支沟堰塞湖溃决引发主河洪水计算方法研究

?

支沟堰塞湖溃决引发主河洪水计算方法研究

张云成1,姚令侃1,2,3,李致勇1

(1.西南交通大学土木工程学院,成都　610031；2.抗震工程技术四川省重点实验室道路与铁道工程

抗震技术研究所,成都　610031；3.高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都　610031)

摘　要：支沟冰碛堰塞湖溃决洪水是我国铁路、高速公路建设未应对过的新风险,此外,西藏地区的河道还往往具有宽窄相间的复杂形状,直接应用洪峰展平法计算溃决洪水的演进过程误差过大。通过水槽实验,发现由于支沟溃决洪水入汇主河时分流扩散、到达河道突缩段时因流态紊乱导致局部阻力损失增大,洪峰流量和水深在汇口和突缩段均出现明显衰减。针对上述的衰减现象,对李斯特万公式和谢任之公式进行修正,在原式基础上添加了折减系数以适用于复杂情况下的洪水计算。经米堆冰湖溃决案例检验表明:修正后的公式精度明显提高,可作为一种与铁路、公路选线原则方案确定阶段精度要求相匹配的溃决洪水风险快速评估方法使用。

关键词：支沟溃决洪水；水槽实验；修正公式；折减系数.

我国是堰塞湖分布最广、类型最多的国家，冰碛堰塞湖是其中最具威胁的类型之一。冰碛堰塞湖主要发育在高海拔的山区，如西藏就发育有冰碛堰塞湖925个，以冰碛松散堆积体为主要成分的冰碛堰塞坝，坝体稳定性一般较差，较其他类型的冰湖更易溃决[1]。近年来，我国发生了多起支沟堰塞湖溃决引发的主河超常洪水灾害，造成巨大生命财产损失。例如：1981年西藏波曲河东支支沟内次仁玛错两次发生冰湖溃决，洪水冲毁中尼公路50 km[2]；2013年尼都藏布江的支沟中然则日阿错冰湖溃决，导致下游桥梁、道路等基础设施遭到严重破坏，直接经济损失高达2.7亿元[3]。支沟冰碛堰塞湖溃决洪水是我国铁路、高速公路建设未应对过的新风险[4]，此外，西藏地区的河道还往往具有宽窄相间的复杂形状。因此推算溃决洪水在复杂情况下的演进过程，对线路工程可能受灾范围进行预测，成为具有明确应用背景的课题。

目前洪水演进分析的方法可分为两大类[5]。一类是水文学的方法，主要采用历史洪水实测资料反算出数学模型中的参数，再来用作洪水演进的预报，如马斯京根法、特征河长法等，但由于溃坝洪水比天然实测暴雨洪水大很多，故依据实测资料中反算出的参数，用以外延，往往效果不好。第二类是水力学的方法，又分为数值计算法和近似计算法两种。数值计算法基于离散的基本原理(如特征线法、有限差分法、有限元法、有限体积法等)求解圣维南方程组的黎曼问题，该方法理论较严密，可考虑较多因素，但需通过计算机编程计算，计算过程繁琐复杂，前期工作多，所需时间长。近似算法包括洪峰展平法、线性河道法、蓄槽关系法等，其中洪峰展平法(包括李斯特万公式、谢任之公式)使用便捷且相对精度较高，是目前我国溃决洪水快速演进计算中使用最多，运用较成熟的方法，但在支沟堰塞湖溃决导致主河洪水、以及河道呈宽窄相间形态等复杂情况时直接应用该公式误差太大。为此，通过水槽实验，研究了支沟溃决洪水入汇主河与主河直接突发洪水的区别，以及河道突缩对溃决洪水的影响，对李斯特万公式和谢任之公式进行修正，希望建立一套适用于复杂情况的溃决洪水演进近似计算方法。

1　水槽实验

1.1　实验设备

实验在西南交通大学水力学实验大厅内进行，实验设备主要包括：水循环系统、水槽系统及测量系统。水泵位于主槽下方，将主槽下储存的水抽上来流入主槽模拟天然河水，最后从尾部流下回水渠循环使用。主槽长10 m，宽3 m，入口处可放下挡板蓄水。距离上游口4.3 m的地方连接支槽，支槽下游1 m处进入长1 m、宽1.5 m的突缩段。支槽长4 m，宽0.33 m，高0.55 m，支槽坡度为7‰。实验模型如图1所示。

图1　实验模型平面(单位：cm)

