苗尾水电站施工期溃堰洪水计算分析

'第1O卷第5期南水北调与水利科技V01．10No．52012年1O月South-to-NorthWaterDiversionandWaterScience&TechnologyOct．2012doi：10．3724／SP．J．1201．2012．05157苗尾水电站施工期溃堰洪水计算分析杨彦龙，周琮辉，张小峰。，程开宇(1．中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，杭州310014；2．杭州市水文水资源监测总站，杭州310014；3．武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉430012)摘要：苗尾水电站施工期临时围堰挡水度汛期间，若因上游超标洪水导致围堰溃决，将引起围堰库区水体骤然下泄，形成较大溃坝洪峰向下游传播，严重威胁下游两岸村镇及功果桥梯级电站的安全。根据溃坝洪水传播和运动的特点，建立了一个包括围堰溃决过程和洪水演进的溃堰洪水数学模型。利用该模型，合理假定围堰溃决模式，拟定不同的计算方案，对苗尾水电站施工期围堰溃决及溃堰洪水演进过程进行了模拟计算。通过模型计算可以得到各特征断面的最高水位和最大流量值，并可以得到溃堰洪水传至各特征断面的演进时间。因此，可以利用溃堰洪水数学模型，为围堰溃决时下游河道两岸的洪灾分析及溃堰应急预案制定提供科学依据。关键词：溃堰洪水；有限体积法；数学模型；苗尾水电站中图分类号：TV122．4文献标识码：A文章编号：1672—1683(2012)05—0157—04CalculationAnalysisofCofferdamBreachFloodinConstructionPeriodofMiaoweiHydropowerStationYANGYan-long。ZH0UZong-hui。，ZHANGXiaofeng3，CHENGKai-yu(1_HydrochinaHuadongEngineeringCorporation，Hangzhou310014，China；2．HangzhouHydrologyandWaterResourcesMonitoringStation，Hangzhou310014，China；3．StateKeLaboratoryofWaterResourcesandHydropozoerEngineeringScience，WuhanUniversity，Wuhan430072，China)Abstract：TheMiaoweihydropowerstationretainswaterusingthetemporarycofferdamduringtheconstructionperiod．Theres—ervoirwatercandischargequicklyiftheeofferdamfailscausedbytheabovenormalfloodintheupstream。whichcanresultinthedam-breakfloodthatisahugethreatforthesafetyofdownstreamtownsandtheGongguoqiaostephydropowerstation．Baseonthespreadandmovementcharacteristicsofcofferdambreachflood。amathematicalmodelsimulatingtheCOfferdalTlbreachfloodincludingthecofferdambreachprocessandfloodevolutionprocesswasdeveloped．ThemodelwasusedtOsimulatethecofferdambreachprocessandfloodevolutionprocessintheMiaoweihydropowerstationduringtheconstructionperiodbasedondifferentcofferdambreachcalculationschemesupontheassumptionsofreasonableCOfferdamfailuremodes．Themaxi—mumfloodlevelsandpeakflooddischargesatdifferentcrosssectionscanbecalculatedusingthemode1，andtheevolutiontimef0rtheCOfferdambreachfloodtravellingtoeachofthecrosssectionscanbeobtainedaswel1．