一种引流槽开挖措施的堰塞坝溃决机制分析方法与流程
本发明属于堰塞坝引流槽技术领域，具体涉及一种引流槽开挖措施的堰塞坝溃决机制分析方法。
背景技术：
堰塞坝在库水位渗透或漫顶冲刷作用下，极易形成连锁灾害链，引发下游的洪涝灾害。堰塞坝的发生具有极大不确定性，但是若能及时决策，采取有效的应急处置措施，则可降低其引发的灾害损失。引流槽开挖是堰塞坝应急抢险中最主要的工程措施。通过引流槽的合理开挖能够保证堰塞坝有序下泄，并通过下泄过程中的冲刷作用，逐步淘刷引流槽，使堰塞坝的水位逐步降低至无风险或者低风险水平。
目前，堰塞坝引流槽开挖措施的确定虽然从定性和定量方面均开展了相应研究，但均未考虑到堰塞坝对梯级水库群的灾害链效应。堰塞坝是插入到梯级水库群中的非规划水库，打破了梯级水库群的原有平衡。一旦发生溃决，将具有极强的灾害链效应。因此如何运用引流槽的开挖措施降低坝体溃决对下游梯级水库群的风险效应是急需解决的问题。
技术实现要素：
本发明的目的是提出一种引流槽开挖措施的堰塞坝溃决机制分析方法，解决了利用有限的引流槽开挖措施降低堰塞坝对下游梯级水库群的灾害链效应的问题。
本发明所采用的技术方案，一种引流槽开挖措施的堰塞坝溃决机制分析方法，包括以下步骤：
步骤1：对db-iwhr模型改进
1.1：计算溃口处流量
具体计算公式如下：
q＝cb(h-z)3/2(1)
式中：b为进口断面的宽度；h为堰塞湖水位；z为溃口底高程；c为流量系数。
1.2：溃口扩展模拟，具体模拟方式如下：
之前的溃口横向扩展模拟方法，由于缺乏来自岩土工程专业方面的足够支持而导致溃决结果出现很大的偏差。
现在的溃口横向扩展数值模型均面临以下问题：采用楔形体的溃口横向扩展过程；没有运用岩土工程中通常采用的圆弧形式的边坡稳定分析方法；没有考虑孔隙水压力的影响；没有一个合理的模型来模拟溃口横向的不断扩展过程及其垂直下切过程。
基于以上问题，在以下两方面加以改进：
(1)总应力分析方法和不排水抗剪强度参数
在引流槽水面骤降过程中，堰塞体材料特性决定了水不能自由排出。通过分析或经验方法来准确的获得孔隙水压力几乎不可能，所以采用不排水抗剪强度参数的总应力法常被用于库水位快速骤降的坝体计算中，计算过程可参考美国陆军工程师团法。
(2)带竖向坡角边坡的简化bishop法
岩土工程界，通常采用圆弧滑裂面法，如简化的bishop法，美国工程师团法进行边坡稳定分析。在计算过程中，搜索不同的滑裂面，寻找安全系数f等于最小值fm时的滑裂面即为临界滑裂面。
基于以上两处改进，建立溃口溃决分析模型，弥补了stab软件无法与溃坝洪水分析模型db-iwhr快速耦合的困境。
假定初始溃口为倒梯形，溃口受到水流的连续冲刷发生竖直下切和横向扩展，溃口边坡随水流冲刷发生失稳坍塌，其下切和横向扩展如图1所示。
1.3：溃口侵蚀率的计算
1.4：建立水库洪水调节模型
溃决洪水的变化过程为明渠非恒定流，可采用saint-venant方程组简化，逐时段联立求解水量平衡方程和蓄泄方程即为水库调洪计算过程：
水量平衡方程
蓄泄方程
q＝f(v)(6)
式中，q1、q2分别为计算时段初、末的入库流量，q1、q2分别为计算时段初、末的下泄流量，w1、w2分别为计算时段初、末水库的蓄水量，δw为库容变化量，δt为计算时段。