实验模型参照了帕隆藏布河道米堆至玉普段的特征，但不是完全按照具体河段设计。该段河道帕隆藏布主河和支沟宽度比约为5∶1、支沟与主河多为大角度相交、主河宽窄相间处河道压缩比约为2∶1，模型设计考虑了这些特征。此外，模型主槽底部铺有碎石和泥沙，边壁一侧为粗糙的砖块；实验模拟溃决方式为瞬时全溃，形成的大雷诺数湍流运动与堰塞湖溃决洪水运动方式相同。但是，帕隆藏布河道仅作为研究背景考虑，该实验仍属相似率不严格条件下的一种概化模型实验。

测试方法：洪水流速采用示踪剂法，水深采用高灵敏度的脉动水压力传感器测量，流量通过所测得的洪峰流速和洪峰水位推算。溃决洪水演进过程采用高速工业摄像机和高清单反相机进行记录。

1.2　实验方案设计

实验时先稳定一定主河初始水深(以汇口处水深为参考值)，然后分别通过支槽蓄满水后释放模拟支沟溃决，主河用挡板挡住蓄水不同高度后瞬间释放模拟不同库容的主河溃决。具体实验方案如表1和表2所示。

表1　支沟溃决实验方案

实验分组初始水深/cm实验分组初始水深/cm第1组6第8组13第2组7第9组14第3组8第10组16第4组9第11组18第5组10第12组18.5第6组11第13组20.5第7组12

表2　主河溃决实验方案

实验分组初始水深6cm初始水深7cm初始水深8cm第1组17cm21cm18cm第2组18cm24cm21cm第3组21cm30cm22cm第4组23cm32cm26cm第5组25cm42cm33cm

注：每组深度表示蓄水池的蓄水高度。

1.3　实验结果分析

1.3.1　支沟洪水与主河洪水差异分析

本文从下游同一位置(狭窄段)的流量和洪峰水位两方面分析了同等溃决库容下，支沟洪水和主河洪水对下游影响的差异。实验结果如表3所示。

从表3看出，同等溃决库容，支沟洪水在流量和洪峰水位上相比主河洪水都有一定衰减，衰减比在0.8和0.9左右。可见支沟溃决对下游的灾害影响比主河溃决小。根据实验观测，支沟洪水冲入主河瞬间，汇口处局部水位骤增，冲向对岸后向上下游分流扩散，将洪峰一分为二，上游区域出现了短暂的雍水现象，向下分流的洪峰继续演进，这一扩散现象起到了削峰作用，致使下游演进洪峰流量和水深衰减。支沟洪水入汇主河实况如图2所示。

表3　主支沟洪峰流量比较

初始水深/cm678洪水类型洪峰水位/cm主河洪水9.4796支沟洪水8.3265主河洪水10.2755支沟洪水9.4796主河洪水10.2347支沟洪水9.2755水位百分比/%87.8492.2590.63流量/(m3·s-1)0.1210.0890.1360.1040.1310.105流量百分比/%73.2076.4579.98

图2　支沟洪水入汇主河实况

1.3.2　河道突缩对溃决洪水的影响分析

本实验在稳定水流下的实验结果与前人研究结果能较好吻合[6]。

现研究在溃决洪水时河道突缩段对水流影响是否和稳定水流下有差异，利用实验数据计算了两种情况下水流在突缩段与突缩段前的流量和水深百分比值，结果如表4所示。

表4　宽窄段流量水深百分比值

初始水深/cm溃决总量/m3突缩段前流速/(m·s-1)突缩段流速/(m·s-1)突缩段前水深/cm突缩段水深/cm水深百分比/%突缩段前流量/(m3·s-1)突缩段流量/(m3·s-1)流量百分比/%600.2960.4444.733.8882.030.02100.013865.7160.49761.2571.60013.18379.479671.900.24860.121348.7960.57221.3891.71514.632710.602072.450.30490.145547.7260.62201.3201.54914.867310.285769.180.29440.127443.37700.3470.5715.854.7881.710.03040.021871.7170.52251.3201.65614.10210.275572.870.27920.136148.7570.59711.5531.84515.857111.602073.170.36940.171246.3570.74641.5531.77817.357111.602066.840.40430.163040.32800.3570.6156.965.5579.700.03730.027373.1980.54741.4671.60014.555710.234770.310.32020.131041.0080.64691.6501.77817.081611.816369.180.42880.168139.7580.82101.7032.00019.295912.459264.570.49290.199340.40

稳定水流的流量水深衰减为溃决洪水到达前河道局部阻力损失的结果。溃决洪水到达突缩段后流量水深衰减增大，且衰减程度与溃决总量和河道初始水深无关，大概在稳定水流的基础上流量多折减了0.6～0.7，水深多折减了0.8～0.9。根据实验观测，稳定水流下突缩段流态相对平稳，而溃决洪水在该处流态复杂、紊乱，部分水流被反弹，出现明显的顶托现象，受顶托影响局部雍水严重，这一现象导致溃决洪水到达时局部阻力损失增大。