Therefore，themathematicalmodelofcofferdambreachfloodcanprovideascientificbasisforanalyzingtheimpactsofthefloddisastercausedbythecofferdambreachinthedownstreamregionandconductingtheemergencyprovisiononfloodpreventionfromthecofferdambreach．Keywords：cofferdambreachflood；finitevolumemethod；mathematicalmodel；Miaoweihydropowerstation大坝溃决将对下游人民生命财产安全造成重大损失，开发时序的不同，往往存在下游大坝已经完建，上游大坝使下游遭受破坏性影响。近年来国内外学者对于溃坝问仍在施工的情况，上游梯级施工期挡水围堰一旦发生溃决，题进行了许多模型试验与研究，得到了部分溃坝洪峰将对下游的梯级电站的正常运行及大坝安全形成严重威计算经验公式蜘和溃坝洪水演进数值计算方法。我胁。以苗尾水电站为例，对苗尾水电站施工期溃堰洪水进国目前在西南诸多河流上进行水电梯级开发，由于梯级行数值模拟计算。收稿日期：2012—06—19修回日期：2012—08—31网络出版时间：2012—10-12网络出版地址：http：／／Ⅵnjlrcnki．net／kcms／detail／13．1334．T20121012．1813．006．html基金项目：国家重大基础研究计划(973)项目(2003CD415203)作者简介：杨彦龙(1986-)，男，甘肃陇南人，工程师，主要从事水力学及河流动力学方面研究。E-mail：yang_yl@ecidi．corn 第1O卷总第62期·南水北调与水利科技·2012年第5期加速度；t-时间(s)；gJ一侧向单位长度注入流量(mz／s)；Al工程概况一过水断面面积(m2)；R一断面水力半径；一动能修正系苗尾水电站位于云南省北部大理州云龙县境内的澜沧数；一糙率系数。江干流河段，是澜沧江古水(含库区)至苗尾河段水电规划的2．3．2方程离散最下游一个梯级，上接大华桥电站，下邻功果桥梯级电站，正模型采用有限体积法这一数值方法，其特点是数值计算常蓄水位1408m，电站装机容量1400MW。结果不会产生因为数值效应引起的水量不守恒问题。它计苗尾大坝施工导流采用全年围堰、隧洞导流的方式，导算精度高，数值稳定性好，能同时模拟急流、缓流和水跃等溃流建筑物主要包括：导流隧洞、上下游围堰等。上、下游围堰坝洪水常见问题。同时，它也不要求计算域内解处处连续，为3级建筑物，挡水标准采用全年2O年一遇洪水，设计流量具有激波捕捉性，因而能处理溃坝水流这类间断水流问题。7180m3／s。上游围堰为土工膜斜墙围堰，堰顶高程针对溃坝计算的基本方程圣维南方程组(2)和(3)，采用1360．O0m，最大堰高64．O0m，堰顶宽10．0m，堰顶轴线长有限体积法进行离散求解。对运动方程中对流项用一阶迎301．14m，迎水面边坡1：I．5～1：2．5，背水面边坡为1：1．8。风格式离散，根据张小峰等人的研究E13-16]，这一格式在求解下游围堰为土工膜心墙围堰，堰顶高程1319．50m，最大堰非线性对流及对流扩散方程时具有相当高的精度。离散方高28．0m，围堰顶宽10．0m，堰顶轴线长198．48m，迎水面、程表示如下。背水面边坡均为1：1．5～1：1．8。．连续性方程：功果桥水电站枢纽工程为大(Ⅱ)型工程，拦河坝为重力o^Af／2一-^n汁+1l／2一坐A((}一一)(4)"r坝，坝顶高程1310．0m，最大坝高105．0m，坝顶长度356．0m。水库正常蓄水位为1307．O0m，500年一遇设计，洪峰流运动方程：量为12800m3／s，设计洪水位为1307．O0m，2000年一遇(+△z1)／2，’ui>o”幽一>0校核，洪峰流量为14900m3／s，校核洪水位为1309．50m。一(△／2，Ui>o，≤o2数学模型五一1+△f)’’“一：z二一一2At．％,cL,-uTQ7n——溃堰数学模型由三部分组成Il¨：①溃口形态描述。(A-x+△zH1)／2，’“≤0，’““+<、0用于确定溃口形态随时间的变化，包括溃13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(A，≤o≥ox+{+1)／2’ui”流量向下游的演进。醛2+雌z东22．1溃口形态确定g——一——；『一一溃13的形态主要与坝型和筑坝材料有关，目前，对于实z———■—一1ll际溃坝机理的研究仍不是很清楚，溃口的形态主要通过近似(5)g—A．+I_t_A．+I假定来确定口。因此，首先假定水库溃决开始时刻坝顶已(—i+1／2i-1／24／32存在一小缺13，一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。