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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4 000m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
2.1 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
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,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/τ
当tbτ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;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
Qb=4.8Ap(h-h')1/2
式中Ap=〔2bi+4Z(hf-hb)〕(hf-hb)。
若ht≤2hf-hb时,h'= hf,否则ht2hf-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
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=(ASi+1+ASi)(hi+1-hi)/2
代入有关公式得到总的离散方程为
(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+
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