河南省水库溃坝洪水计算分析技术大纲.docx

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1、分析技术大纲河南省水利厅2022年3月1）当宽度方向部分溃决且一溃到底时，溃坝最大流量可采用经 验公式：“吟像丫康产27b）式中：ho决口处水深，mo2）当宽度方向全溃，深度方向部分溃决，尚留高度为a的残坝 时:溃坝最大流量可采用经验公式：心二枭Jo7273网%/ /14） u.oz / j3）当宽度方向和深度方向都为部分溃决，溃坝最大流量可采用 经验公式：“哮传n邛响产2 八 b） |_ % J美国水道试验站对上式作了修改，得出较为简单的公式：心吟上啦，黄河水利委员会水利科学研究所根据试验得出公式：“吟停n邛响严27 7） L % J铁道部科学研究院在板桥水库溃坝模型试验的基础上，结合国内

2、400余座水库的溃坝资料，针对不同的溃坝要素进行了约600次试验, 提出了适用条件较广的经验公式（建议采用此公式）：_/ r l/IOz ol/32max= 0.2777（- 姒一攵42） b）式中：L库区长度，当L/B5时，均按L/B=5计算，m。z 1/3k修正系数，可按 = 1.4整计算。（3）坝址流量过程简化计算可将坝址流量过程线概化为一种特殊曲线。1)将坝址流量过程线概化为下表4.1-2四次抛物线。溃坝初瞬时 流量为坝址最大流量Qmax，接着迅速下降，最后趋近于入库流量Q。 计算时根据可泄库容和最大流量估算洪水过程线的总历时Tn，再根 据最大流量和入库流量计算出溃坝洪水过程线及相应的

3、总泄量。如果 计算的总泄量和可泄库容相等，则假设的总历时K和计算的溃坝洪 水过程线正确；否则，重新假设，直到计算的总泄量和可泄库容相等。表4.1-2溃坝洪水概化过程线表T/Tn00.050.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0Q/Qnrn10.620.480.340.260.2070.1680.1300.0940.0610.030QMQuiax2)将坝址流量过程线概化为下表所示的无因次曲线。溃坝 初瞬时流量从初始流量迅速增大到坝址最大流量Qmax，接着逐渐下 降，最后趋近于入库流量Q。表4.13溃坝洪水无因次过程线表f0.00.20.40.60.81.01.21.41.61

4、.8Q，0.0000.3050.3240.3330.3360.3370.3340.3270.3090.270f2.02.22.42.62.83.03.23.43.63.8Q0.2190.1790.1480.1240.1070.0920.0800.0690.0600.052V4.04.24.44.64.85.()5.45.86.26.6Q，0.0450.0400.0350.0310.0280.0260.0230.0200.0180.016溃坝洪水流量及相应的时间由以下公式确定:Q=QB&1记 2L溃坝洪水演进计算(1)溃坝洪水洪峰流量Qmax - 卬 汇+“ K 现的最大流量;式中：&max式中

5、：&max当溃坝最大流量演进至距坝址为L处，在该处出W水库溃坝时的蓄水库容； emax一一坝址处的溃坝最大流量； L距坝址的距离；V河道洪水期断面最大平均流速；K经验系数，山区可取1.1-1.5,半山区可取1.0,平 原区可取0.80.9。（2）溃坝洪水传播时间黄河水利委员会水利科学研究所根据试验得到的溃坝洪水传播 时间：洪水起涨时间力计算公式：产的_%- W。?成 35式中:Ki系数，在0.65X10-30 75 XI0-3之间,取平均数为 0.70 X10-3；L距坝址的距离，m；%溃坝洪水到达前下游计算断面的平均水深，即与基流 相应的平均水深，m；W可泄库容（可泄水总量），n?；儿坝上游

