1、BREACH 模型在土石坝中的应用分析摘 要：土石坝的安全与否在我国各个地方都起到了举足轻重的作用，为当地的经济发展提供了基础性的保障，本文通过 BREACH 模型对典型水库进行土石坝溃败分析，以获取可能溃败的时间和瞬间流量之间的关系，对于预防水库的安全起到一直的积极作用，能有效的降低水库常年运行的风险。 关键词：BREACH 模型；溃败流量；风险 中图分类号：TV 文献标识码：A 一、溃口侵蚀模型概述 BREACH 模型1是一个基于数学机理的预测溃口特征（尺寸、形成时间）和溃决土坝引起的泄流水位过程线的数学模型，是当前世界上应用较为广泛的土坝溃决模型，BREACH 模型的建立综合应用了大量具
2、有保存数据的水库入流量、溢洪道泄流量和沿着侵蚀形成的溃口沟渠泄流量，由弗雷德(Fread)在 1984 年开发研制，1988 年进行了修改，该模型原理上是基于水力学、泥沙运输、土力学、大坝的几何属性和材料属性及水库属性。 BREACH 模型逐步分析有 7 个主要部分的连续点：溃口形成的机理方式；溃口宽度模拟类型；水库水位的变化；水库泥沙输移状况；溃口泄槽水力学演变；突然坍塌引起溃口的扩大情形以及计算溃口流量的大小。该模型是一种具有显著材料属性的一个外部区域（摩擦角，粘结强度，平均粒径尺寸和单位重度）和一个内部核心区域组成。 二、模型假设及参数 非常运行时的洪水漫顶、管涌、质量原因、管理不当等为
3、我国水库溃决的主因。下列简述常见的两种由 BREACH 模型模拟的方程式： 漫顶溃坝模式 漫顶导致溃坝的水流侵蚀，初始时如果没有草被覆盖层存在，那么假设沿着坡面存在一道小的矩形形状的溪流，采用宽顶堰流量公式计算2： （1） 如果大坝下游坡面有一层草被覆盖层存在，那么沿着被草覆盖的下游坡面的漫顶水流速度在每个时间步长处用曼尼公式加以计算，公式计算如下： ； （2） ；（3） 2、管涌溃坝模式 管涌一般在渗流作用下发生于较为疏松的无黏性土中，从很小的圆形过水管路逐步发展而起，其溃口计算式如下2： （4） 或 （5） （6） 式中： Reynolds 数；达西摩擦因子 3。 水流一般从孔口控制慢慢转
4、变成堰控制，当水流管道顶部高程（Hpu）向上垂直发生侵蚀时，需满足以下不等式关系： （7） 若发生漫顶情况，初始溃口形状假设为矩形，水流冲刷的泥沙输运公式采用 Smart（1984）4所修正过的式子运算，即在每一个计算时间（小时或秒）步长上，通过初步分析大坝上游面的水压力来进行判断崩塌发生是否。 溃口宽度计算式如下： （8） 分析部分的土体两边边坡角幅度的稳定性 5也同样决定着溃口宽度。当崩塌发生在溃口处的切割深（）转变到临界深（）时，可表示为一个由凝聚力（） 、单位重度（）及内摩擦角（）等属性的组成的一维函数式： （9） 式中相关参数参考所引用的文献6。 BREACH 模型输入参数包括：几何
5、相关尺寸、大坝宽高值、库水位变化值、材料内外属性值、面积与库容值、水位面积值、泄量关系值、大坝各断面的宽度与高度等。 三、工程实例 3.1 工程概况 江西省玉山县七一水库属于鄱阳湖水系信江支流，距县城 16.0km。坝址以上控流面积约为 324.0km2，水库总库容 22862 万 m3。常年灌溉面积 10.51 万亩，电站装机容量 9250kw，是一座以灌溉为主，兼有防洪、发电等综合效益的大(2)型水库。七一水库的正常蓄水位为 160.40m；设计洪水位为 161.61m(P=0.1%)；校核洪水位为 163.02m(P=0.05%)。枢纽工程主要建筑物包括：主坝、副坝、溢洪道、灌溉发电引水
6、隧洞及电站等。 3.2 模型参数选择 根据除险加固工程初设报告及水库安鉴报告 ，对比历史资料分析，坝基砂卵砾石层颗粒组成极不均匀，级配不良，初步判断其渗流破坏形式为管涌破坏。本论文分析七一水库在校核洪水位及设计洪水位情况下主坝可能发生的管涌溃坝。BREACH 模型主要参数选择见表 1 及表2。 表 1 大坝主要参数表 名称 数值 名称 数值 名称 数值 坝顶高程(m) 167.40 摩擦角(度) 23.3 下游面坡度 1:2.75 最大坝高(m) 53.10 坝体材料粒径 (mm) 0.27 坝底高程(m) 118.40 坝顶长(m) 420.0 坝体材料凝聚力(kPa) 8.0 溢洪道顶部高