2　支沟溃决引发主河洪水演进近似计算方法

在溃决洪水演进中，主要关心沿程的流量、水深、流速3个因素。本文提出的溃决洪水演进近似计算方法：流量采用李斯特万公式计算，水深采用谢任之公式计算，流速利用已算得流量和水深推算。

2.1　李斯特万流量计算公式的修正

李斯特万公式

(1)

式中，QLM为当溃坝最大流量演进至距坝址L处时，在该处出现的最大流量；W为溃决的总库容量；Qm为坝址处的溃坝最大流量；L为距坝址的距离；v为河道洪水期断面最大流速，在有资料的山区可采用历史上的最大值，如无资料，一般山区可采用3.0～5.0 m/s，半山区可采用2.0～3.0 m/s，平原区可采用1.0～2.0 m/s；K为经验系数，山区K=1.1～1.5，半山区K=1.0，平原区K=0.8～0.9。黄河水利委员会水利科学研究所根据实际资料分析认为[7]，式中的值应取下列数值：山区河道，vk=7.15；半山区河道，vk=4.76；平原河道，vk=3.13。由原始推导[4]可知经验系数与河道糙率、河流纵比降以及河床断面指数(河床断面形状)等河道阻力因素相关。其中河道糙率表征边界表面对水流阻力影响的各种因素的综合系数，也是衡量河流能量损失大小的一个特征量，它与河床表面粗糙度、植被、河道弯曲、沉积和冲刷等因素有关[8-9]。

本文研究的支沟堰塞湖溃决引发主河洪水的情况，其物理过程为：支沟溃决洪水先在沟道中演进，至沟口处入汇主河，导致主河流量突然增加，形成洪峰，汇流后的主河洪水继续演进，洪峰逐步衰减。我们提出一种简化计算方法：将汇流后的主河洪水仍分为两部分，其一，支沟溃决洪水；其二，汇流前的主河水流，一般情况下主河按稳定水流考虑，即将沿程流量设为定值。这样可主要关注支沟溃决洪水入汇前后的演进全过程，而入汇后的主河流量，按二者相加处理。

溃决洪水在支沟内演进至沟口前，可直接利用式(1)计算。但式(1)未考虑其入汇主河时的扩散削峰作用以及到达河床突缩断面时局部阻力损

失增大的影响，所以其在汇口以下的流量计算需要对式(1)进行修正后再使用。提出修正公式如下

式中，Lj为汇口离溃口距离；Lsi为第i个宽阔河谷突缩区域距溃口距离(i=1、2、3…)；fj为汇口流量折减系数；fs为河道突缩流量折减系数。

现以图1为例对公式的应用进行说明：在计算支沟溃决洪水在汇口以下的流量时，将公式分为两段，洪水演进到断面1和断面2之间时，由于受到其入汇主河时削峰作用的影响，流量会进行一次折减，采用式(2)计算；洪水通过断面2之后，还应考虑突缩段对溃决洪水的影响，对流量进一步折减，折减次数取决于通过的突缩段数量，采用式(3)计算。

2.2　谢任之水深计算公式的修正

谢任之公式

(4)

式中，A为河道断面宽度；m为河床断面指数；Hm0为坝址处的最大水深；Hmx为距坝址x处的最大水深；W为溃决的总库容量；i0为河道纵比降;h0为河道初始水深。

该式与李斯特万公式同为洪峰展平法，具有相同的缺点，同理，提出修正公式

式中，hj为汇口水深折减系数；hs为宽阔河谷突缩水深折减系数。

3　米堆冰湖溃决引发的帕隆藏布江洪水计算案例分析

帕隆藏布江是西藏东南部顺构造线发育的线性河流(图3)。大支流多呈树枝和羽毛状，而干流多呈格子状。流域内无论是干流还是大支流，都呈宽窄相间，盆地众多的特点。干流自上游向下有然乌、松宗、卡达等3个盆地。盆地之间多由峡谷或宽谷联结，如：然乌—松宗峡谷，波密—松宗宽谷，索通—通麦峡谷，通麦—排龙—河口峡谷等[10]。

图3　帕隆藏布江地形图

1988年7月15日23时30分米堆沟光谢错发生溃决[11]，6.4×106 m3蓄水量的冰湖有5.4×106 m3水体在13 h内排走，溃口最大洪峰流量达1 270 m3/s，洪峰历时0.5 h。根据水文资料记载[3]帕隆藏布江平均流速3 m/s，1988年平均流量为924.04 m3/s。本文利用上文修正公式计算了汇口至松宗镇72个断面的流量和洪峰水位，由于整个流域为深切峡谷，将河道简化为矩形河槽，由曼宁公式得出汇口下游初始水深。汇口至每个断面的河流纵比降和断面宽度从1∶50 000的电子矢量地形图获取。

