淺談土石壩漫頂潰決模型論文

1、淺談土石壩漫頂潰決模型論文淺談土石壩漫頂潰決模型論文1 潰口幾何形態(tài)潰口的幾何形狀對(duì)潰口水力過(guò)程影響很大。潰口的形狀通常概化為矩形、三角形或梯形，或?qū)嗝娓呕癁閽佄锞€形。根據(jù)對(duì)大量的人工土石壩潰決事件以及汶川地震災(zāi)區(qū)堰塞湖潰決的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，潰決后的壩體潰口多呈梯形或兩側(cè)為均勻斜坡底部為拋物線的形態(tài)特征。在本計(jì)算模型中，將潰口的幾何形態(tài)概化為梯形，潰口形狀由：潰口底寬b、潰口深度z和潰口邊坡參數(shù)s3個(gè)參數(shù)確定。潰口通道坡度較小，在計(jì)算時(shí)可假定為水平，au和d分別為壩體迎水面和背水面邊坡。2 潰口堰流方程潰口假定為梯形，潰口流態(tài)可以認(rèn)為是急變流，通過(guò)潰口或壩頂水流的水力特征用寬頂堰流描述。潰口出流過(guò)

2、程是潰口幾何形狀和潰口水頭的函數(shù)，可以用下式表示Qb=1.71b(T(H-Z)1.5+1.2so(H-Z)2.5(2)(T=1H2Z<23(H-Z)1-2.783(H2-ZH-Z-0.67)3H2-Z>23(H-Z)(3)式中H為堰塞湖水深，Z為潰口相對(duì)于壩頂?shù)母叱?，s為潰口邊坡，取決于壩體組成物質(zhì)的內(nèi)摩擦角(B),可取s=tan(45°+(3/2),(7為淹沒(méi)系數(shù)，H2為壩下游正常流深，可以近似用曼寧公式表示H2=(Qbnd1.49J0.5B0)(4)式中n2為曼寧糙率系數(shù)，J為壩體下游河道坡度，Q6為前一個(gè)時(shí)段潰口出流量。3 庫(kù)區(qū)水量平衡堰塞湖或水庫(kù)庫(kù)容可以用水位-庫(kù)

3、容關(guān)系表示W(wǎng)=aHn(5)式中W為庫(kù)容，H為水深，n為庫(kù)容指數(shù)。對(duì)于特定的壩體，其水位庫(kù)容曲線可以由地形圖繪制。上式適用于堰塞湖表面為水平時(shí)，一旦潰決開(kāi)始，湖水就會(huì)向潰口集中并沿潰口下泄，這時(shí)由于庫(kù)區(qū)水面坡度較小，仍可認(rèn)為上式適用。這時(shí)堰塞湖水量平衡可以表示為dWdt=Qi-Qb-Qs-Qp(6)式中Q為入庫(kù)流量，Qb通過(guò)潰口的流量，Qs為通過(guò)溢洪道的流量，Qp為管涌出流量。由于潰壩時(shí)間尺度較短，因?yàn)檠呷麕?kù)區(qū)的蒸發(fā)作用可忽略不計(jì);對(duì)于天然土石壩漫頂潰決，若無(wú)溢洪道且管涌量較小，可忽略通過(guò)溢洪道和管涌的流量。則通過(guò)式(5)和式(6)可得anHn-1dHdt=I-Q(7)式中I為入庫(kù)總流量，Q為出

4、庫(kù)總流量。如果在壩體潰決的時(shí)間段內(nèi)，入庫(kù)流量可以認(rèn)為是常數(shù)，則上式中只包含兩個(gè)未知量，堰塞湖水面高程H和潰口的出流量Qb,通過(guò)水深和時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以求解出庫(kù)流量。4 潰口泥沙輸移當(dāng)堰塞湖水位到達(dá)壩頂時(shí)，水流漫過(guò)壩頂從而對(duì)壩頂形成沖刷過(guò)程;被侵蝕的泥沙由水流帶走，從而使?jié)⒖诓粩鄶U(kuò)大。潰口的大小和潰口流量決定于潰口水流的沖刷能力，而水流的沖刷能力又與潰口大小和流量有關(guān)，二者是相互聯(lián)系的。潰口泥沙侵蝕和輸運(yùn)能力的大小與潰口的形狀、筑壩物質(zhì)的性質(zhì)、壩址下游的.水位等水力因素有關(guān)。目前潰口泥沙的侵蝕和輸運(yùn)機(jī)理，特別是高速水流下的泥沙侵蝕和輸運(yùn)機(jī)理仍不清楚，許多模型使用泥沙輸移方程表示潰口的泥沙輸移和