6、水深，mo最大流量到达时间t2计算公式：式中：K2系数，取0.81.2；/?max最大流量时的平均水深，m。（3）溃坝下游流量过程线一般来说，溃坝洪水起涨陡，峰值到达快，峰后落水流量下降较 慢。可将流量过程概化为三角形，可得t3的计算公式：2Wmax4.2溃坝洪水数值模拟数值模拟应根据水库工程特性及溃坝洪水淹没情况等选择适宜 的数学模型。一维数学模型可用于模拟溃坝洪水在库区以及下游河道长距离 传播过程；平面二维数学模型或与一维数学模型耦合，可用于模拟重 点区域或溃坝洪水大范围传播过程；三维数学模型可用于溃口溃决洪 水、近坝区或三维性较强且重要河段溃坝洪水演进过程。4.2.1 基本方程溃坝洪水数

7、学模型基本控制方程宜采用圣维南方程组或雷诺时 均N-S方程。(1)一维模型基本控制方程：连续性方程为五+西=/动力方程为JQ 0 Q21 ,.2Q I Q I A另 十 石I 力 +一 + AM =。式中：x水流纵向距离，m；Q流量，m3/s；T时间，s；A过水断面面积，m2；Z水位，m；g重力加速度，md；R水力半径，m；n曼宁糙率系数；q源汇项，m2/s,若无支流汇入或流出，q=0o(2)二维模型基本控制方程：连续性方程为=0.r方向运动方程为（）M （）iiM f）vM斤+ k +万一蓊，Z g?z2M vw2 v2y方向运动方程为，N 2N 2pN JZ g?J N Ju + J万*

8、k+亏=一以不Q式中：h水深，m；u vx和y方向的流速，m/s；Nx和y方向的单宽流量，m2/So1.1.2 求解方法一维模型求解方法有显式差分法、隐式差分法、特征线法、瞬时 流态法等，二维模型模型求解方法有有限体积法、有限差分法、有限 单元法等，每种方法又有许多不同格式。溃坝洪水演进计算，可以采 用以上方法利用计算机编程，数值求解相应控制方程，也可以采用较 成熟的商业软件计算，如HECRAS、DAMBRK模型、MIKE、Delft 3D 软件等。1.1.3 定解条件及边界处理（1） 一维数学模型定解条件按下列方法选取：初始条件：取溃坝前沿程流量和水位。上游边界条件：模拟范围包含库区时，取入

9、库流量过程；模拟下 游河道时，取溃口下泄流量过程或可能的泄水建筑物下泄流量过程。下游边界条件：取水位流量关系或相应水位过程。内边界条件：溃口处按内边界处理，选用下泄流量过程。（2）平面二维数学模型定解条件按下列方法选取：初始条件：取溃坝前水位和流速。入流边界条件：模拟范围包含库区时，取入库流量过程；模拟下 游河道时，取溃口下泄流量过程或可能的泄水建筑物下泄流量过程。出流边界条件：取水位流量关系或相应水位过程。内边界条件：溃口处按内边界处理，选用下泄流量过程。固壁条件：采用法向速度为零。动边界条件：采用干湿单元动边界处理技术。1.1.4 模型率定和验证（1）采用实测、调查洪水水面线以及相应流量资

10、料或模型试验 资料对模型糙率进行率定，同时应进行模型水位、流量验证。模型验 证结果与实际洪水过程的水位误差应不大于10cm。（2）当无资料时，应进行模型参数敏感性分析，对模型计算结 果进行合理性分析。4.3 溃坝洪水成果及分析1、数据分析整理包括：（1）坝址断面及上、下游河道典型断面水位变化过程线，最高 水位及相应出现时间。（2）坝址断面流量随溃口形状和溃决历时的变化过程。（3）坝址断面流量随不同入库流量的变化过程。（4）坝址断面流量随不同坝前水位的变化过程。（5）溃坝波向下游演进核向上游传播的过程。（6）下游典型位置的水位、流速、淹没水深变化过程。2、溃坝洪水成果分析包括：（1）各溃坝方案坝

11、址最大流量。（2）坝址溃坝流量过程线。（3）大坝下游沿程溃坝计算成果，包括各断面距坝址距离、洪 峰流量、最高水位及出现时间、流速等（附图）。大坝下游沿程溃坝 洪峰流量及最高水位过程线（附图）。（4）溃坝洪水淹没过程图。（5）水库溃坝洪水淹没风险图，包括水系、行政区划、城镇、村庄及其它重要设施等。3、成果合理性分析对溃坝洪水计算成果应进行合理性分析，如对上述成果数据进行 合理范围分析、类比历史大洪水淹没影响范围进行分析等。4.4 溃坝洪水影响分析分析溃坝洪水对下游各居民点、各类建筑设施的影响程度和淹没 范围，估算溃坝洪水可能造成的损失。提出减小溃坝洪水可能造成损 失的防范措施或防护规划的意见或建