逐时段联立求解公式(5)和(6)，求解水库下泄流量过程线q～t，最大下泄量qm，调洪库容v洪和水库最高洪水位z洪。
在db-iwhr模型中嵌入了水库调洪计算模块，将δt减小。
步骤2：溃决模型验证。
本发明的特点还在于，
步骤1中溃口侵蚀率表达式具体推导过程如下：
式中：γ为水的重度；j为水力坡降；r为水力半径，h为溃口水深，n为糙率，v为溃口流速。
侵蚀率与剪应力相关，即侵蚀率可表示为剪应力的函数
式中：
公式(3)采用双曲线模型，其形式如下：
公式(4)中v为扣除临界剪应力后的剪应力，且参数a＝1.1、b＝0.0007。
本发明的有益效果是，基于土水耦合机制，提出了考虑引流槽开挖措施的堰塞坝溃决机制分析方法。该方法耦合了冲蚀、溃口扩展、水力学、水库洪水调节模型，可快速计算溃决洪峰流量、漫顶时间、总泄洪量以及对下游梯级水库群的风险效应，从而获得最优的引流槽设计方案。
附图说明
图1是本发明中溃口侧向崩塌过程示意图；
图2是本发明中唐家山堰塞湖溃决过程示意图，其中(a)为溃决流量图，(b)为溃口宽度图；
图3是本发明中唐家山堰塞坝实际测量值与模拟计算值对比图；
图4是本发明中红石岩堰塞坝具体数据图；
图5是本发明中堰塞坝开挖引流槽底宽5m，深8m方案的对下游水电站的风险分析图，其中(a)为红石岩堰塞湖，(b)为天花板水库，(c)为黄角树水库；
图6是本发明中堰塞坝开挖引流槽底宽20m，深8m方案的对下游水电站的风险分析图，其中(a)为红石岩堰塞湖，(b)为天花板水库，(c)为黄角树水库；
图7是本发明中堰塞坝开挖引流槽底宽5m，深10m方案的对下游水电站的风险分析图，其中(a)为红石岩堰塞湖，(b)为天花板水库，(c)为黄角树水库；
图8是本发明中堰塞坝开挖引流槽底宽20m，深10m方案的对下游水电站的风险分析图，其中(a)为红石岩堰塞湖，(b)为天花板水库，(c)为黄角树水库；
图9是本发明中堰塞坝的不同引流槽方案引起的坝址洪水图表；
图10是本发明中堰塞坝的不同引流槽方案对下游风险分析图表。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的一种引流槽开挖措施的堰塞坝溃决机制分析方法，包括以下步骤：
步骤1：对db-iwhr模型改进
1.1：计算溃口处流量
具体计算公式如下：
q＝cb(h-z)3/2(1)
式中：b为进口断面的宽度；h为堰塞湖水位；z为溃口底高程；c为流量系数。
1.2：溃口扩展模拟，具体模拟方式如下：
之前的溃口横向扩展模拟方法，由于缺乏来自岩土工程专业方面的足够支持而导致溃决结果出现很大的偏差。
现在的溃口横向扩展数值模型均面临以下问题：采用楔形体的溃口横向扩展过程；没有运用岩土工程中通常采用的圆弧形式的边坡稳定分析方法；没有考虑孔隙水压力的影响；没有一个合理的模型来模拟溃口横向的不断扩展过程及其垂直下切过程。
基于以上问题，在以下两方面加以改进：
(1)总应力分析方法和不排水抗剪强度参数
在引流槽水面骤降过程中，堰塞体材料特性决定了水不能自由排出。通过分析或经验方法来准确的获得孔隙水压力几乎不可能，所以采用不排水抗剪强度参数的总应力法常被用于库水位快速骤降的坝体计算中，计算过程可参考美国陆军工程师团法。
(2)带竖向坡角边坡的简化bishop法
