特高坝及其梯级水库群设计安全标准研究Ⅰ：理论基础和等级标准

水电工程中高度200 m及以上的特高坝的设计已经超出现行规范的适用范围;考虑流域梯级效应的水库群的安全标准,迄今尚属空白。本文从公共安全风险防范和梯级连溃系统风险分析的角度,在现行水利水电枢纽工程等级划分及其设计安全标准的基础上,针对特高坝及其对下游梯级具有溃坝影响的大坝,提出了设立特等工程、特级建筑物及其相应安全标准的建议。经初步论证,建议特2级土石坝年计失效概率为5×10-8,目标可靠指标为4.45,坝坡抗滑稳定安全系数为1.6;特1级土石坝年计失效概率为1×10-8,目标可靠指标为4.7,坝坡抗滑稳定安全系数为1.7。基于我国某流域实际情况的一个虚拟大坝连溃案例,验证了确定上述工程等级和安全标准的可行性,对我国现有水电工程设计规范的修正和完善具有一定的参考意义。     

基于正交试验法的梯级水库连溃分析模型参数敏感性研究

目前江河发电中主要使用的梯级水库,根据连溃模型对水库数据进行分析,以确保梯级水库的稳定运行。通过使用正交实验的方式对西南某河流流域中的三级梯级水库的连溃模型参数进行验证分析。结果表明:梯级水库的侵蚀率、上级水库起调水位均能对连溃模型的分析结果产生一定的影响;洪水频率对连溃模型的分析结果敏感性低,因此产生的影响小。由此可见,在进行梯级水库的连溃模型分析时应将水库侵蚀率、水库起调水位作为研究重点,以期为梯级水库连溃分析模型提供一定帮助。     

基于快速连溃洪水计算的梯级堰塞湖风险分析

地震滑坡堵江作用形成的梯级堰塞湖,上下游单元之间存在级联效应,增大了溃决风险和成灾规模。及时合理的应急方案可以有效保证上下游的生命财产安全,然而现阶段缺乏快速定量的梯级堰塞湖的风险分析方法。以溃口洪水计算为核心,结合河道洪水演进计算和水库调洪计算,提出了一种梯级堰塞湖连溃洪水的快速计算方法,并应用至国内外第一个具有详细数据资料的梯级堰塞湖小岗剑梯级堰塞湖溃决实例中。定性分析了堰塞湖风险等级,使用提出分析方法进一步定量反演计算连溃洪水过程,评估了应急处置工程效果,分析不同组合状况下连溃洪水的规模。结果显示:反演计算其连溃峰值流量为3 736 m~3/s,与实测值3 950 m~3/s基本一致。当不开挖泄流槽时,连溃峰值流量高达4 865 m~3/s,泄流槽降低梯级洪峰30%。快速定量连溃洪水计算可以辅助优化联合调度方案,是减轻连溃洪水灾害、保护流域整体安全的一种行之有效的非工程措施。研究结果可以为梯级堰塞湖定量风险评估以及应急除险预案制定提供理论依据。     

特高坝及其梯级水库群设计安全标准研究Ⅱ:高土石坝坝坡稳定安全系数标准

我国现行土石坝规范规定1级土石坝坝坡抗滑稳定安全系数为1.5,相应的目标可靠指标为4.2,但同时明确这一标准仅适用于低于200 m的土石坝。本文提出"相对安全率"的概念,把可靠指标和安全系数置于同一平台进行安全水平的关联比较。通过对已建和规划建设高度大于200 m的实际工程进行分析论证,结果表明,对于正常工况,本系列论文第Ⅰ部分建议的200~250 m高土石坝坝坡目标可靠指标取4.45,250 m以上的高土石坝取4.7,可以和坝坡抗滑稳定最小安全系数为1.6和1.7处于同一风险控制标准。这一研究成果可作为规范修订的参考和依据。     