5、潰口下切拓寬過(guò)程，例如廣泛應(yīng)用的Meyer-Peter-Muller公式(如Breach模型)和Einstein-Brown推移質(zhì)公式(如beed模型)。但是由于這些公式的基本假定為緩變流和水深遠(yuǎn)大于泥沙顆粒粒徑的條件。而天然土石壩其組成物質(zhì)小到粘粒，大至幾十米的礫石，級(jí)配很寬，且潰口流態(tài)為急變流，因而這些公式是否適用于天然堰塞壩的潰決仍需繼續(xù)研究。5 計(jì)算方法及程序化模型可以用來(lái)模擬壩體潰口侵蝕過(guò)程，估計(jì)壩體潰決參數(shù)，包括潰口流量過(guò)程線，潰決持續(xù)時(shí)間以及潰口在潰決過(guò)程中和潰決結(jié)束后的幾何形狀。模型計(jì)算假定潰口形狀為梯形，需要輸入潰口邊坡，壩體物質(zhì)組成和幾何特征，堰塞湖的水深-庫(kù)容關(guān)系以及堰塞

6、湖入流量等參數(shù)。計(jì)算過(guò)程中主要變量為每一時(shí)間段的堰塞湖水位H和潰口底部高程Z(或潰口深度z)。設(shè)計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為At,則式可以寫(xiě)差分形式Hn(i+1)-Hn(i)At=1aI-12(Qi+1+Qi)(20)6 天然土石壩潰決實(shí)例分析天然堰塞壩的潰決過(guò)程鮮有較為詳細(xì)的記錄。汶川地震中形成的唐家山堰塞湖的安全泄流過(guò)程，為探討模型模擬天然土石壩潰決過(guò)程的可行性，以及模型參數(shù)的選擇等問(wèn)題，提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。6.1 唐家山堰塞壩概況唐家山堰塞壩位于北川縣城上游直線距離3.2km,苦竹壩水電站上游2km的通口河上，集水面積3550km2壩址區(qū)通口河谷為不對(duì)稱(chēng)的V型谷，右岸較陡，坡度約為60°左

7、岸坡度較緩，坡度約為30°。岸坡為殘坡積碎石土層，最大厚度15m。唐家山滑坡為順層巖質(zhì)滑坡，主要巖性為深變質(zhì)砂板巖，滑坡體長(zhǎng)600m寬200m厚度80903滑坡堆積體積2.04Xl07m3堰塞體碎石土由粉質(zhì)壤土、巖屑和塊石組成，其中粉質(zhì)壤土占50%-60%巖屑30%-35%假彳5520cm),塊石占10%-15%壩頂左側(cè)最大高程785nl右側(cè)為755nl中部最低為752.2m,壩趾高程為669.5m,最大壩高122.2m,有效壩高80.3m;壩體迎水面坡度為20°，背水坡平均坡度為32°。6.2實(shí)測(cè)潰決洪水過(guò)程2008-06-07T08:00,壩前水位漲至740.

8、43m,水庫(kù)開(kāi)始通過(guò)人工溢洪道溢流。06-09T14:00，由于水流的不斷沖刷，溢洪道開(kāi)始初現(xiàn)下切和拓寬過(guò)程。06-10T01:00，堰塞湖達(dá)到最高水位743.1m，T07:00通過(guò)溢洪的流量已達(dá)497m3/s,堰塞湖開(kāi)始泄洪，水流的強(qiáng)烈沖刷使得溢洪道迅速的拓寬和加深，通過(guò)流量迅速增大;T08:00泄洪流量已增至940m3/s,壩前水位742.8m;T12:30出現(xiàn)洪峰流量,壩前水位735.8m,流量為6500m3/s;隨后，溢洪道的流量迅速的減小，T20:00,唐家山堰塞湖壩前水位回落至719.48m,蓄水量為1.12Xl08m3泄流梢泄流流量為290m3/s。至06-11T07:00,壩前