溃口形态描述主3溃堰洪水演进计算要由四个参数确定：溃决历时(r)，溃口最终底宽(6)，溃口底部高程()，溃口边坡(m)。由第1个参数可以确定大坝溃3．1计算条件决是瞬溃还是渐溃。由后面3个参数可以确定溃口断面形①计算河段范围。模型计算范围从苗尾水库库尾至功态为矩形、三角形或梯形及局部溃或全溃。果桥电站坝址处，其中苗尾库区长8O．8km，布设48个断面，苗尾堰址至功果桥坝址长39．7km，共布设14个断面，计算2．2水库下泄流量计算河段见图1。溃堰后，水库下泄流量由两部分组成，一是通过溃口下泄流量Q，二是通过导流建筑物下泄流量Q，即：Q—Q+Q(1)2．3洪水演进模型2．3．1控制方程图1计算河段示意图一维溃坝洪水基本方程组可用圣维南方程组E12]描述，Fig．1Schematicdiagramofthestudyriverreach其连续性方程为：②边界条件。上边界采用苗尾入库洪水过程，苗尾至actFaA出_q￡(2)功果桥区间洪水作为均匀旁侧人流加入模型；苗尾围堰施工运动方程为：期功果桥水电站已蓄水发电，下游边界条件采用功果桥电站泄洪建筑物泄流能力曲线。+基()+gA+g一o(3)③糙率率定。根据功果桥库区回水成果，对功果桥库区式中：一流程(m)；Q一流量(m3／s)；z一水位(m)；g一重力河段的糙率值进行率定，模型的糙率取值在0．033~0．0565·158·烫露 杨彦龙等·苗尾水电站施工期溃堰洪水计算分析之间，苗尾库区河段糙率值参照该河段以往研究成果。决时间为3h计算条件下，溃堰后约经1．48h溃口出现最大④溃堰计算方案确定。考虑苗尾溃堰溃决由超标洪水洪峰，洪峰流量可达到17061m3／s，溃堰后经2．59h，功果引起，溃口断面为等腰梯形，溃口底高程1315．00m(防渗墙桥坝址出现洪峰，洪峰流量为15330m3／s，功果桥坝前水位顶高程)，溃口边坡系数为0．6，溃口最终底宽为180．00，顶达到1308．81m低于水库坝顶高程1310．00m。苗尾堰址宽为234m。围堰溃决时间按1h和3h分别计算。围堰标至功果桥坝址河段长度为39．72km，河段又处于苗尾库区，准为20年一遇，发生20年一遇洪水标准以上的洪水，选择河道调蓄作用较强，1h溃决方案溃堰洪峰从堰址传至功果3O年一遇洪水过程作为计算上边界条件，3o年一遇洪水洪桥坝址后，洪峰流量减少8724m3／s，削减32．43，3h溃决峰为7800rn3／s。方案溃堰洪峰从堰址传至功果桥坝址后，洪峰流量减少3．2成果分析1731m3／s，削减1O．15。表1给出了两种溃堰计算方案下，围堰下游河道洪峰流在相同的溃口形态下，溃决时间越短，则形成的洪峰流量及到达时间、洪水位及到达时间。由表1可知：当围堰溃量越大，洪峰出现时阿越早。溃堰洪水在向下游传播过程决时间为1h计算条件下，溃堰后约经0．76h溃口出现最大中，溃决历时变化对下游各特征断面处的最大流量的影响与其对堰址断面洪峰流量的影响相比要小，且越靠近下游影响洪峰，洪峰流量可达到26980rn3／s，溃堰后经1．51h，功果桥坝址出现洪峰，洪峰流量为18256rn3／s，功果桥坝前水位越小。达到1311．04m，超过功果桥1310m坝顶高程。当围堰溃表1溃堰洪峰、最高水位及出现时间统计Table1Statisticsofpeakfloodandmaximumfloodlevelandtheircorrespondingappearingtime围堰溃决之后，1h溃决和3h溃决方案溃口流量、堰前18I6水位变化过程线见图2和图3。由图可知，围堰1h溃决时，14约需3h，库水位从1360．00m降至1920．47m，溃口下泄e12洪水过程比较尖瘦，溃口峰值较大，为26980m3／s,围堰3hm{8*溃决时，约需4h，库水位从1360．00m降至1320．45m，溃口下泄洪水过程相对矮胖，峰值较小，为17061rn3／s。423025一20图33h溃决方案溃口流量、堰前水位变化过程量15Fig．3Variationsofbreachflowdischargeand*thedamfrontwaterlevelforthe3hscheme袭10①计算结果表明：围堰1h溃决时，经过0．76h，水库下5泄流量达到最大值26980rn3／s,经过0．77h溃坝洪峰传至K03断面，最大流量26650rn3／s，经过0．87h，K03断面出现最高水位1325．21m；经过0．94h溃坝洪峰传至K05断图2lh溃决方案溃口流量、堰前水位变化过程面，最大流量25422m3／s，经过1．03h，K05断面出现最高Fig．2Variationsofbreachflowdischargeand水位1316．72m；经过1．16h溃坝洪峰传至K08断面，最大thedamfrontwater1eve1forthelhscheme流量23926rn3／s，经过1．