梯级水库群控制梯级极端工况泄洪安全分析

河流梯级开发中,极端条件下流域安全主要取决于干流控制梯级的安全。已有研究将控制梯级特级坝分为特1级和特2级,究竟哪种等级的大坝应设置非常泄洪设施或临时措施,在较高水位时启动来降低控制梯级的泄洪风险,此项研究尚属空白。本文基于DB-IWHR模型理论框架,研制开发了水库群连溃数值模拟平台,并针对控制梯级特级坝的空间分布类型,考虑梯级水库群风险源可能出现的超标准洪水+地震引发某一泄水闸门失效的极端运用工况,从控制梯级的泄洪安全和设置非常泄洪设施的必要性角度,研究了流域梯级安全问题。结果表明:对于"上下相当"的布局,梯级水库群特1级坝须增设非常溢洪设施以应对超标准洪水、或某一闸门无法开启及其组合运用工况。对于"上小下大"的布局,由于风险触发梯级溃决预警时间常以小时计,特1级坝通过设置非常泄洪设施增大泄洪裕度可进一步降低库水位,从而使得特1级坝腾出更大的库容应对上游溃坝洪水,明显提高特1级坝的安全裕度。本文提出的理论计算方法和增大泄流能力途径可供梯级水库群设计运行参考。     

基于正交试验法的梯级水库连溃分析模型参数敏感性分析

建设梯级水库是目前江河水电开发的主要方式,连溃分析模型参数的合理选择,对保障梯级水电工程的安全运行具有重要的意义。基于正交试验法,以我国西南某流域上虚拟的"下庄(1)—达里—双屯子"三级梯级水库系统为例,进行梯级水库连溃分析模型参数对下庄(1)水库溃决流量Q、达里水库最高水位H1和双屯子水库最高水位H2三个试验指标的敏感性分析。研究结果表明:梯级水库连溃分析模型中参数侵蚀率b、双屯子水库起调水位H*对各指标计算结果影响显著,参数敏感性高;而洪水频率P对各指标计算结果影响较小,参数敏感性较低。因此,在梯级水库溃坝参数反演分析实际工程中,应该将b和H*作为参数反演分析选取的重点。本文的研究方法及成果可以为梯级水库连溃分析模型参数反演分析时合理选择模型参数提供参考。     

改进层次分析法在土石坝安全评价中的应用

对影响土石坝安全的基本事件进行系统分析和研究,开发土石坝安全评价数学模型。该模型直观地反映了各基本事件之间的关系,利用概率计算理论求解土石坝溃决概率,同时引用改进层次分析法,分析各基本事件对大坝溃决的影响程度,可较好地确定各基本事件的概率权重。以陆浑水库大坝为例进行安全评价,对数学模型进行验证,结果表明该模型的模拟计算结果与目前对大坝安全评价的结论较吻合。     

两级堰塞坝连溃过程数值模拟及溃口流量演化特征研究

在强震作用下,高山峡谷区易发生滑坡堵江形成串联的梯级堰塞坝,其中一级一旦溃决易引发梯级连溃。本文基于三维雷诺平均Navier-Stokes方程、湍流重正化群模型,以及悬移质和推移质冲蚀方程,并考虑溃口边坡的失稳坍塌,采用有限体积法建立了梯级堰塞坝连溃过程数值模拟方法,用于模拟连溃过程中的水动力特征及梯级堰塞坝的溃口形态演化过程。选择典型的两级堰塞坝连溃概化模型试验作为数学模型验证案例,对比实测值和计算结果发现,上下游堰塞坝溃口洪水流量过程和溃口形态演化过程基本一致,上下游堰塞坝溃口峰值流量、区间洪水演进时间等关键参数的相对误差小于±5%;比较上下游堰塞坝溃口洪水流量过程发现,梯级堰塞坝发生连溃时,溃坝洪水存在级联放大效应。选择上下游堰塞坝距离、河道坡度和下游坝坝高等三个关键参数,研究连溃洪水的放大效应及其影响因素,参数敏感性分析结果表明：下游坝溃口峰值流量随两坝间距和下游坝坝高的减小而增大,随河道坡度的增长呈先增大后减小的趋势;上游坝溃决洪水演进至下游坝时可能产生涌浪翻越并冲蚀坝顶,导致坝顶高程降低,并对下游坝发生溃决的时间以及溃口峰值流量产生影响,因此涌浪对下游坝溃决过程的影响与涌浪翻越坝顶的水量以及坝料冲蚀特性相关。选择小岗剑上、下两级堰塞坝连溃案例,通过对比计算和实测的溃口流量以及溃口形态发现,关键溃坝参数的相对误差小于±10%,验证了模型在实际案例中应用的合理性,本文提出的数值模拟方法可为梯级堰塞坝连溃风险评估和应急处置提供重要技术支撑。     

