溃坝水流计算方法研究Word下载.docx

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关键词溃坝水流计算方法溃口／‘StudyontheCalculationMethodsforDam-BreakWaterFlowWeiYongXuKailiZhengXin（NortheasternUniver.sity）AbstractCalculationofdam-breakwaterflowisofgreatsignificancetothedam-breaksimulation,breakevolutionprediction,floodhydrographprediction,damageassessment,disastercontrolandpeopleslifeandpropertyprotection.Thecalculationmethodsforcommondam-breakwaterflowarestudied,suchastheaveragewidthofdam-break,themaximumflowattailingdamandtheflowgraphattailingdam.Finally,themethodisusedtoforecastthetailingflowincaseofadambreakofatailingreservoir.KeywordsDam-breakwaterflow,Calculationmethod,Break溃坝损失的程度和范围在很大程度上取决于溃坝的速度和程度。

因为后者决定了溃坝泥石流的大小和传播速度，从而影响着下游的预警和紧急疏散时间。

据统计显示：

预警时间大于90min时，下游处于溃坝威胁中的人员死亡率为0.02%，而当预警时间少于15min时，人员死亡率将上升为50%。

因此，研究溃坝水流计算、预测溃坝参数对溃坝事故早期预警、下游人员安全疏散提供重要决策依据，对尾矿库防灾减灾和保护库区下游人民的生命财产安全具有非常重要的意义。

溃坝水流的计算问题，一些学者已经进行过很多研究。

由于溃坝水流相当复杂，影响因素很多，每个工程又各具特殊性，所以在溃坝水流计算中，各家公式的计算成果差异较大。

现在根据我们掌握的一些资料和模型试验成果，对溃坝口门、溃坝流量、下游洪水流量及洪水传播等问题的计算提出一些看法。

1常见溃坝水流计算1.1溃坝口门溃坝水流的计算应包括坝址最大流量、泄流过程和洪水下游传播的演进过程。

计算坝址的最大流量与泄流过程，首先需要确定的是溃坝口门的尺寸问题。

（1）瞬间溃坝口门。

根据黄河水利委员会的溃坝计算公式，溃口宽度为6.=K（形1／28112HO）1／2,

（1）式中，6。

为溃口平均宽度，m；

形为溃坝时蓄水量，104m3；

廖为坝顶长度，m;

Ho为坝前水深，m;

K为与坝体土质有关系数，粘土类K=0.65，壤土类K=1.3。

（2）逐渐溃坝口门。

输沙平衡方程为bmE_÷

呖，

（2）式中，E为坝横断面面积，m2；

占为平均体积含沙量百分数，五=KHo。

则6。

器=等，（3）{国家科技支撑计划项目资助（编号：

2006BAK04B01）。

魏勇（1980-），男，东北大学安全技术及工程研究所，博士研究生，110004辽宁省沈阳市东北大学265号信箱。

SeriesNo.398August2009金属矿山METAL总第398期2009年第8期勇许开立郑（东北大学）摘要开展溃坝水流计算对溃坝过程进行模拟，预测溃口发展及溃坝洪水过程线，对于大坝失事后果的评溃口／StudyontheCalculationMethodsforDam-BreakWaterFlowWeiYongXuKailiZhengXin（NortheasternUniver.sity）Calculationofdam-breakwaterflowisofgreatsignificancetothedam-breaksimulation,breakevolutionprediction,floodhydrographprediction,damageassessment,disastercontrolandpeopleslifeandpropertyprotection.Thecalculationmethodsforcommondam-breakwaterflowarestudied,suchastheaveragewidthofdam-break,themaximumflowattailingdamandtheflowgraphattailingdam.Finally,themethodisusedtoforecastthetailingflowincaseofadambreakofatailingreservoir.flow,Calculationmethod,Break溃坝损失的程度和范围在很大程度上取决于溃坝的速度和程度。

因为后者决定了溃坝泥石流的大小和传播速度，从而影响着下游的预警和紧急疏散时间。

预警时间大于90min时，下游处于溃坝威胁中的人员死亡率为0.02%，而当预警时间少于15min时，人员死亡率将上升为50%。

因此研究溃坝水流计算、预测溃坝参数对溃坝事故早期预警、下游人员安全疏散提供重要决策依据，对尾矿库防灾减灾和保护库区下游人民的生命财产安全具有非常重要的意义。

溃坝水流的计算问题，一些学者已经进行过很多研究。

由于溃坝水流相当复杂，影响因素很多，每个工程又各具特殊性，所以在溃坝水流计算中，各家公式的计算成果差异较大。

现在根据我们掌握的一些资料和模型试验成果，对溃坝口门、溃坝流量、下游洪水流量及洪水传播等问题的计算提出一些看法。

1.1溃坝口门溃坝水流的计算应包括坝址最大流量、泄流过6.=K（形1／28112HO）1式中，6。

形为溃坝时蓄水量，104m3；

K为与坝体土质有关系数，粘土类K=0.65，壤土类K=1.3bmE_÷

呖，

（2）百分数，五=KHo。

6器=等（3）生110004辽宁省沈阳市东北大学265号信箱。

总第398金属妒灿2009年第8期式中，K为冲刷系数，K=咖1:

Va（咖为土质系数，均质壤土咖=3.3078；

o为系数，o=-0.4573）。

1.2坝址最大流量

（1）瞬间溃坝。

全溃的流量计算公式Q=287,~BH3/2.（4）式中，B为口门宽度，m；

Ho为水深，m。

局部溃坝的流量计算公式：

Q=嘉石∥半产卜御以，@，式中，B为坝长，m；

6为溃口宽度，m；

Ho为溃口处上游水深，m；

^为溃口处水深，m。

（2）逐渐溃坝。

逐渐溃坝可认为坝址为堰流，故溃坝最大流量采用谢任之公式：

Qmax=A~b。

域儿，（6）式中，A为流量参数，与河床形状有关，平原水库取A=0.23。

1.3坝址流量过程线溃坝坝址流量过程线，一般是在初瞬从零急骤增至最大，随之很快下降，这一过程受溃坝历时影响外，还受到水库形态和库区淤积的影响。

根据我们的分析，有下列几种类型：

（1）对于湖泊型或在库区有支流、沟道、岔坳等类型的水库，对于局部溃坝，b/B=1~0.2的范围内，坝址流量过程线可根据表1（Qt/QT~t/T的关系1）确定。

表1Q／Qr~t/T的关系1Qt/QTQ01.00.620.450.360.290.220.15Q。

表中，丁为水库泄空时间；

￡为任意时刻；

QT为坝址最大流量；

Q。

为相应于￡时的溃坝流量。

／表1所列关系近似于2.5次抛物线，即t/T=（1-Qt/QT）2。

5关系。

求得水库泄空时间：

形r=uQ，（7）式中，形为溃坝可泄水量，m；

Q，为坝址最大流量，mJ／s；

“为系数，按2.5次抛物线求得M=3.5。

以下可用同法求出u值。

（2）对于峡谷细长条形的水库，由于洪水的传播延缓泄流，使Q／Q，比值迅速减少，相应的泄空时间延长，这种类型水库溃坝流量概化过程线可近似于采用5次抛物线，如表2。

·

2

4．表2Q/Qr一t/T的关系2t/T00.Ol0.10.20.30.40.50.651.0Qt/QTQ01.OO.580.230.160.120.090.06Qo1.4溃坝洪水的演算溃坝洪水的演进过程是以急变不稳定单一立波形式向下游流动，由于河道形态的变化与河道阻力的作用，立波逐渐坦化，洪峰削减较快，水流渐变呈缓变不稳定流，立波消失后，溃坝水流可按一般洪水计算方法求流量。

我们根据模型试验和实际工程溃坝洪水观测资料分析，下游沿程最大流量可用下式计算：

QLM=丘竽孑学，c8，式中，QLM为沿程最大流量，l04m3/s;

Ho为上游水深，m；

形为溃坝可泄库容，l04Fl13；

￡为计算断面距坝址距离，km；

后为系数，0.22~0.6，对于山区取后=0.57，对于平原取矗=0.24。

由公式（8）可知，下游沿程最大流量与坝址的最大流量无关，而与可泄库容形有关。

根据试验与计算资料分析，由于坝下游洪水迅速坦化，沿程的洪水流量迅速削减，使坝址的最大流量影响减弱。

1.5溃坝洪水传播时间和流量过程线溃坝洪水比一般洪水传播快得多，以坝址附近波速最大，随着距坝址愈远，波速随之减小。

可按下式计验溃坝洪水传播时间：

（1）洪水起涨时间计算公式：

bo）n13tI=K．芝二笔嘉芝弓孑≥羔一，（9）式中，z，为洪水起涨时间，s；

三为计算断面距离坝址距离，m；

形为溃坝下泄水量，II13；

ho为计算断面起始平均水深，m;