23h，K08断面出现最高水位1311．73m；经过1．51h溃坝洪峰传至功果桥坝址，最大流4结论量18256rn3／s，经过1．54h，功果桥坝前洪水位达到苗尾施工期下游功果桥电站已经完建发电，一旦施工期1311．04m，超过功果桥坝顶高程1310m。围堰3h溃决围堰由于发生超标洪水发生漫顶溃决，将对下游河道两岸居时，溃坝洪水演进与1h溃决方案有类似变化规律，经过民点和功果桥大坝安全运行造成严重威胁。利用建立的溃2．．59h，溃坝洪峰传至功果桥坝址，最大流量15330rn3／s，经堰水流数学模型对苗尾施工期围堰溃堰洪水在下游河道的过2．66h，功果桥坝前水位达到1308．81I"D-，低于电站校核演进和传播进行了模拟计算，主要结论如下。水位1309．50m。因此，在围堰挡水施工期，做好水情预报㈣∞魏～蹴·159· 第1O卷总第62期·南水北调与水利科技·2012年第5期工作，并做好与下游梯级电站的沟通顺畅，万一围堰出现险[83谭维炎．浅水动力学的回顾和当代前沿问题口]．水科学进展，情，能迅速通知下游梯级先行预泄，并组织两岸城镇居民撤1999，10(3)：296-303．(TANWei-yan．AReviewofShallow-离，减少人民生命财产的安全。WaterHydrodynamicsandSomeContemporaryProblems[J]．AdvancesinWaterScience，1999，10(3)：296—303．(inChi—②围堰溃决历时对溃堰洪峰和溃堰洪水演进都有重要nese))影响。溃决历时越短，溃堰洪峰越大，洪峰传播至下游时间[93胡四一，谭维炎．一维不恒定明流计算的三种高性能差分格式也越短，造成的损失也越大。如围堰施工质量好，溃口发展EJ3．水科学进展，1991，2(1)：11—21．HUSi-yi，TANWei-yam缓慢，对延缓洪峰到达时间和争取人员安全转移是有一定效ThreeHigh-performanceDifferenceSchemesforOne-dimen—果的。sionalUnsteadyOpenChannelFlowComputations[J]．Ad-③建立的溃堰洪水演进模型，能同时进行坝上游的调vaneesInWaterScience，1991，2(1)：11—21．(inChinese))洪演算、溃口发展过程计算及坝下游的洪水演进计算，可以[1O]美国国家气象局演坝洪水预报模型．水利电力部水利水电规应用到其他类似工程的溃坝洪水计算中。划设计院[R]．1984．(ForecastingModelofDamBreakFloodofNOAHydropowerandWaterResourcesPlanningand参考文献(References)：DesignGeneralInstituteVR]。1984．(inChinese))Eli王立辉，胡四一．溃坝问题研究综述[J]．水利水电科学进展，Eli]赵太平．水电工程溃坝洪水计算口]．泥沙研究，2003。(2)：48-1993，27(1)：80—85．(WANGLi—hui，HUSi-yi．StudyonDam53．(ZHA0Tai-ping．CalculationofDambreakFloodinHy—Failure—relatedProblemsAdvancesEJ3．AdvancesinScienceanddropowerProjects[J]．JournalofSedimentResearch，2003，TechnologyofWaterResources，1993，27(1)：80—85．(inChi—(2)：48—53．(inChinese))nese))[12]李炜，徐孝平．水力学[M3．武汉：武汉水利电力大学出版社，[23朱勇辉，廖鸿志，吴中如．国外土坝溃坝模拟综述I-J]．长江科学1999．(L1wei，XUXiao-ping．Hydraulics[M]．Wuban：wu—院院报，2003，20(2)：26—29．(ZHUYong-hui，LIAOHong-zhi，banUniversityofHydraulicandElectricEngineeringPress。WUZhong-ru．ReviewonOverseaEarth-dam-breakModeling1999．(inChinese))[J]．JournalofYangtzeRiverScientificResearchInstitute，[13]屈文谦．土石坝漫顶溃决数值模拟[D]．武汉：武汉大学，2009．2003，20(2)：26-29．(inChinese))(QUWen-qian．NumericalSimulationonOvertoppingBreac—[31HUNT＆PerturbationSolutionforDam-breakFloods[J]．