岩土工程界，通常采用圆弧滑裂面法，如简化的bishop法，美国工程师团法进行边坡稳定分析。在计算过程中，搜索不同的滑裂面，寻找安全系数f等于最小值fm时的滑裂面即为临界滑裂面。
基于以上两处改进，建立溃口溃决分析模型，弥补了stab软件无法与溃坝洪水分析模型db-iwhr快速耦合的困境。
假定初始溃口为倒梯形，溃口受到水流的连续冲刷发生竖直下切和横向扩展，溃口边坡随水流冲刷发生失稳坍塌，其下切和横向扩展如图1所示
1.3：溃口侵蚀率的计算
侵蚀率表达式具体推导过程如下：
式中：γ为水的重度；j为水力坡降；r为水力半径，h为溃口水深，n为糙率，v为溃口流速。
侵蚀率与剪应力相关，即侵蚀率可表示为剪应力的函数
式中：
由于土体材料抵抗侵蚀时，不应有无限“强度”，于是采用双曲线模型，其形式如下：
式中：v为扣除临界剪应力后的剪应力，参数a＝1.1、b＝0.0007。
1.4：建立水库洪水调节模型
溃决洪水的变化过程为明渠非恒定流，可采用saint-venant方程组简化，逐时段联立求解水量平衡方程和蓄泄方程即为水库调洪计算过程：
水量平衡方程
蓄泄方程
q＝f(v)(6)
式中，q1、q2分别为计算时段初、末的入库流量，q1、q2分别为计算时段初、末的下泄流量，w1、w2分别为计算时段初、末水库的蓄水量，δw为库容变化量，δt为计算时段。
逐时段联立求解公式(5)和(6)，求解水库下泄流量过程线q～t，最大下泄量qm，调洪库容v洪和水库最高洪水位z洪。
在db-iwhr模型中嵌入了水库调洪计算模块，将δt减小。
步骤2：溃决模型验证。
以唐家山堰塞坝为例，具体操作如下：
唐家山堰塞坝的纵河向长为803.4m，横河向宽度为611.8m，库容约为2.44×108m3，堰塞坝的坝高约为82-120m，堰塞坝左右高程为785m、755m。为降低堰塞坝溃决洪峰流量及风险，开挖了宽8m、深13m且横断面为梯形的引流槽，引流槽底高程为740.4m，两侧边坡为1:1.5。坝体溃决后其溃口深度约为42m，底宽约145m，溃决洪峰流量为6500m3/s。
将唐家山堰塞坝实际参数输入到改进的db-iwhr模型中，反演其溃决过程，得到其溃决后溃决流量以及溃口宽度(见图2)。模型预测的溃决洪峰流量为7610m3/s，溃口宽度为139.6m(见图3)，预测值与实测值的误差在允许范围内，验证了改进模型的可靠性。
实施例
以鲁甸地震红石岩堰塞坝为例采用上述堰塞坝溃决机制分析方法确定其引流槽措施，以降低对下游梯级水库群的风险。
云南省鲁甸县“8·03”地震形成的牛栏江红石岩堰塞坝，具体数据如图4所示。堆积物中巨石体约占10％，块径30cm以上的约占30％，块径10～30cm的约占40％，块径10cm以下的约占20％，堆积介质自上而下均一性较好。堰塞体为密实堆积体，在上游水位1180m高程以下，堰塞体下游渗流量小于0.5m3/s。牛栏江有丰富的水资源和3座水电站，而红石岩水电站已被淹没，红石岩堰塞坝下游有天花板、黄角树两座水电站，分别距堰塞坝为18.8km和57.6km。若处理不慎，极易形成灾害链效应，将对下游水电站及下游两岸分布的3万余人，3.3万亩耕地造成极大风险。开挖引流槽成为最终确定的方案。
