梯级水库群洪水溃坝模拟

以 某 河 流 的 ７ 个 梯 级 水 库 为 研究 对 象 ， 合 理 地 拟 定 各 梯 级 水 库 不 同 大 坝 类 型（ 土石坝、 拱坝、 混凝土重力坝） 摘 要 ： 的 溃 决 形式 、 溃 口 发生 过 程 及 形 态 ， 针 对 各 类 型 水 库 漫顶 即 溃 坝 和 土 石 坝 漫顶溃 坝 ， 拱坝、 重 力 坝 漫顶 过 流 不 产 生 溃 坝 两 运用 Ｄ 计 算 主 汛 期 超 标准 洪 水 和 后 汛 期 超 标准 洪 水 时 梯 级 水 库 的 连 锁 响 应 以 及 溃 种极限状态， ａ ｍ Ｂ ｒ ｅ ａ ｋ 溃 坝 模型 原 理 ， 坝洪水向下游库群的演进过程， 分析 流 域 内 各水 库 溃 坝 发生 的 因 果 关 系 ， 并 得 出 各水 库 溃 坝 发生 的 相 对 时 间 及 各 特 征 断 面的最高水位、 流 量 等 特征 值 。 汛 期 超 标准 洪 水 时 流 域 梯 级 水 库 的 溃 坝 模 拟 分 析 结 果 ， 为降 低 大 坝 风 险、 制定应急预案 和 防 灾 减 灾 提 供 了 科学 的 决策依据 。 大坝类型； 主 汛 期 超 标准 洪 水 ； 后 汛 期 超 标准 洪 水 ； 溃 坝 模型 关键词 ： ＴＶ ６ ９ ７． １ ２ 文献标识码 ： Ａ 中图分类号 ：
收稿日期 ： ２ ０ １ ０ １ ２ ０ ９ － － ） 。 基 金项 目 ： 国家自然科学基金 重 点 资助项目 （ ５ ０ ７ ３ ９ ０ ０ ３ ， 作者简介 ： 刘 庆红 （ 男， 工程师 。 １ ９ ７ ８－） 图 １ 溃 口 数 学 描 述示意 图
如： 黄金池
［ １］
将 溃 口 扩 展 过 程与 高强度 泥 沙 冲 刷 计 算 公 式 联 系
期模 型 的研究 重 点 主 要 集 中 在 模 型 的 求 解 方 法 和 单 一 库 坝 型
［ ５］ 的溃坝模拟， 如： Ｇ ｏ ｔ ｔ ａ ｒ ｄ ｉ 提出二阶中心格式来求解二维 溃 坝 ［ ６］ 模型， Ｆ ｒ ａ ｎ ｃ ｅ ｓ ｃ ｏ 提 出 了 针 对 溃 坝 模 型提 出 了 全 变 差 消 减 中 心
（ ，Ｈ ； １．Ｈ ｄ ｒ ｏ － Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｈ ｕ ａ ｄ ｏ ｎ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ Ｃ ｏ ｒ ｏ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｚ ｈ ｏ ｕ ３ １ ０ ０ １ ４， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｙ ｇ ｇ ｇ ｐ ｇ ，Ｗｕ ，Ｗｕ ） ２． Ｓ ｔ ａ ｔ ｅ Ｋ ｅ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｏ ｆ Ｗ ａ ｔ ｅ ｒ Ｒ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ Ｈ ｄ ｒ ｏ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｈ ａ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｈ ａ ｎ ４ ３ ０ ０ ７ ２， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｙ ｙ ｙ ｐ ｇ ｇ ｙ ： ， Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ａ ｅ ｒ ａ ｄ ｅ ｔ ａ ｉ ｌ ｅ ｄ ｄ ａ ｍ ｂ ｒ ｅ ａ ｋ ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｆ ｏ ｒ ｓ ｅ ｖ ｅ ｎ ｃ ａ ｓ ｃ ａ ｄ ｉ ｎ ｄ ａ ｍ ｓ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｒ ｉ ｖ ｅ ｒ ｈ ａ ｓ ｂ ｅ ｅ ｎ ｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｄ ｏ ｕ ｔ ｕ ｓ ｉ ｎ ｐ ｐ ｙ ｇ ｇ （ ， ａ ｔ ｔ ｅ ｒ ｎ ｓ １ １Ｄ ａ ｍ Ｂ ｒ ｅ ａ ｋ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ． Ｔ ｈ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍ ｏ ｆ ｄ ａ ｍ ｂ ｒ ｅ ａ ｃ ｈ ａ ｎ ｄ ａ ｒ ｅ ｓ ｅ ｔ ｆ ｏ ｒ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｄ ａ ｍ ｔ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｔ ｈ ａ ｎ ｄ ｒ ｏ ｃ ｋ ｆ ｉ ｌ ｌ ｄ ａ ｍ ａ ｒ ｃ ｈ ｄ ａ ｍ Ｍ Ｉ Ｋ Ｅ ｐ ｙ ｐ ： ｃ ｏ ｎ ｃ ｒ ｅ ｔ ｅ ｄ ａ ｍ） ． Ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｕ ｄ ｃ ｏ ｎ ｓ ｉ ｓ ｔ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ｏ ｈ ｏ ｔ ｈ ｅ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ Ｓ ｃ ｅ ｎ ａ ｒ ｉ ｏ ｓ ｏ ｆ ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ ｄ ａ ｍ ｄ ｕ ｅ ｔ ｏ ｏ ｖ ｅ ｒ ｔ ｏ ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ａ ｌ ｌ ｔ ｅ ｓ ｒ ａ ｖ ｉ ｔ ａ ｎ ｄ ｙ ｙ ｐ ｐ ｐ ｇ ｙ ｐ ｇ ｙ ； ｏ ｆ ｄ ａ ｍ ｓ ｆ ａ ｉ ｌ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ ｅ ａ ｒ ｔ ｈ ａ ｎ ｄ ｒ ｏ ｃ ｋ ｆ ｉ ｌ ｌ ｄ ａ ｍ ｓ ｗ ｈ ｉ ｌ ｅ ｓ ａ ｆ ｅ ｔ ｆ ｏ ｒ ｃ ｏ ｎ ｃ ｒ ｅ ｔ ｅ ｄ ａ ｍ ｓ ａ ｎ ｄ ａ ｒ ｃ ｈ ｄ ａ ｍ ｓ ｄ ｕ ｅ ｔ ｏ ｏ ｖ ｅ ｒ ｔ ｏ ｉ ｎ ． Ｔ ｈ ｅ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｃ ｏ ｍ－ ｒ ａ ｖ ｉ ｔ ｙ ｐ ｐ ｇ ｇ ｙ ｒ ｅ ｓ ｅ ｒ ｖ ｏ ｉ ｒ ｓ ｏ ｕ ｔ ｆ ｌ ｏ ｗ ｓ ａ ｎ ｄ ｆ ｌ ｏ ｏ ｄ ｒ ｏ ｕ ｔ ｉ ｎ ｆ ｒ ｏ ｍ ｂ ｒ ｅ ａ ｃ ｈ ｔ ｏ ｄ ｏ ｗ ｎ ｓ ｔ ｒ ｅ ａ ｍ ｄ ｕ ｅ ｔ ｏ ｅ ｘ ｔ ｒ ａ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ａ ｒ ｆ ｌ ｏ ｏ ｄ ｏ ｆ ｍ ａ ｏ ｒ ｆ ｌ ｏ ｏ ｄ ｓ ｅ ａ ｓ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｆ ｌ ｏ ｏ ｄ － ｕ ｔ ｅ ｓ ｇ ｙ ｊ ｐ ｅ ｎ ｄ ｉ ｎ ｓ ｅ ａ ｓ ｏ ｎ ． Ｔ ｈ ｅ ｍ ａ ｘ ｉ ｍ ｕ ｍ ｆ ｌ ｏ ｏ ｄ ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ａ ｔ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｃ ｒ ｏ ｓ ｓ ｓ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｒ ｉ ｖ ｅ ｒ ａ ｎ ｄ ｔ ｒ ａ ｖ ｅ ｌ ｔ ｉ ｍ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｆ ｌ ｏ ｏ ｄ ｗ ａ ｖ ｅ ｓ ａ ｔ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｄ ａ ｍ ｓ ｇ ｒ ｅ ｄ ｉ ｃ ｔ ｅ ｄ ．Ｔ ｈ ｅ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｅ ｌ ａ ｎ ｓ ｌ ｏ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ａ ｌ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｒ ｉ ｖ ｅ ｒ ａ ｒ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｄ ａ ｍ ｂ ｒ ｅ ａ ｋ ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ｃ ａ ｎ ａ ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｔ ｉ ｆ ｉ ｃ ｂ ａ ｓ ｉ ｓ ｆ ｏ ｒ ｅ ｖ ａ ｃ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｐ ｐ ｐ ｇ ｙ ｒ ｉ ｓ ｋ ａ ｓ ｓ ｅ ｓ ｓ ｍ ｅ ｎ ｔ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ａ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｅ ｄ ａ ｒ ｅ ａ ． ： ； ； ； Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ Ｔ ｅ ｓ ｏ ｆ ｄ ａ ｍ ｓ ｅ ｘ ｔ ｒ ａ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ａ ｒ ｆ ｌ ｏ ｏ ｄ ｏ ｆ ｍ ａ ｏ ｒ ｆ ｌ ｏ ｏ ｄ ｓ ｅ ａ ｓ ｏ ｎ ｅ ｘ ｔ ｒ ａ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ａ ｒ ｆ ｌ ｏ ｏ ｄ ｏ ｆ ｆ ｌ ｏ ｏ ｄ － ｅ ｎ ｄ ｉ ｎ ｓ ｅ ａ ｓ ｏ ｎ Ｄ ａ ｍ ｂ ｒ ｅ ａ ｋ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｙ ｙ ｐ ｙ ｊ ｙ ｇ 关系到国家间的政 大 型 河 流 的水 能 开发 及 洪水 安 全 保 障 ， 治、 经济、 社会 等 各 个 层 面 ， 是较为敏感的安全问题。本文研究 的７个梯级水 库 位 于 我 国 境 内 的 某 河 流 上， 大坝校核标准由 大 坝 类型不 同 （ 包 括 土石 坝 、 混凝土 ５ ０ ０年至５ ０ ０ ０ 年 一 遇 不等 ， 。因此， 重力坝、 拱 坝 等） 该流域库群溃坝问题是一个十分复杂 和重 要的 问题 ， 流 域 梯 级 示意图 如 图 １。 当大坝溃决时， 水库 蓄 水 量经过 溃 口 极 速 下 泄 到 下 游 河 道 中， 造成 灾 害 型 的 突 发 性 洪水 ， 对于 溃 坝 洪 水 的 研 究 ， 国内外学 者 都 较 为重 视 ， 根据对 大 坝 溃 口 形 态 描 述、 溃口流量以及溃口 演进过程物理机制的 合 理 描 述， 提 出 了 不 同 的 溃 坝 模 拟 模 型，