K，为系数，0.00065~0.00075，平均取0.0007。

（2）最大流量到达时间计算公式：

￡1.4（10）‘：

=K2矿zHs^：

丽，式中，砭为系数，1.5~2.0；

危。

为最大流量时的平均水深，可根据（8）式求出最大流量Q。

M，由水位流量关系曲线求得。

（3）下游流量过程线。

溃坝洪水特点是峰前起涨陡，峰值到达快，峰后落水缓，将流量过程简化为三角形如图1。

根据式（9）、式（10）求得洪水到达时间t，和最大流量到达时间￡：

，即可用下式求得洪水过程的末端时间f，：

妒灿078；

o为系数，o=-0.4573）1.2287,~BH3/2.嘉石∥半产卜御以@儿（6）A=0.23溃坝坝址流量过程线，一般是在初瞬从零急骤增至最大，随之很快下降，这一过程受溃坝历时影响外，还受到水库形态和库区淤积的影响。

根据我们的分析，有下列几种类型：

（1）对于湖泊型或在库区有支流、沟道、岔坳等类型的水库，对于局部溃坝，b/B=1~0.2的范围系）确定。

表Q／Qr~t/T的关系1Qt/QTQ01.00.620.450.360.290.220.15表中，丁为水库泄空时间；

QT为坝址最大流量；

／-Qt/QT）2形r=u（7）式中，形为溃坝可泄水量，m；

Q，为坝址最大流量，mJ／s；

以下可用同法求出u值。

（2）对于峡谷细长条形的水库，由于洪水的传播延缓泄流，使Q／Q，比值迅速减少，相应的泄空时间延长，这种类型水库溃坝流量概化过程线可近似于采用5次抛物线，如表2。

24．2Q/Qr一t/T的关系2t/T00.Ol0.10.20.30.40.50.651.OO.580.230.160.120.090.06Qo1.4溃坝洪水的演进过程是以急变不稳定单一立波形式向下游流动，由于河道形态的变化与河道阻力的作用，立波逐渐坦化，洪峰削减较快，水流渐变呈缓变不稳定流，立波消失后，溃坝水流可按一般洪水计算方法求流量。

我们根据模型试验和实际工程溃坝洪水观测资料分析，下游沿程最大流量可用下式计算：

QLM=丘竽孑学，c式中，QLM为沿程最大流量，l04m3/s;

Ho为上游水深，m；

￡为计算断面距=0.57，对于平原取矗=0.24。

由公式（8）可知，下游沿程最大流量与坝址的最大流量无关，而与可泄库容形有关。

根据试验与计算资料分析，由于坝下游洪水迅速坦化，沿程的洪水流量迅速削减，使坝址的最大流量影响减弱。

1.5溃坝洪水比一般洪水传播快得多，以坝址附近波速最大，随着距坝址愈远，波速随之减小。

可按下式计验溃坝洪水传播时间：

bo）n13tI=K芝二笔弓≥羔（9）式中，z，为洪水起涨时间，s；

三为计算断面距离坝址距离，m；

形为溃坝下泄水量，II13；

K，为系数，0.00065~0.00075，平均取0.0007。

￡1.4（10）：

K2矿zHs^丽，式中，砭为系数，1.5~2.0；

为最大流量时的平均水深，可根据（8）式求出最大流量Q。

M，由水位流量关系曲线求得。

溃坝洪水特点是峰前起涨陡，峰值到达快，峰后落水缓，将流量过程简化为三角形如图1。

根据式（9）、式（10）求得洪水到达时间t，和最大流量到达时间￡：

，即可用下式求得洪水过程的末端时间f，：

勇等：

渍坝水流计算方法研究2009年第8期2形‘，2QLM+‘一，（11）式中，QLM为计算断面处最大流量，按（8）求得，形是下泄总水量。

图l简化流量过程线2计算实例某尾矿库总库容为2.26×

l06m3，有效库容为2.10×

l06IT13，总坝高40m，其中，初期坝高17m，尾矿堆高23m。

坝轴线长为93m。

密度p为1.6t/rri3，本构方程中的参数r。

为0.1Pa，肛为2.1NS/IT12，G为3.6MPa。

根据实际情况，假定坝体的最危险滑弧已接近坝底，所以泄砂总量取库内水及尾矿总量。

由式

（1）可以得出，溃坝口平均宽度为49m，由式（5）可以得出，溃坝时坝址最大流量为127fI13/S。

由于该尾矿库是建在山谷中，以计算区域的上下游断面为开边界，两岸为闭边界。

利用溃坝模型对该尾矿库进行模拟计算得出，在多雨季节，应对库区下游做好如下防范措施：

（1）在尾矿库排洪系统处设置水位报警器，并预备400g/m2土工布缝制的（BxL=4mx20m）的土工布袋30个，尾矿坝下游3.2km范围内间隔500m设置高音喇叭。