12、议，必要时应根据溃坝洪水到达 时间制定人员转移计划。影响分析主要内容：（1）溃坝洪水演进特征。（2）溃坝洪水涉及的岸坡、建筑物等淹没范围。（3）溃坝洪水对城镇、重要设施等影响。溃坝洪水影响分析时，重点统计面积、人口、重要设施等，统计 范围主要考虑水深0.3m以上区域。5分析成果及报告编写分析计算成果：论述溃坝洪水数学模型的特点，阐述溃坝洪水数 学模型参数率定和模型验证结果，论述计算结果的可靠性和合理性。 阐述各种溃决方案的溃坝洪水演进特征，包括流量最大峰值、流态特 征、行进路线、洪水波到达城镇和重要设施的时间、淹没过程、流速、 水深、流量等变化过程。对位置特别重要的水库，宜采用二维、三维 数学

13、模型计算。淹没范围及影响程度，损失估算统计等影响分析成果。 提出减少溃坝洪水损失的措施。溃坝洪水分析报告内容：前言、工程概况、计算目的与内容、计 算范围、数学模型及计算方法、参数率定或模型验证计算、计算方案 与条件、计算结果与分析、结论与建议、附图附表等。6附表、附图1、水库工程特性表2、水库设计洪水成果表3、洪水组成表4、水库溃坝洪水淹没情况统计表序号名称单位数量水文1坝址以上流域面积km22利用的水文系列年限年一特征水位库容1设计洪水位m2相应库容万n?3校核洪水位m4相应库容万m35正常蓄水位m6相应库容万m37死水位m8相应库容万n?二大坝1坝型2大坝长度m3最大坝高m4坝顶高程m四泄

14、洪设施1设计水位相应流量2校核水位相应流量附表2水库设计洪水成果表（样表）频率校核标准设计标准X年一遇X年i遇洪峰Q, m3/s最大24h洪量，万m3最大3d洪量，万n?附表3洪水组成表（样表）频率校核标准设计标准X年一遇X年一遇流量Q m3/s支流 Qi, m3/s支流 Q2, irP/s附表4水库溃坝洪水淹没统计表（样表）序号市、县、乡淹没统计单位数量溃坝洪水淹没损失1人口2土地3作物4交通5堤防6闸坝7厂.矿1、大坝平面布置图2、大坝立面图3、水库溃坝洪水淹没风险图附图*水库溃坝洪水淹没风险图（样图）附图*水库溃坝洪水淹没风险图（样图）背景及适用范围错误!未定义书签。1目的与分析内容错误

15、!未定义书签。2基本资料错误!未定义书签。2.1 工程资料错误!未定义书签。2.2 水文资料错误!未定义书签。2.2.1 洪水、水位错误!未定义书签。2.2.2 水位流量关系错误!未定义书签。2.3 地形及相关设施资料错误!未定义书签。2.4 下游洪泛区的社会经济概况错误!未定义书签。2.5 糙率错误!未定义书签。3溃坝水力计算条件错误!未定义书签。3.1 溃坝形式错误!未定义书签。3.2 分析计算方案及初始状态错误!未定义书签。4溃坝洪水分析计算错误!未定义书签。4.1 理论分析简化公式错误!未定义书签。4.1.1 水库溃坝洪水计算错误!未定义书签。4.1.2 溃坝洪水演进计算错误!未定义书

