張云成,姚令侃,2,3,李致勇

(1.西南交通大學土木工程學院,成都　610031；2.抗震工程技術四川省重點實驗室道路與鐵道工程

抗震技術研究所,成都　610031；3.高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都　610031)

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支溝堰塞湖潰決引發(fā)主河洪水計算方法研究

張云成1,姚令侃1,2,3,李致勇1

(1.西南交通大學土木工程學院,成都610031；2.抗震工程技術四川省重點實驗室道路與鐵道工程

抗震技術研究所,成都610031；3.高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都610031)

摘要：支溝冰磧堰塞湖潰決洪水是我國鐵路、高速公路建設未應對過的新風險,此外,西藏地區(qū)的河道還往往具有寬窄相間的復雜形狀,直接應用洪峰展平法計算潰決洪水的演進過程誤差過大。通過水槽實驗,發(fā)現(xiàn)由于支溝潰決洪水入?yún)R主河時分流擴散、到達河道突縮段時因流態(tài)紊亂導致局部阻力損失增大,洪峰流量和水深在匯口和突縮段均出現(xiàn)明顯衰減。針對上述的衰減現(xiàn)象,對李斯特萬公式和謝任之公式進行修正,在原式基礎上添加了折減系數(shù)以適用于復雜情況下的洪水計算。經(jīng)米堆冰湖潰決案例檢驗表明:修正后的公式精度明顯提高,可作為一種與鐵路、公路選線原則方案確定階段精度要求相匹配的潰決洪水風險快速評估方法使用。

關鍵詞：支溝潰決洪水；水槽實驗；修正公式；折減系數(shù).

我國是堰塞湖分布最廣、類型最多的國家，冰磧堰塞湖是其中最具威脅的類型之一。冰磧堰塞湖主要發(fā)育在高海拔的山區(qū)，如西藏就發(fā)育有冰磧堰塞湖925個，以冰磧松散堆積體為主要成分的冰磧堰塞壩，壩體穩(wěn)定性一般較差，較其他類型的冰湖更易潰決[1]。近年來，我國發(fā)生了多起支溝堰塞湖潰決引發(fā)的主河超常洪水災害，造成巨大生命財產(chǎn)損失。例如：1981年西藏波曲河東支支溝內(nèi)次仁瑪錯兩次發(fā)生冰湖潰決，洪水沖毀中尼公路50 km[2]；2013年尼都藏布江的支溝中然則日阿錯冰湖潰決，導致下游橋梁、道路等基礎設施遭到嚴重破壞，直接經(jīng)濟損失高達2.7億元[3]。支溝冰磧堰塞湖潰決洪水是我國鐵路、高速公路建設未應對過的新風險[4]，此外，西藏地區(qū)的河道還往往具有寬窄相間的復雜形狀。因此推算潰決洪水在復雜情況下的演進過程，對線路工程可能受災范圍進行預測，成為具有明確應用背景的課題。

目前洪水演進分析的方法可分為兩大類[5]。一類是水文學的方法，主要采用歷史洪水實測資料反算出數(shù)學模型中的參數(shù)，再來用作洪水演進的預報，如馬斯京根法、特征河長法等，但由于潰壩洪水比天然實測暴雨洪水大很多，故依據(jù)實測資料中反算出的參數(shù)，用以外延，往往效果不好。第二類是水力學的方法，又分為數(shù)值計算法和近似計算法兩種。數(shù)值計算法基于離散的基本原理(如特征線法、有限差分法、有限元法、有限體積法等)求解圣維南方程組的黎曼問題，該方法理論較嚴密，可考慮較多因素，但需通過計算機編程計算，計算過程繁瑣復雜，前期工作多，所需時間長。近似算法包括洪峰展平法、線性河道法、蓄槽關系法等，其中洪峰展平法(包括李斯特萬公式、謝任之公式)使用便捷且相對精度較高，是目前我國潰決洪水快速演進計算中使用最多，運用較成熟的方法，但在支溝堰塞湖潰決導致主河洪水、以及河道呈寬窄相間形態(tài)等復雜情況時直接應用該公式誤差太大。為此，通過水槽實驗，研究了支溝潰決洪水入?yún)R主河與主河直接突發(fā)洪水的區(qū)別，以及河道突縮對潰決洪水的影響，對李斯特萬公式和謝任之公式進行修正，希望建立一套適用于復雜情況的潰決洪水演進近似計算方法。

1水槽實驗

1.1　實驗設備

實驗在西南交通大學水力學實驗大廳內(nèi)進行，實驗設備主要包括：水循環(huán)系統(tǒng)、水槽系統(tǒng)及測量系統(tǒng)。水泵位于主槽下方，將主槽下儲存的水抽上來流入主槽模擬天然河水，最后從尾部流下回水渠循環(huán)使用。主槽長10 m，寬3 m，入口處可放下?lián)醢逍钏?。距離上游口4.3 m的地方連接支槽，支槽下游1 m處進入長1 m、寬1.5 m的突縮段。支槽長4 m，寬0.33 m，高0.55 m，支槽坡度為7‰。實驗模型如圖1所示。

