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1、BREACH模型在土石壩中應(yīng)用研究摘要：土石壩的安全與否在我國(guó)各個(gè)地方都起到了舉足輕重的作用，為當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展提供了基礎(chǔ)性的保障，本文通過BREACH模型對(duì)典型水庫(kù)進(jìn)行土石壩潰敗分析,以獲取可能潰敗的時(shí)間和瞬間流量之間的關(guān)系，對(duì)于預(yù)防水庫(kù)的安全起到一直的積極作用，能有效的降低水庫(kù)常年運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。關(guān)鍵詞：BREACH模型；潰敗流量；風(fēng)險(xiǎn)中圖分類號(hào)：TV文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A一、潰口侵蝕模型概述BREACH模型［1］是一個(gè)基于數(shù)學(xué)機(jī)理的預(yù)測(cè)潰口特征(尺寸、形成時(shí)間)和潰決土壩引起的泄流水位過程線的數(shù)學(xué)模型，是當(dāng)前世界上應(yīng)用較為廣泛的
2、土壩潰決模型，BREACH模型的建立綜合應(yīng)用了大量具有保存數(shù)據(jù)的水庫(kù)入流量、溢洪道泄流量和沿著侵蝕形成的潰口溝渠泄流量，由弗雷德(Fread)在1984年開發(fā)研制，1988年進(jìn)行了修改，該模型原理上是基于水力學(xué)、泥沙運(yùn)輸、土力學(xué)、大壩的幾何屬性和材料屬性及水庫(kù)屬性。BREACH模型逐步分析有7個(gè)主要部分的連續(xù)點(diǎn)：潰口形成的機(jī)理方式；潰口寬度模擬類型；水庫(kù)水位的變化；水庫(kù)泥沙輸移狀況；潰口泄槽水力學(xué)演變；突然坍塌引起潰口的擴(kuò)大情形以及計(jì)算潰口流量的大小。該模型是一種具有顯著材料屬性的一個(gè)外部區(qū)域(摩擦角，粘結(jié)強(qiáng)度，平均粒徑
3、尺寸和單位重度)和一個(gè)內(nèi)部核心區(qū)域組成。二、模型假設(shè)及參數(shù)非常運(yùn)行時(shí)的洪水漫頂、管涌、質(zhì)量原因、管理不當(dāng)?shù)葹槲覈?guó)水庫(kù)潰決的主因。下列簡(jiǎn)述常見的兩種由BREACH模型模擬的方程式：漫頂潰壩模式漫頂導(dǎo)致潰壩的水流侵蝕，初始時(shí)如果沒有草被覆蓋層存在，那么假設(shè)沿著坡面存在一道小的矩形形狀的溪流，采用寬頂堰流量公式計(jì)算［2］：(1)如果大壩下游坡面有一層草被覆蓋層存在，那么沿著被草覆蓋的下游坡面的漫頂水流速度在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)處用曼尼公式加以計(jì)算，公式計(jì)算如下：；(2)；(3)2、管涌潰壩模式管涌一般在滲流作用下發(fā)生于較為疏松的無黏性
4、土中,從很小的圓形過水管路逐步發(fā)展而起,其潰口計(jì)算式如下⑵:或（5）（6）式中：Reynolds數(shù)；達(dá)西摩擦因子［3］o水流一般從孔口控制慢慢轉(zhuǎn)變成堰控制，當(dāng)水流管道頂部高程（Hpu）向上垂直發(fā)生侵蝕時(shí)，需滿足以下不等式關(guān)系：（7）若發(fā)生漫頂情況，初始潰口形狀假設(shè)為矩形，水流沖刷的泥沙輸運(yùn)公式采用Smart（1984）［4］所修正過的式子運(yùn)算,即在每一個(gè)計(jì)算時(shí)間（小時(shí)或秒）步長(zhǎng)上，通過初步分析大壩上游面的水壓力來進(jìn)行判斷崩塌發(fā)生是否。潰口寬度計(jì)算式如下：（8）分析部分的土體兩邊邊坡角幅度的穩(wěn)定性［5］也同樣決定著潰口寬度
5、。當(dāng)崩塌發(fā)生在潰口處的切割深（）轉(zhuǎn)變到臨界深（）時(shí)，可表示為一個(gè)由凝聚力（）、單位重度（）及內(nèi)摩擦角（）等屬性的組成的一維函數(shù)式：（9）式中相關(guān)參數(shù)參考所引用的文獻(xiàn)［6］。BREACH模型輸入?yún)?shù)包括：幾何相關(guān)尺寸、大壩寬高值、庫(kù)水位變化值、材料內(nèi)外屬性值、面積與庫(kù)容值、水位面積值、泄量關(guān)系值、大壩各斷面的寬度與高度等。三、工程實(shí)例3.1工程概況江西省玉山縣七一水庫(kù)屬于鄱陽(yáng)湖水系信江支流，距縣城16.0km。壩址以上控流面積約為324.0km2,水庫(kù)總庫(kù)容22862萬m3。常年灌溉面積10.51萬畝，電站裝機(jī)容量9250
6、kw,是一座以灌溉為主，兼有防洪、發(fā)電等綜合效益的大(2)型水庫(kù)。七一水庫(kù)的正常蓄水位為160.40m；設(shè)計(jì)洪水位為161.61m(P=0.1%)；校核洪水位為163.02m(P=0.05%)。樞紐工程主要建筑物包括：主壩、副壩、溢洪道、灌溉發(fā)電引水隧洞及電站等。3.2模型參數(shù)選擇根據(jù)《除險(xiǎn)加固工程初設(shè)報(bào)告》及《水庫(kù)安鑒報(bào)告》，對(duì)比歷史資料分析，壩基砂卵礫石層顆粒組成極不均勻，級(jí)配不良，初步判斷其滲流破壞形式為管涌破壞。本論文分析七一水庫(kù)在校核洪水位及設(shè)計(jì)洪水位情況下主壩可能發(fā)生的管涌潰壩。BREACH模型主要參數(shù)選擇見
7、表1及表2。表1大壩主要參數(shù)表名稱數(shù)值名稱數(shù)值名稱數(shù)值壩頂高程(m)167.40摩擦角(度)23.3下游面坡度1:2.75最大壩高(m)53.10壩體材料粒徑(mm)0.27壩底高程（m）118.40壩頂長(zhǎng)(m)420.0壩體材料凝聚力(kPa)8.0溢洪道頂部高程(m)154.90上游面坡度1:3.26干流平均坡降7.33%0材料濕密度(g/cm3)2.04表2水位?庫(kù)容?泄量關(guān)系表水位(m)庫(kù)容(104m3)泄流量(m3/s)水位(m)庫(kù)容(104m3)泄流量(m3/s)水位(m)庫(kù)容(104m3)泄流量(m3/s)
8、160.40201001538162.00217302256163.10228852801160.60203001623162.10218352304163.30230952904160.80205001709162.20219402352163.40232002956161.00207001797162.60223
