水电工程溃坝洪水计算

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1、水电工程溃坝洪水计算　　1前言　　水电是洁净能源，是西部地区重要的能源资源，开发西部水电，实现“西电东送”是实施“西部大开发”战略的重要举措，也是西部地区脱贫致富的重要途径之一。但水电站往往处于深山峡谷，甚至高地震区中，水电站的溃决将造成巨大的损失，为了预估溃坝洪水带来的影响，并提早采取相应的措施，将洪水灾害造成的影响减少到最小程度，有必要进行溃坝洪水计算。　　本次计算电站地处青藏高原东南缘，区域内地势较高，平均海拔在4000m左右。且电站坝址区覆盖层深厚，构造裂隙较发育，是我国西部著名的强地震带。电站下游主要的城镇为某城市，该城为我国西部少数民族集居区，经济以农牧业为主

2、。2数学模型　　模型结构　　本次计算采用美国国家气象局编制的溃坝洪水预报模型DAMBRK模型〔１〕。该模型由三部分组成：1）大坝溃口形态描述。用于确定大坝溃口形态随时间的变化，包括溃口底宽、溃口顶宽、溃口边坡及溃决历时。2）水库下泄流量的计算。3）溃口下泄流量向下游的演进。　　溃口形态确定　　溃口是大坝失事时形成的缺口。溃口的形态主要与坝型和筑坝材料有关。目前，对于实际溃坝机理仍不是很清楚，因此，溃口形态主要通过近似假定来确定。考虑到模型的直观性、通用性和适应性，一般假定溃口底宽从一点开始，在溃决历时内，按线性比率扩大，直至形成最终底宽。若溃决历时小于10分钟，则溃口底

3、部不是从一点开始，而是由冲蚀直接形成最终底宽。溃口形态描述主要由四个参数确定：溃决历时，溃口底部高程，溃口边坡。由第一个参数可以确定大坝溃决是瞬溃还是渐溃。由后面三个参数可以确定溃口断面形态为矩形、三角形或梯形及局部溃或全溃。　　水库下泄流量计算　　水库下泄流量由两部分组成，一是通过溃口下泄流量Qb，二是通过泄水建筑物下泄的流量Qs，即Q=Qb＋Qs　　漫顶溃口出流由堰流公式计算　　　　　　　　　　Qb=C1(h－hb)+C2(h－hb)　　　　　　　　　　　　　　　　其中C1=iCvKS，C2=vKS　　　　　　　　　　当tb≤τ时,hb=hd－(hd－h

4、bm)·tb/τ　　　　　　　　　　　bi=b·tb/τ　　　　　　　　　　当tb>τ时，b=hbm　　　　　　　　　　bi=b　　　　　　　　行进流速修正系数Cv=＋＇2/〔B＇2d(h＇－hbm)2(h＇－hb)〕　　　　　　　　　　　　　　　　　Ks=　　　　　　　　当(h＇t－h＇b)/(h＇－h＇b)≤　　　　　　　　　　　　KS=－〔(h＇t－h＇b)/(h＇－h＇b)－〕3　　　　　　　　当(h＇t－h＇b)/(h＇－h＇b)>　　　　　　　　式中hb为瞬时溃口底部高程；hbm为终极溃口底高程；hd为坝顶高程；hf为漫顶溃坝时的水位；h为库水位高程；bi

5、为瞬时溃口底宽；b为终极溃口底宽；tb为溃口形成时间；Cv为行进流速修正系数；Q为水库总下泄流量；Bd为坝址处的水库水面宽度；Ks为堰流受尾水影响的淹没修正系数；ht为尾水位。　　尾水位由曼宁公式计算，即Q=(/n)·S1/2A5/3/B2/3　　式中n为曼宁糙率系数；A为过流断面积；B为过流断面的水面宽；S为能坡。　　管涌溃口出流由孔口出流公式计算Qb=p(h-h＇)1/2　　式中Ap=〔2bi+4Z(hf-hb)〕(hf-hb)。　　若ht≤2hf-hb时,h＇=hf，否则ht>2hf-hb时,h＇=ht　　溢洪道下泄流量计算如下Qs=CsLs(h-hs)+CgAg(

6、h-hg)+CdLd(h-hd)+Qt　　式中Cs为无控制的溢洪道流量系数；hs为无控制的溢洪道堰顶高程；Cg为有闸门的溢洪道流量系数；hg为有闸门的溢洪道中心线高程；Cd为漫坝水流的流量系数；Ls为溢洪道长度；Ag为闸门过流面积；Ld为坝顶长度减Ls；Qt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，本模型采用水文蓄量法来推求水库总出库流量，程如下I-Q=ds/dt　　式中I为入库流量；Q为总出库流量；ds/dt为水库蓄量随时间变化率。　　将上述方程用有限差分法离散可得/2-/2=△s/△t　　其中上标i和i+1分别表示t和t+

7、△t时刻变量的值。△s=/2　　代入有关公式得到总的离散方程为　　CgAg(h-hg)+CdLd(h-hd)+Qt+Qi-Ii+1-Ii=0　　上述方程可用Newton—Raphson迭代法求解，得到水位h和下泄流量Q。　　溃坝洪水向下游演进本模型采用圣维南方程来描述洪水波向下游的传播，其方程形式如下　　　　　　　　　　连续方程　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　动量方程　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　式中A为有效过流面积；A0为非有效过流面积；q为沿河道单位距离的侧向入流或出流；Sf为摩阻比降；由曼宁公式