16、签。4.2 溃坝洪水数值模拟错误!未定义书签。4.2.1 基本方程错误!未定义书签。4.2.2 求解方法错误!未定义书签。4.2.3 定解条件及边界处理错误!未定义书签。4.2.4 模型率定和验证错误!未定义书签。4.3 溃坝洪水成果及分析错误!未定义书签。4.4 溃坝洪水影响分析错误!未定义书签。5分析成果及报告编写错误!未定义书签。6附表、附图错误!未定义书签。背景及适用范围河南省现有大中小型水库二千多座，广泛分布于淮河、长江、海 河及黄河四大流域。水库在发挥防洪作用的同时，水库工程安全也受 到区域性特大暴雨洪水的威胁,超标准洪水、大坝质量问题和运行管 理问题等都可能引起水库大坝溃决。水库

17、一旦溃坝，危及下游城镇、 村庄、交通、电力、通讯等设施，对人民生命财产、经济社会发展影 响巨大。河南历史上曾发生过大型水库溃坝和小型水库溃坝，损失惨 重，教训深刻。为积极应对水库溃坝风险，加强安全防御措施，根据河南省“一 库一案”、水库防洪抢险应急预案编制需要，拟开展全省水库溃坝洪 水分析工作。由于时间紧、任务重，为统一目标、思路，明确基本原 则和要求，依据溃坝洪水模拟技术规程(SL/T 164-2019),水 库大坝安全管理应急预案编制导则(SL/Z 720-2015)编写本技术大 纲，包括溃坝洪水计算的基本方法、公式、有关参数选取、成果分析 和报告编制等内容，供开展水库溃坝洪水分析时参照应

18、用。1分析目的与内容水库溃坝洪水分析的目的是分析大坝失事后坝址溃坝洪水最大 洪峰流量及泄流过程，以及洪水向下游的演进情况，评估溃坝水流对 下游的影响和可能引起的损失，为编制防洪预案提供依据。溃坝洪水分析的区域主要包括库区、下游河道和洪泛区等可能淹 没区。水库溃坝洪水分析应结合水库工程特性及溃坝洪水淹没情况等 选择适宜的分析方法。本技术大纲仅以土坝、混凝土重力坝的经验溃坝形式和计算方法 为主，其他坝型及溃坝形式的溃坝洪水计算方法，宜参照相关规程、 规范，结合水库具体情况确定。本次水库溃坝洪水分析主要内容应包括：(1)推求溃坝洪水的最大流量及泄流过程。(2)计算溃坝洪水向下游的传播过程，给出沿程代

19、表断面的流 量、水位、洪峰到达时间、洪水淹没区域等。（3）梯级河流上游水库失事对下游水库的影响等。2基本资料水库溃坝分析需收集相关的工程资料、水文、地形资料（含建筑 物设施）、历史洪水及淹没范围、社会经济等资料，对收集的资料， 结合现场调研进行必要的复核。编制单位主要根据选择的计算方法酌 情收集有关资料。2.1 工程资料（1）收集工程设计及校核防洪标准、水库运行方式、各特征水 位及相应库容等资料。收集枢纽布置、大坝类型、筑坝材料、坝高、 坝顶高程、坝顶长度、坝底长度、坝底高程及泄水建筑物各孔口底高 程、孔口尺寸等。（2）收集水库原始库容及现状的库容曲线、泄水建筑物泄流能 力曲线。（3）收集工程

20、设计图册，水库及下游洪泛区平面示意图，大坝 上、下游立视图等。2.2 水文资料洪水、水位收集分析范围内典型洪水资料，包括不同频率入库洪水过程、水 库特征洪水位，下游汇入支流洪水，洪泛区内特征点的实测和历史洪 水、水位资料等。2.2.1 水位流量关系2.2.2 下游河道实测或调查的水位流量关系。2.2.3 实测及洪水调查资料绘制各断面的水位流量关系线。2.2.4 水部分不够的断面，进行合理的水位流量关系线延长。用数学模型计算时，一般不必提供下游每个断面的水位流量关 系曲线，只需要提供下游末端的边界条件。2.3 地形及相关设施资料（1）收集水库及下游河道地形图、坝址横断面图、下游河道纵 横断面，及