ｉ ｉ１ ｉ ｉ１ （ ／ ／ ／ Ｉ ２－ （ Ｑ ２＝Δ ｓ ｔ ＋Ｉ＋ ） ＋Ｑ ＋ ） Δ
区和 低 危 险 区 ， 林江 过程。
［ ９］
建立了平面二维溃坝水流泥沙数学模
Leabharlann Baidu
型， 模 拟 云 南 某 尾 矿 坝 溃 坝 后 的洪水 演 进 及 矿 砂 在 下 游 的 淤 积
而 对于 流 域不 同 大 坝 防 洪 标 准 和 不 同 坝 型 水 库 群 的 复 杂 建设格局分布， 当上 游低 标准 水库 由于 各 种 原 因 发 生 损 坏 以 致 溃坝时， 下 游 较高标 准 水 库 不 能 成 功 抵 御 ； 再者某些水库溃决 后， 溃 坝 洪水 是 否 对 下 游 水库 及 特 定 区 域 产 生 较 大 影 响 ； 此外， 在 流 域 发生 超 标 准 洪 水 甚 至 溃 坝 洪 水 时 ， 重点河段的特征水 位、 流量、 预 警 时间 等 都 将 是 非 常 重 要 和 敏 感 的 参 数 ， 其对河道 流经地区的人民生活和生命财产安全的影响程度如何， 这些问 溃坝洪水预案的重要 题 的研究 是 科 学 制 定 流 域 超 标 准 洪 水 、 依据。
Ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｄ ａ ｍ Ｂ ｒ ｅ ａ ｋ Ｆ ｌ ｏ ｏ ｄ ｆ ｏ ｒ Ｃ ａ ｓ ｃ ａ ｄ ｅ Ｒ ｅ ｓ ｅ ｒ ｖ ｉ ｏ ｒ ｓ
１ ２ １ １ １ ， ， ｉ ｎ ｕ ａ ｎ Ｌ Ｉ Ｕ ｈ ｏ ｎ Ｆ Ｕ Ｘ ｉ ａ ｎ Ｈ Ｅ Ｈ ａ ｉ Ｚ Ｈ Ａ Ｎ Ｇ Ｘ ｉ ｕ ｌ ｉ Ｌ Ｉ Ｕ Ｇ ｕ ａ ｎ ｂ ａ ｏ － － － － Ｑ ｇ ｙ ｇ， ｇ， ｇ
中国农村水利水电 ·２ ０ １ １ 年第 ３ 期
（ ） 文章编号 ： １ ０ ０ ７ ２ ２ ８ ４ ２ ０ １ １ ０ ３ ０ １ ７ ３ ０ ５ － － －
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梯级水库群洪水溃坝模拟
刘 庆红１， 付 湘２， 何 海 源１， 张 秀 丽１， 杜德 进１， 刘 光 保１
（ ） 华 东 勘 测 设 计研究院 ，浙 江 杭 州 ３ 武汉 大学 水资源与水电工程科学国家 重 点实 验 室 ， 湖 北 武汉 ４ １． １ ０ ０ １ ４； ２． ３ ０ ０ ７ ２
［ ２］
起来， 建立 了 堰 塞 坝 逐 渐 溃 决 数 学 模 型 。 美 国 工 程 兵 团 开 发 ＨＥ Ｃ －Ｒ Ａ Ｓ模 型 进 行 河 道 洪 水 演 进 计 算 Ｂ Ｒ Ｋ 模型
［ ３］
， Ｆ ｒ ｅ ａ ｄ 提 出 的 ＤＭ－
［ ４］ 以及 丹麦 水 力 研究所 Ｍ Ｉ Ｋ Ｅ １ １的溃坝模型 。近
１ ７ ４
［］ 格式， Ｓ ｅ ｒ ｉ ｏ７ 研究出 不 连 续 的 加 勒 金 法 来 求解 溃 坝 问 题 ， Ｋ ｈ ｏ ｇ ８］ 等［ 针 对 土石 坝 进 行 溃 坝 洪水模 拟 分 析 ， 以确定下游的高危险
梯 级 水 库 群 洪 水 溃 坝 模 拟 刘 庆红 付 湘 何 海 源 等 为闸门过流面积； Ｌ ｈ Ｑ ｄ 为 坝 顶 长 度 减Ｌ ｓ； ｄ 为坝顶高程； ｔ 为与 水 头 无关 的 固 定 下 泄 流 量 项 。 水库总出库 流 量 过 程 是 水 库 蓄 水 和 入 库 流 量 共 同 作 用 的 结果， Ｄ ａ ｍ ｂ ｒ ｅ ａ ｋ 模 型 采 用 水文 蓄 量 法 来 推 求 水 库 总 出 库 流 量 ， 方程如下 ／ Ｉ－Ｑ ＝ ｄ ｓ ｄ ｔ 变化率。 将 上 述 方 程 用有 限 差 分法 离 散 可 得 ：