一种确定梯级水库群连续溃坝风险分析方法与流程

本发明涉及水利水电工程领域，是一种梯级水库群连续溃坝风险分析方法，是一种流域连续溃坝洪水风险分析和数值计算技术，可为梯级水工建筑物风险设计、梯级水库群安全管理、流域中堰塞湖应急处置、梯级水电站应急管理、防洪度汛方案制定提供定量的技术支撑。

背景技术：

梯级水库群是河流水资源开发的基本形式，更是大规模水能资源开发的必然选择。我国已建成各类水库大坝超过9.8万座，形成一系列水库群。这些水库群在防洪减灾、提供清洁电力、保障生态安全以及节能减排等方面，发挥了不可替代的作用，但如若由于不可抗力导致梯级连溃事故，其后果损失也是极其惨重。目前，单一梯级溃坝的研究成果较多，但分析多座梯级水库群连续溃坝风险的研究成果较少。暴雨洪水、地震、滑坡赌江等灾害事件对流域梯级水库群构成极大的连续溃决风险，如2014年牛栏江流域的红石岩堰塞湖、2018年金沙江上游的白格堰塞湖，均对下游梯级水库群或水电站造成极大威胁。

现有溃坝数值计算方法，多采用简单的数学模型模拟溃坝过程，未考虑溃坝的物理机制，无法更切合实际地模拟溃坝洪水过程，且未形成系统的梯级水库群连续溃坝风险分析方法，无法快速分析下游梯级水库漫坝或溃坝风险；或而采用复杂的高性能数值计算方法计算溃坝洪水演进，对地形、河道形态等基础数据精度要求较高，且计算耗时长，无法满足流域应急抢险工作的实际需要。

技术实现要素：

本发明根据流域梯级水库群应急抢险工作需要和现有技术的不足，提供一种梯级水库群连续溃坝风险分析方法，该方法集成溃口洪水计算、溃坝洪水演进、漫坝风险分析三大模块，从风险量化与预警预防角度，提出了解决梯级水库群连续溃坝风险分析的技术方法，为快速制定抢险处置方案，提高应急抢险工作效率，确保处置科学有效提供了技术支撑。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种梯级水库群连续溃坝风险分析方法，所述梯级水库群包括至少两座或以上水库大坝，所述梯级水库群连续溃坝风险分析方法步骤如下：

1)选定连续溃坝风险分析对象。根据本发明需在同一河流自上而下依次选定至少两座或以上梯级水库大坝为连续溃坝风险分析对象。

2)基础数据收集与确定。根据本发明计算分析要求，梯级水库群连续溃坝风险分析需要收集梯级水库库容—水位关系曲线和数据、坝体几何特征参数、入库流量、起调水库水位、泄洪能力曲线和数据，相邻梯级水库之间的河道坡降、糙率、几何形状参数，确定溃口冲刷侵蚀参数、溃口扩展参数、洪水演进计算时间步长等。

3)溃口洪水计算。根据本发明提出的溃口水流模型、溃口冲刷侵蚀模型和溃口几何扩展模型，确定溃口洪水流量过程和峰值流量。

4)溃坝洪水演进。根据本发明提出的基于hll格式的数值差分方法，采用中心格式的有限体积法，进行溃坝洪水演进计算，确定洪水演进至下游梯级水库的流量过程和相应的时间。

5)漫坝风险分析。根据本发明集成的调洪分析模型，计算分析是否存在漫顶连续溃坝的可能。

上述技术方案中，优选地，3)溃口洪水计算的溃口水流模型是在水量平衡的基础上，采用宽顶堰公式进行估算，即

式中b为溃口断面的宽度；h为库水位高程；z为溃口进口处床面高程；c为流量系数；q为水库自然入流量；w为库容量，v是自变量为库水位高h的函数。

上述技术方案中，优选地，3)溃口洪水计算的溃口冲刷侵蚀采用双曲线模型，即

式中dz/dt为溃口冲刷侵蚀率；τ为剪应力；τc为临界剪应力；k为单位变换因子；a、b为双曲线参数。该模型认为水流冲刷土石料时，土石料抵抗冲刷侵蚀的能力不应是无限制的，而应具有一定的“强度”，即双曲线有一当τ＝τc时的渐进线，即dz/dt的极值1/b。

上述技术方案中，优选地，3)溃口洪水计算的溃口几何扩展过程采用简化的简化bishop法进行计算。

上述技术方案中，优选地，4)溃坝洪水演进计算过程中，为提高计算效率，将河道实测断面概化为倒梯形，断面面积a和水面宽度b存在如下关系：a＝h(b0+hm)，b＝b0+2hm，其中b0为河道底宽，h为水流深度，m为河道两侧坡比。

上述技术方案中，优选地，4)溃坝洪水演进计算过程中，上游边界条件为上游梯级溃坝的流量过程或上游来水流量过程；下游边界条件根据下游断面水位流量关系，采用曼宁公式即可确定。演进过程中，各断面的起始条件，一般选择天然径流量。具体边界条件如下：

(1)初始条件：初始流场φt＝0＝φ0(x，y)，其φ分别为x、y方向的水位(z)、流速(v)、库容(w)关于时间(t)的函数，即：t＝t0，z＝z0，v＝v0，w＝w0；