7、程(m) 154.90 上游面坡度 1:3.26 干流平均坡降 7.33 材料湿密度(g/cm3) 2.04 表 2 水位库容泄量关系表 水位（m） 库容(104m3) 泄流量（m3/s） 水位 (m） 库容(104m3) 泄流量(m3/s） 水位 （m） 库容(104m3) 泄流量(m3/s) 160.40 20100 1538 162.00 21730 2256 163.10 22885 2801 160.60 20300 1623 162.10 21835 2304 163.30 23095 2904 160.80 20500 1709 162.20 21940 2352 163.40
8、23200 2956 161.00 20700 1797 162.60 22360 2548 163.60 23410 3061 161.20 20900 1886 162.80 22570 2648 163.90 23720 3220 161.70 21415 2115 162.90 22675 2699 164.00 23830 3274 3.2 模型计算结果 通过上述工程概况及参数选择，首先考虑的情形为两千年一遇，即校核洪水位（163.02m）时发生管涌溃坝，位置位于库水位 152.4m 高程处。模拟时间的长短可以选择 5 个小时、7 个小时及 9 个小时等，初步对溃口模拟选择 7 个小
9、时，通过软件与参数的耦合计算，流量与时间过程曲线见图 1 所示，而后在考虑百年一遇设计洪水（161.61m）发生溃坝，过程曲线见图 2 所示。 图 1 七一水库大坝溃口流量过程曲线（校核水位情况） 图 2 七一水库大坝溃口流量过程曲线（设计水位情况） 对比上述两幅图，分析图 2 可知，校核洪水位溃坝情况，在 00.4小时时，通过管涌冒水的流量缓慢发生，如果及时处理就可以免于之后更大流量的冲击力。在 0.400.60 小时内通过管涌的流量迅猛增大，溃口发生速度之快，土坝坝体土已经失去了其稳定性，随之等到了 0.725小时时刻流量为峰值 21463m3/s，此时对大坝下游洪范区的灾害具有毁灭性的打
10、击。之后 0.7257 小时，流量幅度慢慢减少并趋于稳定下泄，淹没的范围扩宽扩大，洪范区内的农作物及建筑物受到的毁坏严重，甚至对人的安全构成生命风险。 通过对在库水位 152.4m 处的模拟分析，考虑到最大可能洪水位的溃败模拟因素比较复杂，所以暂时考虑对比校核洪水位图 3.2 及设计洪水位图 3.3 两种情况，若发生在校核水位情况下的溃坝，所发生时间及溃口洪水量都比较设计洪水位情况下的突然，发生的时间缩短，溃口流量最大时发生提前，流量增加的速度更快，总流量变大。所以，在汛期比较突发的情况下，需要提前进行做好大坝的安全保障，加大溢洪道及相关通道的宣泄洪水，尽全力保坝，安全度汛。 通过 BREAC
11、H 模型分析土石坝溃败风险量，提前预知水库运行对下游洪泛区的安全状况，也为后续工作提供基础性分析。若出现突发溃败情况，工程措施与非工程措施的相结合，可以减轻洪灾带来的严重后果。在运用 BREACH 模型之后，可以针对性的进行制定水库安全操作导则、应急行动实施细则、在安全相关事件中降低水位及定期安全检查等工作。 四、结语 运用 BREACH 模型，结合二维隐式差分格式有限元数值模型，能计算出溃败洪泛区淹没演进动态数据，可以有效的分析及降低水库大坝的风险；可以加强水库大坝安全保障体系的建设；可以提高溃坝灾害防控能力和提高我国水库大坝安全管理水平。 参考文献 Fread D L. A breach
12、erosion model for earthen damsA.National Weather Service (NWS) Report R,NOAA,Silver Spring,MA,1984b. Spangler,M.G.1951.SoilEngineering.International Text book Co,Scranton, Pennsylvania, 321-323. D.L.Fread.BREACH:An erosion model for earthen dam falures R. Nationl Weather Service,1988. 王军, 梁忠民, 施晔.基于 GIS 的水库洪水风险图编制A.河海大学,2008.11. Wayne J.Graham, P.E. A procedure for estimating loss of life caused by dam failure. US Bureau of Reclamation, Denver, Colorado,DS0-99-06, 1999.9. Peter Reiter, M.Sc. Loss of life caused by dam failure, the RESCDAM LOL Method and its application. Helsinki, 2001.6.19.