21、下游沿河两岸的植被、地形、地貌、比降变化情况等。（2）收集下游影响溃坝洪水传播的建筑物和防洪工程资料。（3）收集溃坝洪水影响区域城镇、重要建筑物和设施分布及其 防洪标准。收集地形资料应充分考虑分析区域的平面、高程范围，对堤防、 公路、铁路、渠道等高出或低于地面的线状阻水或导水建筑物等，还 应特别注意收集其高程信息。库区和下游淹没区地形精度一般不小于 1： 5000,洪泛区等淹没区域地形精度一般不小于1： 50000o模拟历史洪水采用的基础资料应与洪水发生时间一致或相近。如 时间间隔较长，应分析地形变化及其对溃坝洪水模拟结果的影响。2.4 下游洪泛区的社会经济概况收集下游洪泛区的居民点、厂矿、交

22、通线路、闸坝等各种建筑物 的防洪标准、高程、范围、材料、经济影响、人口、土地、作物等有 关社会经济资料。2.5 糙率糙率（n）是水力学计算的关键参数。（I）收集河道历史洪水调查水面线并计算河道糙率。（2）收集水文站实测nQ关系。（3）根据上述资料和计算区域的植被、地质及地形变化等条件, 确定溃坝洪水计算糙率。溃坝洪水计算采用糙率也可参考表2.5-K 2.5-2选定。天然河道糙率值见表2.5-1。各种下垫面的糙率通过按居民地、耕地、道路、空地、河道等分 类，分别赋予不同的糙率值。参考2013年2015年全国洪水风险图 项目洪水风险图编制导则推荐值，见表2.52。河槽类型及情况最小值正常值最大值一

23、、小河（洪水位的水面宽度小于30m）1、平原河流（1）清洁、顺直、无浅滩深潭0.0250.0300.033（2）同（1）,但石块多、杂草多0.0300.0350.040（3）清洁、弯曲、有浅滩深潭0.0330.0400.045（4）同（3）,但有石块杂草0.0350.0450.050（5）同（3）,水深较浅、河底坡度多变，平面上回 流区较多0.0400.0480.055（6）同（4）,但石块多0.0450.0500.060（7）多杂草、有深潭、流动缓慢的河段0.0500.070().08()（8）多杂草的河段、深潭多或林木滩地上的过洪0.0750.1000.1502、山区河流（河槽无草树、河岸

24、较陡、岸坡树丛过 洪时淹没）（1）河底为砾石、卵石、间有孤石0.0300.0400.050（2）河底为卵石和大孤石0.0400.0500.070二、大河（洪水位的水面宽度大于30m）相应于上述 小河的各种情况，由于河岸阻力相对较小，n值较小1、断面比较规则整齐、无孤石或丛木0.0250.0602、断面不规则整齐、床面粗糙0.0350.100三、洪水时期滩地漫流1.草地、无树丛（1）短草0.0250.0300.035（2）长草0.0300.0350.0502.耕地（1）未熟庄稼0.0200.0300.040（2）己熟成行庄稼0.0250.0350.045（3）己熟密植庄稼0.0300.0400.

25、0503.矮树丛（1）稀疏、多杂草0.0350.0500.070（2）不密、夏季情况0.0400.0600.080（3）茂密、夏季情况0.0700.1000.1604.树木（1）平整田地、干树无枝0.0300.0400.050（2）同（1）,干树多树枝0.0500.0600.080（3）密林、树下植物多、洪水位在枝下0.0800.1000.120（4）同（3）、洪水位淹没树枝0.1000.1200.160注：糙率表来源于水力学，糙率根据河道实际情况综合考虑选取。表2.5-2各种下垫面糙率取值表注：数据来源于洪水风险图编制导则，糙率根据下垫面实际情况综合考虑选 取。项目居民 地耕地道路空地河道铁

26、路混凝 土草地m干砌 石护 面糙率 (n)0.070.060.0250.050.025 0.0350.040.0140.040.020.0233溃坝水力计算条件3.1 溃坝形式大坝的溃决方式一般从规模上分为全溃或局部溃，从时间上分为 瞬时溃或逐渐溃。应根据坝的类型、坝的基础以及大坝的材料性质、 结构性能等综合拟定。混凝土重力坝和支墩坝溃决时，一般是一次或数次溃决到基础 处；混凝土拱坝常常是在某一高程以上或整个坝体全部溃决。混凝土 坝溃决时间一般都很短，可以按瞬时溃坝处理，特殊情况宜专题研究 后进行分析和计算。土坝和堆石坝的溃坝原因主要是洪水漫顶、基础渗漏和管涌，一 般属于逐渐溃坝，但由于溃坝水

