有重要的参 考价值 。 表 5 为 752 m 起溃水 位 情况 下 , 各 方案 的涪 江 桥断 面洪 峰 流量 。 从表中可以看出 :① 涪江桥断面洪峰流量随着溃 坝历时的增 长 而减小 ;② 溃坝历时在 1 ～ 3 h , 涪江桥断 面洪峰 流量变 化不 明
直 , 且左坡角和右坡角相等)组成 。 溃口的扩展通过时间序列进 行描述 。HB 、WB 、SS 在时 间序列 给定 时间 点之间 按线 性插值 确定 。 本次研究中溃口底部高程及溃口底部宽度均按时间线性 变化 , 溃口坡度保持不变 , 以模 拟堰塞 体的逐 渐溃决 过程(溃口 扩展过程和溃口扩展控制参数见图 1)。