圖1　實驗模型平面(單位：cm)

實驗模型參照了帕隆藏布河道米堆至玉普段的特征，但不是完全按照具體河段設計。該段河道帕隆藏布主河和支溝寬度比約為5∶1、支溝與主河多為大角度相交、主河寬窄相間處河道壓縮比約為2∶1，模型設計考慮了這些特征。此外，模型主槽底部鋪有碎石和泥沙，邊壁一側(cè)為粗糙的磚塊；實驗模擬潰決方式為瞬時全潰，形成的大雷諾數(shù)湍流運動與堰塞湖潰決洪水運動方式相同。但是，帕隆藏布河道僅作為研究背景考慮，該實驗仍屬相似率不嚴格條件下的一種概化模型實驗。

測試方法：洪水流速采用示蹤劑法，水深采用高靈敏度的脈動水壓力傳感器測量，流量通過所測得的洪峰流速和洪峰水位推算。潰決洪水演進過程采用高速工業(yè)攝像機和高清單反相機進行記錄。

1.2　實驗方案設計

實驗時先穩(wěn)定一定主河初始水深(以匯口處水深為參考值)，然后分別通過支槽蓄滿水后釋放模擬支溝潰決，主河用擋板擋住蓄水不同高度后瞬間釋放模擬不同庫容的主河潰決。具體實驗方案如表1和表2所示。

表1　支溝潰決實驗方案

表2　主河潰決實驗方案

注：每組深度表示蓄水池的蓄水高度。

1.3　實驗結果分析

1.3.1支溝洪水與主河洪水差異分析

本文從下游同一位置(狹窄段)的流量和洪峰水位兩方面分析了同等潰決庫容下，支溝洪水和主河洪水對下游影響的差異。實驗結果如表3所示。

從表3看出，同等潰決庫容，支溝洪水在流量和洪峰水位上相比主河洪水都有一定衰減，衰減比在0.8和0.9左右?？梢娭蠞Q對下游的災害影響比主河潰決小。根據(jù)實驗觀測，支溝洪水沖入主河瞬間，匯口處局部水位驟增，沖向?qū)Π逗笙蛏舷掠畏至鲾U散，將洪峰一分為二，上游區(qū)域出現(xiàn)了短暫的雍水現(xiàn)象，向下分流的洪峰繼續(xù)演進，這一擴散現(xiàn)象起到了削峰作用，致使下游演進洪峰流量和水深衰減。支溝洪水入?yún)R主河實況如圖2所示。

表3　主支溝洪峰流量比較

圖2　支溝洪水入?yún)R主河實況

1.3.2河道突縮對潰決洪水的影響分析

本實驗在穩(wěn)定水流下的實驗結果與前人研究結果能較好吻合[6]。

現(xiàn)研究在潰決洪水時河道突縮段對水流影響是否和穩(wěn)定水流下有差異，利用實驗數(shù)據(jù)計算了兩種情況下水流在突縮段與突縮段前的流量和水深百分比值，結果如表4所示。

表4　寬窄段流量水深百分比值

穩(wěn)定水流的流量水深衰減為潰決洪水到達前河道局部阻力損失的結果。潰決洪水到達突縮段后流量水深衰減增大，且衰減程度與潰決總量和河道初始水深無關，大概在穩(wěn)定水流的基礎上流量多折減了0.6～0.7，水深多折減了0.8～0.9。根據(jù)實驗觀測，穩(wěn)定水流下突縮段流態(tài)相對平穩(wěn)，而潰決洪水在該處流態(tài)復雜、紊亂，部分水流被反彈，出現(xiàn)明顯的頂托現(xiàn)象，受頂托影響局部雍水嚴重，這一現(xiàn)象導致潰決洪水到達時局部阻力損失增大。

2支溝潰決引發(fā)主河洪水演進近似計算方法

在潰決洪水演進中，主要關心沿程的流量、水深、流速3個因素。本文提出的潰決洪水演進近似計算方法：流量采用李斯特萬公式計算，水深采用謝任之公式計算，流速利用已算得流量和水深推算。

2.1　李斯特萬流量計算公式的修正

李斯特萬公式

(1)