27、流冲击力很强，相对溃决时间较短， 为安全起见，一般可按瞬时溃坝考虑，特殊情况宜专题研究后进行分 析和计算。堆石坝和峡谷河道的土坝可能会全部溃决，平原区和丘陵 区的一般只有局部会溃决。溃坝决口宽度和深度主要与水流冲刷能力 和坝体组成材料及其抗冲能力有关，需根据具体情况选定。特殊情况 下，土坝和堆石坝的溃坝宜专题研究后进行分析和计算。土坝溃坝决口宽度，根据黄河水利委员会水利科学研究所实际资 料分析求得的计算公式为：式中：b溃坝决口平均宽度，m；W 溃坝时蓄水量，万m3；B溃坝时沿坝前水面宽度或坝顶长度，m；H坝高或溃坝时水头，m；k与坝体土质有关的系数，对粘土 k值约为0.65,壤 土 k值约为1

28、.3o分析计算方案及初始状态分析汛期发生溃坝，需要确定与何种频率的洪水遭遇。原则上应 根据工程本身和下游防护目标的重要性，确定不同溃坝型式与不同频 率洪水的组合方案。坝上水位由水库调洪决定，一般来说，坝上水位 应为坝顶高（有防浪墙应加墙高）的漫顶水位，下游初始水位由相应 设计洪水最大下泄量确定。本次主要分析汛期超标准洪水和土坝坝体异常（基础渗漏和管 涌）引起溃坝两种工况，前者坝上水位按坝顶高程（有防浪墙为防浪 墙顶高程）作为溃坝初始水位，后者以水库设计洪水位作为初始水位, 下游初始水位由相应设计洪水最大下泄量确定。可不考虑溃坝后上游来水，下游应考虑区间相应汇入洪水。4溃坝洪水分析计算根据大坝类

29、型、结构、材料，分析溃决方式。全溃或局部溃，从 时间上分为瞬时溃或逐渐溃。按可能出现的溃坝型式，坝体溃口的形 态、尺寸可根据溃坝坝体材料的特性分析确定，也可采用坝体逐渐溃 决、瞬间局部溃决、瞬间全部溃决方式设定。溃坝洪水计算分析可采用基于理论分析经验公式和数学模型两 种途径。基于理论分析经验公式，可用于大坝溃决时的最大流量、概 化流量过程及溃坝洪水演进计算等，得到代表断面溃坝洪水演进成 果。数值模拟进行溃坝洪水计算可考虑更详细的边界条件，给出影响 范围内各处洪水状态成果。根据水库下游地形分析，山丘区溃坝洪水行洪边界明确、洪水演 进受地物影响因素较小的可采用一维流或简化公式进行计算，否则宜 采用

30、二维流（与一维流耦合）数值模拟进行计算。对于水库水位高、上下游地形复杂的重大枢纽，应采用更完整的数学模型进行计算。4.1 基于理论分析经验公式水库溃坝洪水计算(1)大坝瞬时全溃时的最大流量1)里特尔-圣维南法.Bh假设河槽为平底，断面面积满足4 =凶=V ，坝上下游为静 水，并忽略水流阻力。根据圣维南方程和特征线理论，得到几种断面 形状河槽的临界流速、临界水深和最大流量见表4.1-1。表4.11瞬时全溃最大流量计算表2)谢任之公式断面 形状形状指数 m坝址临界 流速Vc坝址临界 水深hc坝址最大流量 Qmax适用条件 hz/ho矩形1|腐士%9。Q日靡2W0.138四次抛物 线1.2525.而小0.261b77V/2W0.159二次抛物 线1.5癌2%16 0.230叫伍%3W0.175三角形2|7竺25 0.181BViV2W0.199Qa = AB。物记 2西十六对于连续波情况：4必2in + 式中：2流量参数；ho、vo上游水深、流速；B()河宽；m河槽形状指数。(2)大坝瞬时局部溃决时的最大流量