平原土石坝逐渐溃计算模型的比较分析

张云轩

【摘要】目前我国有近9万作水库，其中93%为土石坝；土石坝所使用的材料是松散的当地土石料，所处的坝基多是地质情况不是特别理想的土基，所以土石坝是最容易发生溃坝的坝型。研究土石坝的方法有很多，本文将土石坝逐渐溃坝分析方法分为三类，比较不同分析方法下所使用的数学模型的特点即使用条件，并对每种方法的缺陷及产生缺陷的原因进行了论述。【关键词】平原土石坝；逐渐溃；计算方法土石坝是应用最早、应用最为普遍的一种坝型的一类坝型，不同于拱坝和重力坝所使用混凝土，土石坝的则是当地的土石料，而这种材料的孔隙率较大，粘结力与摩擦角也相对与混凝土较为低下，加之建设时间较久、管理运行操作不当等原因，土石坝的溃坝率也比其他坝型高很多，据我国水利部大坝安全管理中心的统计数据显示：从1954年至2007年，我国共有3503座水库大坝发生溃决，其中98%为土石坝。经过国内外学者长期研究，发现瞬间溃和逐渐溃是溃坝的两种主要形式，在早期的土石坝溃坝研究时，研究人员一般用瞬时溃来模拟土石坝溃坝，因为其瞬时溃坝过程分析较为简单，但后来随着研究的不断深入土石坝的溃决过程不同于使用混凝土材料的重力坝，溃坝时间只有几十秒，土石坝溃坝持续时间较长，一般从15min至5h以上不等，且峰顶流量等参数比较于混凝土坝都小。后来，开始用逐渐溃的模型来研究土石坝的溃坝过程不同于机理清晰的瞬时溃模型，土石坝溃坝的发生、发展和溃决的影响因素较为复杂，无法简单地直接模拟，但经过国内外无数学者的努力，这项研究如今已较为成熟。目前，计算溃口流量的主体是对坝址流量过程的计算，研究的基本方法分为物理模型试验法和数学模型法两种，由于数学模型法不需要建造实体模型，所以研究费用低廉研究过程放方便简化，自20世纪60年代来，已经成为了溃坝分析的主流。1、模型的分类对于土石坝逐渐溃的大部分的溃口流量计算多是采用分段模型法，对于分段模型法，其假设溃口下游水位较低，溃口出流为自由出流，绝对不能引起淹没出流，所以对于大多数平原都适用。可以对模型进行简单的分类，本文大致可以分为三类：第一类的思路是先只设置初始溃口形状然后假设溃口形状不会改变，然后利用泥沙冲刷公式去计算溃口发展过程与流量过程，此类方法在研究初期溃口的形成只考虑溃口底部冲蚀引起的溃口发展，后来经过模型的发展，溃口的发展逐步考虑到侧向冲蚀与边坡坍塌，而且考虑到植被与坝体边坡的影响，此类模型有CRISTOFANO、H-W、BRDAM等；第二类的思路是设置溃口的预先设置溃口的最终尺寸，进而反推溃口发展过程，进而反推溃口的发展过程与流量过程，此类模型有DAMBRK等；第三类是直接对溃口形状不做假定，而是根据大坝溃决机理与剪应力分析推导出溃口形状的解析解，不同于前两类方法，此类方法的尺寸与形状都是数学解析式的形势呈现的，此类方法有LOU 、NOGUEIRA。对三类方法进行。2、模型的特点综合分析比较三类方法的特点。第一类的优点在于求解的结果只要溃口形状接近，求得的流量过程误差比较稳定，不同经验公式的偏差较小；缺点在于对参数，特别是筑坝材料的参数要求比较苛刻，需要土体的容重、级配、内摩擦角、内聚力、含水率、孔隙率、糙率、干重度等参数。产生这个缺点的原因经分析为该类方法使用的泥沙冲刷公式是由是力学与土力学公式推求得来，所以对水流形态参数与筑坝土体的参数要求较为繁多。第二类的优点在于建模快速，计算简单，计算需要的参数较少而且数据获得较为容易，只需要知道库容及库容水位曲线、坝高、坝体长度即可；但是缺点就是一次方法建起数学模型会因使用的计算公式的不同产生较大误差，存在误差不稳定情况。产生此类缺点的原因本文归结为三点：一是假设的溃口的最终形状与实际溃口的最终形状有误差；二是不同经验公式本身也有误差存在；三是因为此类方法的核心假设在于假设溃口发展为匀速，与实际不符。第三类方法的优点在于不用假设溃口的形状，实际溃口的发展基本不可能为前两种方法假设的标准的矩形、三角形、梯形、抛物线形，所以不对溃口形状进行预先假设也就减少了因溃口假设与实际情况偏差引起的误差；此类方法的缺点是需要知道筑坝土体的临界剪应力与不同情况下的土体实际剪应力，所以参数较难获得，而且此类方法的求解的关键是平衡段面的寻找（LOU模型）与有效剪应力，即每个点的总剪切应力与临界剪切应力的寻找（NOGUEIRA模型）；产生此类误差的原因在于本身模型的假设条件：Lou认为，溃坝水流在空间与时间上发展，当达到一个平衡断面即停止，所以LOU模型就使用最有效的稳定断面来描述溃口形状； Nogueira认为溃口形状是由有效剪切应力决定的。所以基于这些思想所以就必须需要这些参数。3、模型的适用条件此上三类方法的使用条件都是土石坝逐渐溃且下游水位较小，溃口出于自由出流，对于大多数平原水库来说，以上的溃坝模型基本都适用。其中，第一类方法的使用条件是对于水库的参数资料较为齐全；第二类方法则是只知道水库的基本参数，已知参数较少，特别是对于坝体坝基土体的参数资料获取不全的情况下使用最优；第三类方法应该由于使用不同情况下的临界剪应力与实际剪应力，参数不易获得，在实际应用中很少使用。4、结论本文首先对于土石坝逐渐溃坝的条件下各种研究方法进行了分类，然后说明数学模型实验的方法为研究的主流，然后，对于各种溃坝数学模型提出了自己分类并对每种模型的特点进行了分析與比较，最终对于每种方法的使用条件及使用这种方法可能带来的缺陷进行分析，并对于产生此类缺陷的原因进行了说明。5、结语通过本文的论述，希望能对土石坝逐渐溃坝的各种模型的特点有更加清晰地认识，能对与土石坝，特别是平原土石坝的溃坝研究更加准确，以减少因溃坝事故造成的人员财产安全受损。参考文献：[1]水利部大坝安全管理中心.全国水库垮坝登记册[R].南京：水利部大坝安全管理中心，2008.[2]陈生水.土石坝溃决机理与溃坝过程模拟.北京：中国水利水电出版社，2012.[3]黄毅，颜梦宇.土石坝逐渐溃溃口流量过程简便计算方法.[J].黑龙江水利.2016，2（7）：13-17.