(2)水位边界：z＝z(t)；

(3)流量边界：q＝q(t)；

(4)水位流量关系边界：q＝q(z)。

在以上(3)和(4)中，根据边界上流速分布，即q＝∫svnhds，可得边界节点上法向流速。此外，h采用nδt时刻的节点水深。

上述技术方案中，优选地，5)漫坝风险分析采用基于时间微元的方法，调洪漫坝风险计算的实用方程即为逐时段地联立求解水量平衡方程和水库的蓄泄方程，即

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、末水库的需水量，δw为库容变化量，δt为计算时段。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供了一种简便易行的梯级水库群连续溃坝风险分析方法，可为流域梯级水库群安全管理、应急抢险、风险处置决策提供准确、快捷和定量化的技术支撑。

附图说明

图1梯级水库群连续溃坝风险分析流程图

图2梯级水库群平面布置图

图3梯级水库群位置示意图

图4各梯级库容水位曲线

图5c库泄流能力曲线

图6a坝溃决并演进至b库流量过程及b库水位变化过程

图7b坝溃决及演进至c库流量过程

图8c库预先泄洪过程(0:00～11:38)

图9c库漫坝风险分析过程(11:38～次日6:00)

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。应该了解，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

1)选定连续溃坝风险分析对象

以某河流干流上自上而下依次规划的a、b、c三座梯级水库群为实施例，平面布置和位置示意见图2和图3。c坝为三座梯级所在河段的控制性梯级。

2)基础数据收集与确定

a坝距离b坝约85.6km，高差约318.9m，b坝距离c坝约89.3km，高差约380.5m。a、b、c三座梯级工程特性参数见表1，库容水位曲线见图4。b坝水库不具有调洪能力，不考虑其泄洪过程。c坝水库按设计方案具备防洪功能，泄洪设施包括溢洪道、竖井泄洪洞、深孔泄洪洞，全闸泄洪流量约8000m³/s，泄流能力见图5。

表1三座梯级水库工程特性表

3)a库溃坝洪水计算

a库溃坝参数取值见表2。假定a坝于0:00开始溃决，溃口冲刷起动流速3.0m/s，则14:19达溃决洪峰31914m³/s，当a坝溃口冲刷流速小于起动值3.0m/s时，溃坝结束，历时约53小时，流量过程图6所示。

表2a库溃坝计算参数

4)a库溃坝洪水演进

河道糙率取0.025，坡降为4‰，时间步长30s，河道几何形状为倒梯形，底宽30m，按0.3的坡垂直放大。0:00a库溃坝洪水开始向距离下游约85.6km的b库演进，3:19溃坝洪水演进至b坝坝址，溃坝洪峰流量于15:25进入b库，由于属于峡谷型水库，坦化作用不明显，洪峰衰减很小，b坝坝址的洪峰流量为31624m³/s，溃坝洪水演进过程见图6。

5)b库连续溃坝洪水计算

阶段1：a库溃坝洪水进入b库，库水位壅高过程。3:19a库溃坝洪水进入b库，其库水位从正常蓄水位开始壅高，8:33库水位升高至坝顶高程2690m(图6a点)，b坝漫顶，由于漫顶流量小于入库流量，库水位仍然升高，20:31b坝溃决流量等于入库流量，库水位升至最高2713.7m，超坝顶高程23.7m，其水位壅高及变化过程见图6。由于b库不具有调洪能力，故此过程不考虑达里水库从泄洪设施输出的流量。

阶段2：b坝全断面过水，梯级连溃。8:33b坝因库水位漫顶，开始连溃计算，来自上游a库溃坝的入库流量叠加至b库，发生连续溃决。将b坝8:33之后的入库流量，作为b坝的入库流量进行连续溃决计算，19:39b达溃决洪峰流量41314m³/s。

6)b库连溃洪水演进

阶段3：梯级连溃洪水向下游演进。11:38b库连溃洪水演进至下游89.3km的c坝坝址，21:20b坝连溃洪峰演进至c库，由于由于峡谷型河道，洪峰流量基本没有损失，为40832m³/s，其溃决及演进至c库的流量过程见图7。

7)c库连续溃坝风险分析

由于a库库容相对于下游的b库和c库较大，故应进行有预警工况的c库漫顶风险分析，即在a坝溃决的同时(0:00)告知c库全闸泄洪，泄洪流量为8000m³/s。至11:38b坝连溃洪水进入c库时，c库水位已从2500m降至2492.96m，下泄水量2.48亿m³。其泄流过程见图8。由于入库流量小于下泄流量，c库水位继续下降，15:02入库流量等于下泄流量，水位降至最低2491.37m，之后由于入库流量大于下泄流量，库水位开始升高，23:30水位升至坝顶高程2510m，c库漫顶，如图9所示。

本发明可在流域尺度下，对上游梯级水库溃坝洪水计算，并通过梯级水库群连续溃坝风险分析，为下游各梯级水库提前做好应对溃坝洪水，采取科学有效的应急措施提供技术支撑。例如，通过上述实施例，a库大坝溃决的同时，可通知下游各梯级提前采取泄洪腾空、加固补强等措施，以应对上游梯级水库溃坝洪水。尽管由实施例分析可知：在a坝溃决、b坝连溃的情景下，控制梯级c库通过提前泄洪仍会漫顶，但可通过工程措施加固补强，确保c库大坝漫顶不溃决，从而确保整个流域的安全。

显然，本发明不限于上述实施例的细节。上述实施例应被视为是示范性的，而非限制性的。本发明的范围由所附权利要求限定，且包括落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化。权利要求中的任何附图标记不应被视为对所涉及的权利要求具有限制性。

此外，本说明书应被视为一个整体，上述实施方式并非本发明唯一的独立技术方案，实施例中的技术方案可经适当组合调整，形成本领域技术人员可理解的其他实施方式。