溃坝水流计算方法研究Word下载.docx

1、关键词溃坝 水流计算方 法溃 口 StudyontheCalculationMethodsfor Dam-BreakWater Flow WeiYong XuKailiZhengXin（ NortheasternUniver.sity） Abstract Calculationof dam-breakwaterflowis of greatsignificancetothedam-breaksimulation,breakevolution prediction, flood hydrographprediction, damageassessment,disaster control and

2、peopleslifeandpropertyprotection.Thecalculation methodsfor commondam-breakwaterflow arestudied,suchasthe averagewidthof dam-break,the maximumflow attailingdamandthe flow graphattailing dam.Finally,the methodis usedtoforecast the tailingflow in caseof adam breakof atailing reservoir. Keywords Dam-bre

3、ak water 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。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

4、， 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

5、28112HO）1 2, （1）式 中， 6。 为溃 口 平均宽度 ，m ；形 为溃坝时蓄水量 ，104 m3 ；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

6、大学 265 号信箱。Series No.398 August 2009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 Study on theCalculationMethodsfor Dam-BreakWater Flow WeiYong Xu Kaili Zheng Xin （ NortheasternUniver.sity） Calculationof dam-breakwaterflowis of greatsignificancetotheda

7、m-breaksimulation,breakevolution prediction, flood hydrographprediction, damageassessment,disaster control andpeopleslifeandpropertyprotection.The calculation methodsfor commondam-breakwaterflow arestudied,suchasthe averagewidthof dam-break,the maximum flow attailingdamandthe flow graphattailing dam

8、.Finally,the methodis usedtoforecast the tailingflow in caseof a dam breakof atailing reservoir. 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

9、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128112HO）1式 中， 6。形 为溃坝时蓄水量 ， 104 m3 ；K 为与坝体土质

10、有关系数 ，粘土类 K=0.65，壤土类 K= 1.3 bmE_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 =3.3 078 ； o 为系数 ，o=-0.457 3 ） 。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

11、 ，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=Ab 。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=10.2

12、的范围内，坝址流量过程线可根据表 1 （ Qt/QTt/T 的关系 1 ） 确定。 表1Q Qrt/T 的关系 1 Qt/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

13、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 表 2Q/Qr 一 t/T 的关系 2t/T 00.Ol0.10.20.30.40.50.651.0Qt/QT Q01.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

14、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 8 ，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 ，0.220.6 ， 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

15、.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 ，0.000650.000 75，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

16、数 ，1.52.0 ；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=- 0.457 3 ） 1.2 287,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

17、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=10.2的范围系）确定。表 Q Qr t/T 的关系 1 Qt/QT Q0 1.0 0.62 0.45 0.36 0.29 0.22 0.15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

18、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 。242 Q/Qr一t/T的关系 2 t/T 0 0.Ol 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.65 1.O O.58 0.23 0.16 0.12 0.09 0.06 Qo 1.4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

19、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）n 13 tI=K芝二笔弓羔 （9）式 中， z， 为洪水起涨时间 ，s ；三为计算断面

20、距离坝址距离 ，m ； 形 为溃 坝下 泄水量 ， II13；K ， 为 系数 ， 0.000650.000 75，平均取0.0007。1.4 （10）： K2 矿z Hs丽 ，式 中， 砭 为系数 ，1.52.0 ； 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

21、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 l06 IT13， 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

22、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 400 g/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

23、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 km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

24、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）：26-28 （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）：30-33 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） ： 4546 （3） 由于溃坝 时 ，下

25、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

26、高 17m ，尾矿堆高 23m 。 密度 p 为 1.6 t/rri3 ，本 构方 程 中 的参 数 r 。 为 0.1Pa， 肛 为 2.1 NS/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

27、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 500 m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.

28、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