米美村、玉普乡和宗壩村分别为3个宽阔河谷区域。溃决洪水依次在图3所示4个断面处进行流量和水深折减，因为河道断面突缩变化比例与模型实验接近，折减系数直接取实验值，即fj取0.8，fs取0.7，hj和hs均取0.9。

洪水进入帕隆藏布江后与主河汇合，流量突然增大后继续沿主河道向下游演进，经折减最后到达松宗镇流量只有1 035.21 m3/s，接近帕隆藏布江原有流量(924.04 m3/s)，河流趋于平稳，可见米堆冰湖溃决洪水影响范围大概在帕隆藏布流域下游60 km内。支沟溃决洪水沿程流量如图4所示。

图4　支沟溃决洪水沿程流量

当洪峰水位高于线路高程，线路即被淹没水毁。通过DEM提取线路高程数据，利用修正后的谢任之公式计算沿程洪峰水位，水毁路段长22.28 km；而使用传统谢任之公式计算，水毁公路里程30 km，根据灾害调查资料[2]，米堆冰湖溃决洪水毁坏了沿程公路22 km，修正公式计算结果更符合实际情况。

流速反映了洪水对沿程线路、桥梁等工程设施的冲刷作用，可根据上文修正公式计算的洪峰流量和水深估算。现场调查表明沿途河道两岸冲刷严重，尤其是峡谷段大段公路路基被冲毁，计算得到溃决洪水流速在狭窄段远大于宽阔段，表现出更大的冲刷作用，在狭窄段的断面流速最大接近18 m/s，而在宽阔河谷断面，流速仅有2 m/s，其余河段流速范围多在5～10 m/s，断面宽窄变化明显的河段流速急剧变化，计算结果符合实际情况。

4　结论

(1)水槽实验发现，支沟溃决洪水入汇主河会因为冲到对岸向上游扩散一部分而对洪水起到了削峰作用，导致下游洪峰流量及水深相比主河上同等库容溃决的洪水明显衰减；溃决洪水通过河道突缩段时，流态相比稳定水流通过突缩段时更加紊乱复杂，局部阻力损失增大，流量及水深衰减程度更严重。

(2)针对支沟堰塞湖溃决引发主河洪水并在复杂河道行进时产生的衰减现象，对李斯特万公式和谢任之公式进行了修正。通过米堆冰湖溃决引发帕隆藏布江洪水的案例分析，表明修正公式既能保持传统公式方便快捷的特点，针对复杂情况下的溃决洪水计算又能提高精度，可作为一种与铁路公路选线原则方案确定阶段精度要求相匹配的溃决洪水风险快速评估方法使用。

参考文献：

[1]　刘宁，程尊兰，崔鹏，等.堰塞湖及其风险控制[M].北京：科学出版社，2013：16-21.

[2]　吕儒仁.西藏泥石流与环境[M].成都：成都科技大学出版社，1999:85-111，220-221.

[3]　孙美平，刘时银，姚晓军，等.2013年西藏嘉黎县“7.5”冰湖溃决洪水成因及潜在危害[J].冰川冻土，2014，36(1):158-165.

[4]　姚令侃，邱燕玲，魏永幸.青藏高原东缘进藏高等级道路面临的挑战[J].西南交通大学学报，2012(5):719-734.

[5]　谢任之.溃坝水力学[M].济南：山东科学技术出版社，1993:279-322.

[6]　闫旭峰，易子靖，刘同宦，等.渐变河道水流结构及局部水头损失特性研究[J].长江科学院院报，2011(9):1-5.

[7]　武汉水利电力学院水力学教研室.水力计算手册[M].北京：中国水利水电出版社，1980:479-480.

[8]　CHOW V T， HILL M. Open Channel Hydraulics[M]. New York， U.S.A: The Blackburn press， 2009.

[9]　KUMMU M， Roughness Characteristics and Velocity Profile in Vegetated and Discharge in Compound River Channel[J]. A Master Of Science Thesis， June，2002.

[10]梁光模，程尊兰.西藏公路水毁研究[M].成都：四川科学技术出版社，2005:12-13.

[11]李德基，游勇.西藏波密米堆冰湖溃决浅议[J].山地研究，1992(4):219-224.

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

中图分类号：TV87

文献标识码：A　　

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.006

文章编号：1004-2954(2016)02-0028-05

作者简介：张云成(1991—)，男，硕士研究生，主要从事铁路公路灾害防治及安全技术，E-mail：[e-mail]。通信作者：姚令侃(1953—)，男，教授，博士，研究方向：铁路公路工程灾害防治及安全技术，E-mail:[e-mail]。

基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划课题(2013G014-A-3、2014G004-A-6)；国家自然科学基金重点项目(41030742)

收稿日期：2015-07-19； 修回日期：2015-07-28