梯级水库群系统洪水演进模拟及防洪安全评估

针对梯级水库群系统中上级水库泄洪对下级水库带来的水力传递影响,以评估水库群系统的安全隐患为目标,以澜沧江中游干流5个水库组成的梯级库群系统为例,运用同频率地区组合法推求库群系统的设计洪水过程。以此作为库群系统的输入条件,采用MIKE 11模型模拟当库群系统发生稀遇洪水时的沿程最高水面线,并与坝顶高程比较,对库群系统中大坝的防洪安全状况进行评价。结果表明:当库群系统发生5 000年一遇以下洪水时,各坝址处最高水位均低于坝顶高程;当发生10 000年一遇洪水时,其中两个水库(漫湾和景洪)的最高水位接近其坝顶高程,存在发生漫坝的风险,给整个库群系统的防洪安全带来一定隐患。研究成果对于提高库群所在的澜沧江中游地区的应急防洪能力具有重大的现实意义,为库区下游的安全生产和经济发展提供重要的保障。     

梯级水库溃坝洪水对下游城市的淹没过程分析

溃坝洪水的演进过程及其对下游城市的淹没影响是大坝安全的重要研究内容之一。以我国南方某山区河流为例,采用数值计算方法,针对该流域上并(串)联的4座水库在多种溃坝模式下,对下游城市的淹没过程进行了计算和讨论分析。研究结果表明溃坝洪水在下游城市的淹没速度和最大淹没面积主要与最大溃坝流量相关,即与溃坝水头和溃口大小相关;最大淹没面积的达到时间主要与城市与水库间的行洪距离有关。梯级水库发生连溃时,溃坝洪水对下游城市的淹没速度和淹没面积都较单个水库溃坝更加严重,不过连溃洪水在下游城市呈现淹没快、退水也快的特征。城市洪水的淹没历时主要与溃坝水库的容积相关,与最大溃坝流量的关系不大。     

芬兰KYRKSJRVI水库大坝应急预案介绍

水库大坝应急预案是指导大坝业主及有关抢险救灾部门在突发事件发生时的行动程序和过程的文件,因此,该文件应该简单明了,便于操作和使用。溃坝风险分析是制订应急预案的基础,它为溃坝后果风险评价及制订抢险救灾计划提供技术支撑。发生溃坝时,及时有效地组织报警和发布信号也是保障人民生命安全的一项重要措施。     

小型水库大坝溃坝风险识别研究

小型水库遭破坏的危险主要是溃坝风险,为了给小型水库大坝安全提供资料,对小型水库大坝溃坝历史资料进行统计,分析泰安市岱岳区18座小型水库安全鉴定资料,并利用事件树法分析了小型水库大坝的主要溃坝模式和溃坝路径。结果表明,小型水库主要的溃坝原因是漫顶和坝体施工质量,在3 339座溃坝事故中,漫顶1 737座,占50.2%,由坝体施工质量引起的溃坝1 205座,占34.8%。溃坝模式和溃坝路径的提出,为小型水库大坝溃坝概率的确定以及溃坝风险分析评价奠定基础,并为其除险加固提供依据。     

Numerical Simulation of Sediment Transport Following a Dam Break

For the computation of the morphological changes on reservoir beds, in scale model experiments, a hydrodynamic model is combined with the sediment continuity equation. The hydrodynamic model is based upon the equations of mass and momentum conservation. The sediment transport capacity appearing in the sediment continuity equation is calculated by using the relationship proposed by Smart. For the solution of the above system of three partial differential equations, the explicit numerical schemes of Lax and Wendroff and MacCormack are tested. The whole mathematical model is applied to the experimental case of sediment release from a reservoir after a dam break.     