9、水位715.2m,流量為71.8m3/s,基本與通口河5月中旬日平均流量相當(dāng)。唐家山堰塞湖排險(xiǎn)泄流過(guò)程基本結(jié)束，工程排險(xiǎn)泄流取得成功，泄流過(guò)程線。唐家山堰塞壩泄流過(guò)程中，堰塞湖共排出水量1.7X108m3水位降低27.9m。7參數(shù)敏感性分析模型中需要輸入?yún)?shù)包括潰口邊坡，壩體物質(zhì)組成和幾何特征，堰塞湖的水深-庫(kù)容關(guān)系以及堰塞湖入流量等4個(gè)方面的，潰口邊坡可以通過(guò)壩體物質(zhì)天然內(nèi)摩擦角確定，壩體幾何特征和堰塞湖的水位庫(kù)容關(guān)系可以通過(guò)測(cè)量加以確定，這3個(gè)參數(shù)對(duì)于特定壩體而言都為定值。但是代表壩體物質(zhì)組成的物料系數(shù)卻為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，其取值取決于對(duì)壩體特征的判斷，文中在其他參數(shù)相同的條件下，通過(guò)不同的物料系

10、數(shù)，對(duì)唐家山堰塞湖的潰決過(guò)程進(jìn)行了演算。從表5中可以看出，模型計(jì)算中物料系數(shù)對(duì)壩體潰決過(guò)程的相關(guān)影響較大，尤其是對(duì)峰值流量的影響最大，其計(jì)算結(jié)果相差將盡7倍，當(dāng)和時(shí)計(jì)算相差也近3.5倍，因此在模型計(jì)算時(shí)，物料系數(shù)的選擇應(yīng)非常謹(jǐn)慎。從唐家山堰塞壩的物質(zhì)組成來(lái)看，粉質(zhì)壤土和較小巖屑占到80%以上，塊石含量較少。模型計(jì)算過(guò)程中選擇土類(lèi)3（含土料較多的土石壩），從計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值得吻合程度來(lái)看，選擇比較合理。8結(jié)語(yǔ)通過(guò)潰口水力過(guò)程，泥沙輸移過(guò)程，壩體物質(zhì)組成和幾何特征，建立了土石壩漫頂潰決過(guò)程的計(jì)算模型。模型中，使用堰流方程來(lái)模擬潰口的出流過(guò)程，使用經(jīng)驗(yàn)公式確定潰口最終的幾何形狀和潰口處得泥沙沖蝕量，

11、并以此確定潰口在某一個(gè)瞬時(shí)的深度。通過(guò)堰塞湖的水量平衡確定其水深隨時(shí)間的變化過(guò)程，從而確定潰口水頭和潰口流量過(guò)程。由于天然堰塞壩體在幾何形態(tài)和物質(zhì)組成上的復(fù)雜性，對(duì)于潰口最終幾何特征和潰口的泥沙輸移過(guò)程，目前仍只能通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式加以確定。模型需要輸入?yún)?shù)包括潰口邊坡，壩體物質(zhì)組成和幾何特征，堰塞湖的水深-庫(kù)容關(guān)系以及堰塞湖入流量等4個(gè)方面有，可以計(jì)算口流量過(guò)程線，潰決持續(xù)時(shí)間以及潰口在潰決過(guò)程中和潰決結(jié)束后的幾何形狀。汶川地震中形成的眾多堰塞湖中，唐家山堰塞壩體體積和蓄水量最大，其安全泄流過(guò)程引起了全世界的關(guān)注，也為天然堰塞壩潰決過(guò)程的模擬提供了有力的數(shù)據(jù)支持。但是從堰塞壩潰決風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估角度來(lái)看，事先制定的1/3瞬潰方案顯然有極大的不合理性，其計(jì)算所得峰值流量也與實(shí)測(cè)值有很大出入，其主要原因在于:1.天然土石壩的潰決過(guò)程不可能為瞬時(shí)潰決;2.其最終潰決的深度難以確定。模型中，考慮了堰塞湖的水量平衡，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M潰口的沖蝕過(guò)程，通過(guò)寬頂堰流方程模擬潰口流量過(guò)程，與天然堰塞壩潰決物理過(guò)程比較吻合。通過(guò)唐家山堰塞壩潰決過(guò)程反演，可以看出模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值比較吻合;但是由于在模型計(jì)算中未將溢洪道開(kāi)挖考慮在