（2）当库内水位上升到距沉积滩顶0.75m时，进行预警，对尾矿库库区进行紧急设防。

一方面加强对尾矿库排洪系统、堆积坝坡和库区周围环境等的巡视，及时发现并排除险情；

另一方面在距离沉积滩顶约10m处修建应急防洪子堤，防洪子堤采用尾砂充填的土工布袋修筑，高度约】m。

（3）当库内水位上升至距沉积滩顶0.5m时，进行正式报警。

选厂必须立即停产，并通知尾矿坝下游3.2km范围内人员疏散转移。

（4）当库内水位上升至距沉积滩顶0.25m时，要求尾矿坝下游3.2km范围内人员必须完全疏散转移。

尾矿坝下游3.2km范围内人员撤离高程如图2所示。

图2坝体下游人员撤离高程3结论参考文献

（1）文中所用的溃坝计算公式具有稳定、简洁、精度较高等优点，计算结果与实际情形相吻合，说明…朱勇辉，廖鸿志，吴中如．国外土坝溃坝模拟综述J]．长江科这些公式是合理的。

学院院报，2003,20

（2）：

26-2

8．

（2）通过溃坝计算及过程模拟的研究等，为溃[2]许远瑶，乔永安．溃坝水流计算的几个问题[J]．人民黄河'

1983（6）：

30-3

3．坝失事的早期预警，人员疏散和抗洪救灾等提供极[3]赵以琴，雷晓云，高磊，等．土坝溃坝模型在夹河子水库中的其重要的决策信息。

应用[J]．水利水电科技进展，2004，24（3）：

454

6．（3）由于溃坝时，下泄是一个非常短时间的过[4]袁兵，王飞跃，金永健，等，尾矿坝溃坝模型研究及应用程，若在溃坝发生时才进行疏散下游人群的工作是[J]．中国安全科学学报，2008，18（4）：

169-172.完全来不及的，因此，根据预测的溃坝后影响范围，[5]秦华丰L'

马池香．水对尾矿坝稳定性的作用机理研究[J]．金属矿山，2008（10）：

116-118．进行必要的安全预防措施是合理的。

（收稿日期2009-06-14）22QLM+图l简化流量过程线计算实例某尾矿库总库容为2.26×

l06m3，有效库容为IT13，总坝高40m，其中，初期坝高17m，尾矿堆高23m。

密度p为1.6t/rri3，本构方程中的参数r。

为0.1Pa，肛为2.1NS/IT12，G为3.6MPa。

根据实际情况，假定坝体的最危险滑弧已接近坝底，所以泄砂总量取库内水及尾矿总量。

由式

（1）可以得出，溃坝口平均宽度为49m，由式（5）可以得出，溃坝时坝址最大流量为127fI13/S。

由于该尾矿库是建在山谷中，以计算区域的上下游断面为开边界，两岸为闭边界。

利用溃坝模型对该尾矿库进行模拟计算得出，在多雨季节，应对库区下游做好如下防范措施：

土工布缝制的（BxL=4mx20m）的土工布袋30个，尾矿坝下游3.2km范围内间隔500m设置高音喇叭。

（2）当库内水位上升到距沉积滩顶0.75m时，进行预警，对尾矿库库区进行紧急设防。

一方面加强对尾矿库排洪系统、堆积坝坡和库区周围环境等的巡视，及时发现并排除险情；

另一方面在距离沉积滩顶约10m处修建应急防洪子堤，防洪子堤采用尾砂充填的土工布袋修筑，高度约】m。

（3）当库内水位上升至距沉积滩顶0.5m时，进行正式报警。

选厂必须立即停产，并通知尾矿坝下游3.2（4）当库内水位上升至距沉积滩顶0.25m时，要求尾矿坝下游3.2km范围内人员必须完全疏散转移。

尾矿坝下游3.2km范围内人员撤离高程如图坝体下游人员撤离高程3结论参考文献

（1）文中所用的溃坝计算公式具有稳定、简洁、学院院报，2003,20

（2）：

26-28．1983（6）：

30-33．坝失事的早期预警，人员疏散和抗洪救灾等提供极[4]袁兵，王飞跃，金永健，等，尾矿坝溃坝模型研究及应用[J]中国安全科学学报，2008，18（4）：

169-172.属矿山，2008（10）：

116-118．收稿日期2009

【文献来源】

【相关文献】

1.溃坝洪水流量计算方法浅析[J],孙文初，刘霞，李伦

2.水库溃坝流量简易计算方法解析[J],杨国兴，李仁凤，周晶

3.溃坝洪水特征及计算方法探析[J],张莉

4.尾矿坝复杂排水系统渗流计算方法的改进[J],赵坚，沈振中

5.考虑变量相关性的尾矿坝坡失稳溃坝概率计算方法[J],郑欣，李全明，许开立，耿丽艳