式中，QLM為當潰壩最大流量演進至距壩址L處時，在該處出現(xiàn)的最大流量；W為潰決的總庫容量；Qm為壩址處的潰壩最大流量；L為距壩址的距離；v為河道洪水期斷面最大流速，在有資料的山區(qū)可采用歷史上的最大值，如無資料，一般山區(qū)可采用3.0～5.0 m/s，半山區(qū)可采用2.0～3.0 m/s，平原區(qū)可采用1.0～2.0 m/s；K為經(jīng)驗系數(shù)，山區(qū)K=1.1～1.5，半山區(qū)K=1.0，平原區(qū)K=0.8～0.9。黃河水利委員會水利科學研究所根據(jù)實際資料分析認為[7]，式中的值應取下列數(shù)值：山區(qū)河道，vk=7.15；半山區(qū)河道，vk=4.76；平原河道，vk=3.13。由原始推導[4]可知經(jīng)驗系數(shù)與河道糙率、河流縱比降以及河床斷面指數(shù)(河床斷面形狀)等河道阻力因素相關。其中河道糙率表征邊界表面對水流阻力影響的各種因素的綜合系數(shù)，也是衡量河流能量損失大小的一個特征量，它與河床表面粗糙度、植被、河道彎曲、沉積和沖刷等因素有關[8-9]。

本文研究的支溝堰塞湖潰決引發(fā)主河洪水的情況，其物理過程為：支溝潰決洪水先在溝道中演進，至溝口處入?yún)R主河，導致主河流量突然增加，形成洪峰，匯流后的主河洪水繼續(xù)演進，洪峰逐步衰減。我們提出一種簡化計算方法：將匯流后的主河洪水仍分為兩部分，其一，支溝潰決洪水；其二，匯流前的主河水流，一般情況下主河按穩(wěn)定水流考慮，即將沿程流量設為定值。這樣可主要關注支溝潰決洪水入?yún)R前后的演進全過程，而入?yún)R后的主河流量，按二者相加處理。

潰決洪水在支溝內(nèi)演進至溝口前，可直接利用式(1)計算。但式(1)未考慮其入?yún)R主河時的擴散削峰作用以及到達河床突縮斷面時局部阻力損

失增大的影響，所以其在匯口以下的流量計算需要對式(1)進行修正后再使用。提出修正公式如下

式中，Lj為匯口離潰口距離；Lsi為第i個寬闊河谷突縮區(qū)域距潰口距離(i=1、2、3…)；fj為匯口流量折減系數(shù)；fs為河道突縮流量折減系數(shù)。

現(xiàn)以圖1為例對公式的應用進行說明：在計算支溝潰決洪水在匯口以下的流量時，將公式分為兩段，洪水演進到斷面1和斷面2之間時，由于受到其入?yún)R主河時削峰作用的影響，流量會進行一次折減，采用式(2)計算；洪水通過斷面2之后，還應考慮突縮段對潰決洪水的影響，對流量進一步折減，折減次數(shù)取決于通過的突縮段數(shù)量，采用式(3)計算。

2.2　謝任之水深計算公式的修正

謝任之公式

(4)

式中，A為河道斷面寬度；m為河床斷面指數(shù)；Hm0為壩址處的最大水深；Hmx為距壩址x處的最大水深；W為潰決的總庫容量；i0為河道縱比降;h0為河道初始水深。

該式與李斯特萬公式同為洪峰展平法，具有相同的缺點，同理，提出修正公式

式中，hj為匯口水深折減系數(shù)；hs為寬闊河谷突縮水深折減系數(shù)。

3米堆冰湖潰決引發(fā)的帕隆藏布江洪水計算案例分析

帕隆藏布江是西藏東南部順構造線發(fā)育的線性河流(圖3)。大支流多呈樹枝和羽毛狀，而干流多呈格子狀。流域內(nèi)無論是干流還是大支流，都呈寬窄相間，盆地眾多的特點。干流自上游向下有然烏、松宗、卡達等3個盆地。盆地之間多由峽谷或?qū)捁嚷?lián)結，如：然烏—松宗峽谷，波密—松宗寬谷，索通—通麥峽谷，通麥—排龍—河口峽谷等[10]。

圖3　帕隆藏布江地形圖

1988年7月15日23時30分米堆溝光謝錯發(fā)生潰決[11]，6.4×106m3蓄水量的冰湖有5.4×106m3水體在13 h內(nèi)排走，潰口最大洪峰流量達1 270 m3/s，洪峰歷時0.5 h。根據(jù)水文資料記載[3]帕隆藏布江平均流速3 m/s，1988年平均流量為924.04 m3/s。本文利用上文修正公式計算了匯口至松宗鎮(zhèn)72個斷面的流量和洪峰水位，由于整個流域為深切峽谷，將河道簡化為矩形河槽，由曼寧公式得出匯口下游初始水深。匯口至每個斷面的河流縱比降和斷面寬度從1∶50 000的電子矢量地形圖獲取。