选择和实际过程相同的底宽5m，深8m，并选择底宽20m，深8m，底宽5m，深10m，底宽宽20m，深10m作为对比方案，通过考虑坝址溃决洪水的灾害链效应进一步优化红石岩堰塞坝的工程措施方案。天花板水电站在校核洪水位1076.61m时最大下泄流量为5046m3/s，黄角树水电站在校核洪水位774.37m的最大下泄流量为6691m3/s。选择天花板水库真实最低水位1040m，黄角树水库真实最低水位720m进行调洪。
堰塞坝开挖引流槽底宽5m，深8m方案的对下游水电站的风险分析如图5所示，开挖引流槽底宽20m，深8m方案对下游水电站的风险如图6所示，开挖引流槽底宽5m，深10m方案对下游风险如图7所示，开挖引流槽底宽20m，深10m方案对下游风险如图8所示。
从图9可以看到，若单一考虑坝址的溃决洪水，不同开挖措施的溃决流量以及溃决时间均相差不多，其溃决流量在300m3/s范围内变化，到达洪峰时间以及总泄洪量也相差不多。基于此，一般选择工程量最小的工程措施，则开挖w＝5m、h＝8m的措施为最优方案。但若考虑了坝址溃决洪水对下游的灾害链效应，从表4发现若选择开挖h＝5m、w＝8m的方案，天花板拱坝和黄角树面板堆石坝将面临溃决洪水翻坝威胁。堰塞坝的处置应坚持“安全、科学、快速”的处置原则，“安全”位于首位。堰塞坝引流槽开挖措施的最优方案应在满足风险安全控制标准的基础上确定。因此上述方案并不是引流槽措施的最优方案。
而堰塞坝引流槽开挖措施的确定是基于坝址溃决洪峰流量，堰塞体漫顶时间，总泄洪量及下游梯级水库群是否面临翻坝威胁的综合因素考量下的决定。由于天花板水库坝高1076.8m，又是混凝土拱坝，为超静定结构，具有抵御漫顶洪水的能力，不会因洪水漫顶造成大坝溃决，高261.6m的拱坝在发生高达245m的涌浪的情况下，只是造成轻微破坏。而黄角树水库为面板堆石坝，坝高775m。如若洪水漫顶，较易导致其产生溃坝。通过考虑下游梯级水库的影响，可以看到保证下游黄角树面板堆石坝不翻坝才是风险安全控制标准，基于此能够快速确定其引流槽开挖最优方案。
从图5，6，7，8和图10中发现当开挖的引流槽深度相同、宽度加大时，堰塞坝的峰值流量降低，总泄洪量增加，到达洪峰的时间差异不大。但对下游梯级水库群却有极大影响。深度相同，宽度越宽，下游水库的最高水位、出库流量降低，漫顶时间延长。
当开挖的引流槽宽度相同、深度加大时，堰塞坝的峰值流量、总泄洪量降低，到达洪峰的时间提前。宽度相同，深度加大时，下游水库的最高水位、出库流量降低，漫顶时间提前。
通过以上分析发现，以下游水库群不翻坝为首要风险安全控制标准，运用考虑引流槽开挖措施的堰塞坝溃决机制分析方法可迅速确定的引流槽开挖的最优方案应为w＝20m、h＝10m。w＝20m、h＝8m的开挖方案虽然其洪峰流量与w＝20m、h＝10m的洪峰流量相差较小，到达洪峰时间和导致天花板和黄角树水库漫顶时间均有所推迟，但并不满足黄角树水库不漫顶的风险安全控制标准。
本发明基于土水耦合机制，提出了考虑引流槽开挖措施的堰塞坝溃决机制分析方法。该方法耦合了冲蚀、溃口扩展、水力学、水库洪水调节模型，可快速计算溃决洪峰流量、漫顶时间、总泄洪量以及对下游梯级水库群的风险效应，从而获得最优的引流槽设计方案。
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