Experimental study of dam-break flow in cascade reservoirs with steep bottom slope

Dam break can cause a significant disaster in the downstream, especially, in a valley with cascade reservoirs, which would aggravate the disaster extent.The experimental studies of the dam-break flow of cascade reservoirs are few and far between at the present.Most of related studies concern the failure of a single dam..This article presents an experimental study of the characteristics of an instantly filled dam-break flow of cascade reservoirs in a rectangular glass flume with a steep bottom slope.A new method was used to simulate the sudden collapse of the dam.A series of sensors for automatic water-levels were deployed to record the rapid water depth fluctuation.The experimental results show that, the ratio of the initial water depth of the downstream reservoir to that of the upstream reservoir would greatly affect the flood peak water depth in the downstream reservoir area and in the stream channel behind the downstream dam, while the influence of the dam spacing is insignificant.In addition, the comparison between the single reservoir and the cascade reservoirs shows some difference in the dam-break flow pattern and the stage hydrograph at the corresponding gauging points.     

土坝溃坝模型在夹河子水库中的应用

根据平原水库溃坝的特点 ,运用土坝溃坝的水流理论 ,以坝址为研究对象 ,分别建立瞬时溃坝模型和逐渐溃坝模型 ,确定了溃口宽度、最大流量和坝址流量过程线 ,为二维溃坝洪水模拟提供上边界条件 ,为水情自动测报和水库防洪优化调度研究等提供科学依据 .以夹河子水库溃坝的实际情况为例 ,对两种模型进行分析比较 ,结果表明 ,两种模型均符合实际 .     

梯级水电枢纽群巨灾风险分析与防控研究综述

伴随超标准巨震、极端暴雨洪水、巨型滑坡等灾害频繁发生,极端载荷作用下梯级水电枢纽群的灾害风险分析与防控等问题成为当前水利工程领域的研究热点。为分析梯级水电枢纽群巨灾风险研究现状,绘制了国内外水库大坝溃坝事件的时间序列图,分析了梯级水电枢纽群的风险特征,总结评述了梯级水电枢纽群巨灾风险分析和巨灾防控研究进展,主要结论如下：1)梯级水电枢纽群巨灾风险是我国水利水电工程风险防控面临的主要问题;2)梯级水电枢纽群风险分析方面主要聚焦于梯级水库连溃概率的分析和计算,对于溃决可能产生的巨灾损失的量化研究不足,缺乏对巨灾因子及其相关影响作用下巨灾风险的评估;3)缺乏对梯级枢纽群灾害链的阻断技术研究和应急避险方案设计研究。为此提出了梯级水电枢纽群可能最大灾难(Probable Maximum Disaster, PMD)的科学内涵,考虑可能遭遇的多种致灾因子和承灾体特征,分析相互因果关系和极端荷载组合情况,初步建立了PMD评估的理论模型,为绘制梯级水电枢纽群在巨灾情景下的灾难空间外包线和估算PMD损失上限值提供科学依据,为梯级水电枢纽群巨灾风险分析和防控提供理论基础和技术支持。     

上游水库溃坝影响的水库调洪计算研究——以海丰县赤沙水库为例

在总结溃坝洪水计算方法的基础上,以海丰县赤沙水库安全鉴定的水文计算为例,选择“圣维南法”计算上游小水库大坝全溃时对下游赤沙水库调洪演算成果的影响。结果表明,上游小水库发生溃坝对赤沙水库影响较小,但赤沙水库下泄洪水过程线由单峰变为双峰(上游小水库大坝位于赤沙水库的库中,从而未考虑溃坝洪水在河道中的演进计算,有其特殊性),因此,建议在设计工作中遇到类似情况时,应利用多种方法计算并对比分析,必要时需要建立物理模型试验用于验证。