米美村、玉普鄉(xiāng)和宗壩村分別為3個寬闊河谷區(qū)域。潰決洪水依次在圖3所示4個斷面處進行流量和水深折減，因為河道斷面突縮變化比例與模型實驗接近，折減系數(shù)直接取實驗值，即fj取0.8，fs取0.7，hj和hs均取0.9。

洪水進入帕隆藏布江后與主河匯合，流量突然增大后繼續(xù)沿主河道向下游演進，經(jīng)折減最后到達松宗鎮(zhèn)流量只有1 035.21 m3/s，接近帕隆藏布江原有流量(924.04 m3/s)，河流趨于平穩(wěn)，可見米堆冰湖潰決洪水影響范圍大概在帕隆藏布流域下游60 km內(nèi)。支溝潰決洪水沿程流量如圖4所示。

圖4　支溝潰決洪水沿程流量

當洪峰水位高于線路高程，線路即被淹沒水毀。通過DEM提取線路高程數(shù)據(jù)，利用修正后的謝任之公式計算沿程洪峰水位，水毀路段長22.28 km；而使用傳統(tǒng)謝任之公式計算，水毀公路里程30 km，根據(jù)災害調(diào)查資料[2]，米堆冰湖潰決洪水毀壞了沿程公路22 km，修正公式計算結果更符合實際情況。

流速反映了洪水對沿程線路、橋梁等工程設施的沖刷作用，可根據(jù)上文修正公式計算的洪峰流量和水深估算?，F(xiàn)場調(diào)查表明沿途河道兩岸沖刷嚴重，尤其是峽谷段大段公路路基被沖毀，計算得到潰決洪水流速在狹窄段遠大于寬闊段，表現(xiàn)出更大的沖刷作用，在狹窄段的斷面流速最大接近18 m/s，而在寬闊河谷斷面，流速僅有2 m/s，其余河段流速范圍多在5～10 m/s，斷面寬窄變化明顯的河段流速急劇變化，計算結果符合實際情況。

4結論

(1)水槽實驗發(fā)現(xiàn)，支溝潰決洪水入?yún)R主河會因為沖到對岸向上游擴散一部分而對洪水起到了削峰作用，導致下游洪峰流量及水深相比主河上同等庫容潰決的洪水明顯衰減；潰決洪水通過河道突縮段時，流態(tài)相比穩(wěn)定水流通過突縮段時更加紊亂復雜，局部阻力損失增大，流量及水深衰減程度更嚴重。

(2)針對支溝堰塞湖潰決引發(fā)主河洪水并在復雜河道行進時產(chǎn)生的衰減現(xiàn)象，對李斯特萬公式和謝任之公式進行了修正。通過米堆冰湖潰決引發(fā)帕隆藏布江洪水的案例分析，表明修正公式既能保持傳統(tǒng)公式方便快捷的特點，針對復雜情況下的潰決洪水計算又能提高精度，可作為一種與鐵路公路選線原則方案確定階段精度要求相匹配的潰決洪水風險快速評估方法使用。

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Research on Calculation of Main River Flood Triggered by Tributary Dammed Lake OutburstZHANG Yun-cheng1, YAO Ling-kan1,2,3, LI Zhi-yong1

(1.School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2.Road and Research

Institute, Sichuan Key Laboratory of Seismic Engineering and Technology, Chengdu, 610031 China;

3.MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Chengdu 610031, China)

Abstract：Outburst flood of tributary moraine dammed lakes is a new risk and the railway and highway construction have never dealt with it. In addition, Tibetan river channels have complex shapes with different widths and the error is too big when peak flattening method is used directly to calculate outburst flood. Based on the flume experiment, we find that when the tributary flood flows into the main river it is shunted and diffused, and the local resistance loss increases because of the flow disturbance when the flood arrives at the sudden contraction section in the channel; and the flow and peak water level attenuate significantly in that two sections. The Lee Stevan formula and Xie Renzhi formula are modified for the attenuation, and attenuation coefficients are added to original formulas to apply to complex situations of flood calculation. Midui moraine lake outburst illustrates that the modified formulas have higher accuracy and can be used for rapid assessment of outburst flood risk, which matches the accuracy requirements of the principle scheme of the railway line selection.

Key words：Outburst flood in tributary; Flume experiment; Modified formula; Attenuation coefficient

中圖分類號：TV87

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.006

文章編號：1004-2954(2016)02-0028-05

作者簡介：張云成(1991—)，男，碩士研究生，主要從事鐵路公路災害防治及安全技術，E-mail：269591907@qq.com。通信作者：姚令侃(1953—)，男，教授，博士，研究方向：鐵路公路工程災害防治及安全技術，E-mail:yaolk@swjtu.edu.cn。

基金項目：中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃課題(2013G014-A-3、2014G004-A-6)；國家自然科學基金重點項目(41030742)

收稿日期：2015-07-19； 修回日期：2015-07-28