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数学模型　　2.

2、1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。　　2.1.1溃口形态确定22　　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，则溃口底部不是从一点开始

3、，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（τ），溃口底部高程（hbm），溃口边坡（z）。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。　　2.1.2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)1.5+C2(h－hb)2.5 其中C1=3.1biCvKS，C2=2.45ZCvKS当tb≤τ时,hb=hd－(hd－hbm)·tb/τ　bi=b·tb/τ2

4、2当tb>τ时，b=hbmbi=b　　行进流速修正系数Cv=1.0＋0.023Q＇2/〔B＇2d(h＇－hbm)2(h＇－hb)〕 　Ks=1.0　当(h＇t－h＇b)/(h＇－h＇b)≤0.67　　KS=1.0－27.8〔(h＇t－h＇b)/(h＇－h＇b)－0.67〕3　　当(h＇t－h＇b)/(h＇－h＇b)>0.67　　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（Brater1959）；Q为水库总下泄流量；Bd为坝址处的水库水面宽度

5、；Ks为堰流受尾水影响的淹没修正系数（Venard1954）；ht为尾水位（靠近坝下游的水位）。　　尾水位（ht）由曼宁公式计算，即Q=(1.49/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22Qb=4.8Ap(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（Qs）计算如下Qs=CsLs(h-hs)1.5+CgAg(h-hg)0.5+CdLd(h-hd)1.5+Qt　　

6、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（Ii+Ii+1）/2-（Qi+Qi+1）/2=△s/△t　　其中上标i和i+1分别表示t和t+△t时刻变量的值。△s

7、=（ASi+1+ASi）（hi+1-hi）/2　　代入有关公式得到总的离散方程为22　　（ASi+1+ASi）（hi+1-hi）/△t+C1(h－hb)1.5+C2(h－hb)2.5+CsLs(h-hs)1.5+　　CgAg(h-hg)0.5+CdLd(h-hd)1.5+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。　　2.1.3溃坝洪水向下游演进本模型采用圣维南方