溃坝洪水演进的理论分析——读书报告

堤坝溃决洪水演进的理论分析

摘要：崩滑堵江事件在世界范围内，尤其在山区广泛存在。每年因为类似事件

的发生都会至少造成数以千万计人的生命财产受到不同程度的威胁及伤害，崩滑堵江事件及其灾害链已严重影响人类的工程经济活动。因此对于堤坝溃决洪水的演进分析便显得尤为紧迫。本文对洪水演进进行了理论分析，得出了相关结论，为日后的工程实际活动很好地提供了理论指导。

关键词：堤坝溃决；洪水演进；理论分析

Theoretical analysis of flood routing after dam break

The natural damming of rivers by landslides is a significant hazard in many areas. Landslide damming is particularity common in mountainous regions.Every year,related events have caused at least tens of millions of people's life and property being threatened and damaged.Debris blocking river events and disasters chain has serious impact on human engineering activity.So it’s necessary to carry on theoretical analysis of flood routing after dam break.This paper has worked on the theoretical analysis,related conclusions have been drawn,which could well provide a theoretical guidance on further engineering practical activity.

Key words: dam break;flood routing;theoretical analysis

1.研究目的与意义

崩滑堵江形成的天然堵江(堆石)坝高几米至几百米,其最大坝高比目前世界上已建、在建或拟建的人工土石坝均高;堰塞湖体积从几十万方至上百亿方,大者足以与人工水库相媲美;存在时间由几十分钟至上千年;溃坝后形成的洪水异常凶猛,洪峰高几米至几十米,演进过程中造成严重灾害[6]。

因此, 认识掌握堤坝溃决机理并对堤坝溃决过程进行模拟, 对于建立堤坝溃决的早期预警体系、人员紧急疏散预案和基于风险的堤坝设计方法等都具有重要意义.对于洪水演进进程作理论研究与分析，旨在了解整个发生过程，为实际发生的工程事件提供理论支撑。

2.国内外研究动态

洪水演进模拟是指模拟洪水冲出大坝后在下游区域的流动过程,目的是获得洪水淹没区域及各处的流量、水位、流速、波前和洪峰到达时间等。

国外溃坝洪水计算主要有BEED模型,美国国家气象局的DAMBRK模型、BREACH模型、FLD-WA V模型,丹麦水科学研究所的MIKE11模型以及荷兰的DELFT-3D模型等。国内系统研究溃坝数值模型始于20世纪70年代,其中一维模型的研究成果较多,平面二维数值溃坝洪水计算成果相对较少,且多为较理想的边界情况[9]。

目前专门针对堰塞坝开展的溃坝研究还比较少见,大多是与人工土石坝的溃坝、水利工程土坝溃坝研究相结合,或借用人工土石坝溃坝模拟的研究成果。国内外学者对灾难性溃坝洪水做了大量的试验研究,对洪水的演变进行了一系列的模型试验,有的研究者还进行了野外试验,前人的这些工作使溃坝洪水的研究有了很大进步。Costa等人统计了73处堰塞湖的溃决,发现溃决的主要方式为溢流,而管涌和边坡失稳引起的溃决只占很小比重。许强等人统计了汶川地震后有一定规模和代表性的32处溃决堰塞湖,发现84.4%的堰塞湖溃决属于漫顶溃决。但目前国内外针对地震堰塞湖漫顶溃决洪水演进的研究相对比较缺乏,所以在这一领域还需开展大量的研究[3]。

3.研究内容与方法

关于溃决洪水演进的理论分析主要包括溃决洪水峰顶流量计算、溃决洪水洪峰演进过程计算等。

3.1溃决洪水峰顶流量计算

溃洪水峰顶流量计算是最受关注和研究最早的课题之一。其大小与溃坝前上、下游水深和坝址断面形状及尺寸有关,而其计算方法则取决于溃坝形式:瞬间全部溃决、瞬间部分溃决和逐渐溃决[6]。

3.2溃决洪水洪峰演进过程计算

溃决洪水洪峰高度演进是决定灾害程度的直接因素。溃决洪水过程线与溃坝形式、最大流量、入湖(库)流量、下游水位等有关,至今无统一推求方法。采用水量平衡原理分析出的概化过程线，作为近似的溃坝洪水过程线[6]。

4.计算过程

4.1溃决洪水峰顶流量计算

4.1.1瞬间全部溃决情况

图1 河道断面示意图

如图1所示，为河道断面示意图。为了使各种河谷断面的不同出流情况都能适用,在分析了坝址处溃坝后初瞬水流流态的基础上,假定河道底坡水平,忽略阻力影响,并近似认为溃坝前上下游流速为零。利用特征线法,联解动力方程和连续方程,可得初溃水流的特征如下[6]。

4.1.2瞬间部分溃决情况

图2 堵江坝局部溃决形式示意图

同样假设平底、无阻力河道外,还假定坝轴线垂直于流向、溃口顶部近水平、坝前水体静止,堰塞湖水面高程在负波通过后即维持不变。根据波能量变化与外力的关系,可得出局部溃决时的峰顶流量公式[6]:

4.2溃决洪水洪峰演进过程计算

图3 溃坝洪水过程线

理论分析表明,坝体突然溃决后,溃坝洪水向下游传递的流态可分为上游静水区、过渡区、涌波区和下游静水区。一般采用不恒定流计算方法进行洪流演进计算,经检验可采用以下公式计算下游距坝址某处的洪峰高度Hmx[6]:

（1）

为溃坝最大水深, m ; A为河谷断面其中, Hmx为距坝址x处洪峰高度,m ; H

10

为河床比降; W为堰塞湖库容,m3; x为下游距坝址距离,m。

系数; i

5.结论与讨论