某水库溃坝洪水模拟研究

刘荣钊

(山东省滨州市无棣县水资源综合服务中心，山东 滨州 113200)

近几年来，对于水利工程中的水库大坝失事[1]的研究中，虽然溃坝在大坝失事中的概率相对较小，但是当大坝超负荷运行或受到洪水、地震等外界作用力影响时，也会形成溃坝[2]。溃坝洪水由于其水流湍急、洪水量大等特点，造成溃坝的发生时会对河流下游处的居民造成很大的威胁，因此溃坝、模拟溃坝洪水便成为学者们的重点研究内容之一[3，4]。

本文将采用专业的水利模拟软件对某水库大坝溃坝进行洪水模拟，拟定溃坝洪水数学模型，并分析不同方案下的溃坝洪水结果。

1 数学模型及计算方案

为考虑溃决原因、溃决水位对溃口流量、溃坝洪水以及断面洪水时间特性的影响，设置6种不同的方案，如表1所示。

表1 计算方案

2 溃坝洪水计算结果分析

2.1 溃口流量时程分析

在分析溃坝洪水时，对溃口流量的分析可以直观的反应溃坝洪水的破坏强度，并且为下游后续的防洪工程建设提供重要的参考价值。

图2展示了不同方案中随时间的不断推进，溃口流量的变化曲线，可以很明显看到，6个方案中，溃口的洪峰流量均大于当地10 000 a一遇的入库洪峰流量(22 700 m3/s)。其中，方案1的洪峰流量最大，说明洪水漫顶对于大坝溃坝破坏的影响最大，方案2、3洪峰流量虽然小于方案1，但也达到了10 000 a一遇入库洪峰流量的5倍以上，因此虽然近几年并没有出现过地震导致大坝溃坝破快，但是，地震影响的重要性却不能忽视。

图2 溃口流量过程

从图2中也不难看出，方案1、2、3、4、6的曲线趋势基本相同，都是在溃坝现象出现的瞬间洪量急剧增大，而后期泄洪状态洪量慢慢减小，但方案5的曲线相差比较大，这是由于方案5的溃决历时为24 h而其余方案历时均为2 h，可以说明，溃决历时时间越长，溃口洪峰出现的就越迟；方案1在所有方案中的溃决水位最高为362 m，此时洪水漫顶，导致洪峰最大，而随着溃决水位降低到方案2的正常蓄水位以及方案3的防洪限制水位时，洪峰值也随之减小，当溃决水位继续减小到死水位(方案6)时，洪峰达到6个方案中的最小值。因此可以发现，溃决水位的不同以及溃决历时长短的不同都会导致溃口流量发展的不同，并且会影响到洪峰值。

2.2 溃坝最大流量沿程分析

图3展示了水库沿程各断面的最大洪水流量变化，由图3可以发现，所有方案沿程洪水最大流量趋势都是在溃坝处洪峰达到最大值，而随着与溃坝距离的逐渐增大，越到下游，洪峰值越小，并且逐渐趋于稳定。

图3 最大洪峰沿程曲线

图3中，方案1、2、3在第五个断面处发生洪峰明显衰减的现象，方案1的衰减率达到了20.25%，这是由于在这个断面的位置处存在水库大坝，因此在上游大坝发生溃坝破坏，洪水沿程涌入后，下游的大坝在一定程度上降低了洪水的破坏性。方案1、2、3、4、6的溃决历时均为2 h，而溃决水位逐渐降低，这时在溃坝下游处最大洪峰减小的速率随溃决水位的降低而逐渐减小；对于方案4、5，溃决水位均为330 m，方案5的溃决历时为24 h，比方案4的历时时间长，溃坝下游最大洪峰值衰减的速率随溃决历时时间的增大而减小。