hingofEarth-roekfillDam[D]．Wuhan：WuhanUniversity，JournalofHydraulieDivision，ASCE，1984，110(8)：1058—1071．2009．(inChinese))[4]谢任之．溃坝水力学[M]．济南：山东科学技术出版社，1993．[14]张小峰，中川一，许全喜．一阶迎风差分格式的精度问题[J]．(XIERen_zhi_DamBreakHydraulies[M]．Jinan：Shangdong武汉大学学报，2001，34(1)：6-10．(ZHANGXiao-feng，NAK—ScienceandTechnologyPress，1993．(inChinese))AGAH~ime，XUQuan-m。OnAccuracyofFirstOrder[5]戴荣尧，王群，罗昶．溃坝模型试验及最大流量的研究[J]．铁道UpwindScheme[J3．EngineeringJournalofWuhanUniversi—工程学报，1984，(2)：22—28．(DAIRong-yao，WANGQun，ty，2001，34(1)：6-10．(inChinese))LU0Xu．Dam-BreakModelExperimentandtheMaxiumFlow[15]张小峰，张艳霞，谢作涛．一阶迎风差分格式求解非线性对流Study[J3．JournalofRailwayEnginearingSociety，1984。(2)：扩散方程的精度[J]．武汉大学学报(工学版)，2003，36(5)：1—22—28．(inChinese))8．(ZHANGXiao-feng，ZHANGYan-xia，XIEZuo-tao．Simu—[6]吴4",Jl1．溃坝过程及洪水波演进数值模拟研究[D]．南京：南京latedAccuracyofNonlinearConvectionDiffusionEquationby水利科学研究院，2004．(wUXiao-chuan．OntheNumericalFirstOrderUpwindDifferenceScheme[J]．EngineeringJour-SimulationoftheProcessofDamBreakandFloodFlowPropa—nalofWuhanUniversity，2003，36(5)：1-8．(inChinese))gation[D3．Nanjing：NanjingHydraulicResearchInstitute，[16]胡晓张，张小峰．溃坝洪水的数学模型应用[J]．武汉大学学报2004．(inChinese))(工学版)，2011，44(2)：178—181．(HUXiao-zhang，ZhangXi—[73Elliot．RandChaudhry。M．H．AWavePropagationModelforao-feng．ApplicationofMathematicalModelforDamBreakTwo-dimensionalDam-breakFlows[J]．J．Hydr．Res．，Delft，FloodFow[J]．EngineeringJournalofWuhanUniversity，TheNetherlands，1992，30(4)：467-483．2011，44(2)：178—181．(inChinese))(上接第96页)[5]余世勇．100kHz高性能数据采集卡PCL-818[J3．机械与电子，peratureandPressureSystemofB1owMoldingBasedonPCL-1994，(6)：29—30．(YUShi-yong．1OOkHzHighPerformance818HGEJ3．ComputerMeasurement&Control，2002，(12)：DataAcquisitionBoardPCL-818HD[J]．Machinery＆Elee—801—802．(inChinese))tronics，1994，(6)：29—30．(inChinese))[7]欧传奇，刘德有．复杂管系的水力计算[J]．人民长江，2008，39[63李毓洲，谢太和，黄汉雄．PCL广818HG的吹塑温度压力测控系(24)：64—67．(OUChuan-qi，LIUDe-you．HydraulicCalculation统的开发[J]．计算机测量与控制，2002，(12)：801-802．(LIYu-onComplicatedPipingSystem[J]．YangtzeRiver，2008，39zhou，XIEDa-he，HUANGHan-xiong．DevelopmentofTem—(24)：64—67．(inChinese))'