2.3 溃坝最高水位沿程分析

图4展示了溃坝破坏后，下游最高洪水水位沿程变化规律，容易得到，所有方案在发生溃坝破坏时最高洪水水位达到最大，随后洪水水位会骤减，在下游处，最大洪水水位一直处于逐渐降低的趋势，但随着与溃坝位置距离的不断增大，最大洪水水位的降低速率越来越小。方案1最高洪水水位最大，当溃决历时都为2 h时，方案2、3、4、6的最大洪水水位都随着溃决水位的降低而降低，方案6的溃决水位最低，因此在整个沿程中，方案6的最大洪水水位也最低；当溃决水位均为330 m时，由于方案4的溃决历时2 h比方案5溃决历时24 h短，方案4的最高水位明显大于方案5的最高水位，因此可以总结溃决历时越短，沿程的最高洪水水位越高。

图4 沿程最高洪水水位曲线

2.4 水库沿岸村落淹没情况

研究溃坝洪水最重要的就是为后续的防洪工程以及发生洪灾后沿岸村落的撤离提供依据，因此，在水库沿岸随机选择两个村落进行洪水淹没情况的模拟研究。表2、3分别给出了村落1、2的淹没情况，其中村落1与溃坝坝址距离较近，村落2与坝址距离较远。

表2 村落1淹没情况

表2中可以得到，方案1～5的溃坝洪水将村落1部分淹没，方案1在溃决历时均为2 h的方案中洪水抵达的时间最晚，洪水位最高，因此导致村落的最大淹没水深也最大，随着溃决水位的降低，方案2、3、4、6的洪水抵达时间都随之逐渐更早，而最高洪水位随之降低，最大淹没深度同样随之降低，其中，方案6的最高洪水位为257.31 m，而村落1的房屋高程在258～339 m之间，最高洪水位低于房屋高程，此方案下的村落1未被淹没。方案4与方案5溃决水位均为330 m，对于溃决历时更长的方案5，洪水抵达的时间更加晚于方案4，而最高洪水水位也低于方案4，因此对于村落的最大淹没水深更小，但村落同样被部分淹没。

表3中可以得到，各方案的溃坝洪水最高水位与村落1的相差不大，但是村落2由于房屋高程低于村落1的房屋高程而在所有计算方案下都会被部分淹没。与表1规律相同的是，当溃决历时均为2 h时，方案1洪水抵达的时间最晚，洪水位最高，因此导致村落的最大淹没水深也最大，随着溃决水位的降低，洪水抵达时间逐渐变早，而最高洪水位逐渐降低，最大淹没深度同样逐渐降低；当溃决水位均为330 m时，溃决历时更长的方案5，洪水抵达的时间晚于方案4，最高洪水水位也低于方案4，因此对于村落的最大淹没水深更小，村落被部分淹没。

表3 村落2淹没情况

3 结语

本文利用水利模拟软件对某水库大坝溃坝破坏进行了模拟研究，并对沿岸村落淹没情况进行了分析，得到结论如下：

(1)溃坝破坏后，溃口流量剧增并达到洪峰值，随着时间的推进，溃口流量逐渐减小。当溃决水位不变时，溃决历时越长，达到洪峰所需的时间越长，洪峰越低；当溃决历时相同，溃决水位越高，洪峰值越大。

(2)当溃决水位相同时，溃决历时越长，溃坝洪水的沿程最大流量越小，在坝址下游最大流量衰减速率越慢；当溃决历时相同，溃坝洪水的沿程最大流量随溃决水位的增大而变大，在下游处，溃决水位越高，洪水最大流量的衰减速率越大。

(3)在溃坝破坏处，洪水最高水位最大，越远离坝址，最高水位越低。当溃决水位不变，溃决历时越长，溃坝洪水的沿程最高水位越低；当溃决历时相同时，溃坝洪水的沿程最高水位随溃决水位的增大而变大。

(4)利用洪水抵达时间以及最高溃坝洪水水位可以估算出沿程村落的淹没情况，为后续对村民的撤离以及防洪措施的采取有很大的意义。