鄰水縣關(guān)門石水庫潰壩洪水分析

吳叢劍

【摘要】根據(jù)《水利水電工程設(shè)計洪水規(guī)范（SL44-93）》規(guī)定，超過1000年一遇的洪水為超標準洪水。在超標準洪水情況下，水庫主壩在高水位作用下，有可能發(fā)生潰決失事。通過潰決分析計算，探討潰決洪水流量變化及其到達下游鄰水縣城的時間、淹沒深度和寬度范圍，為下游防洪減災(zāi)決策提供技術(shù)支撐。

【關(guān)鍵詞】關(guān)門石水庫；潰壩；洪水分析

1、前言

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，關(guān)門石水庫下游鄰水縣城規(guī)模不斷擴張，縣城人口急劇增加，沿河兩岸房屋密集，水庫大壩安全越來越重要?；诂F(xiàn)在的管理技術(shù)水平，水庫潰壩失事的機率極小。但根據(jù)國家有關(guān)法律、法規(guī)等有關(guān)規(guī)定，為了加強洪水風(fēng)險管理，最大限度地防御、減輕洪澇災(zāi)害，最大限度地保障下游人民群眾生命安全，做到有備無患，加強水庫大壩極端情況的洪水分析，指導(dǎo)防汛搶險工作有著重要指導(dǎo)作用。

2、工程概況

2.1地理位置

關(guān)門石水庫位于鄰水縣城北鎮(zhèn)境內(nèi)，水系屬芭蕉河流域的一級支流即芭蕉河中段右岸小西河支流上游源頭，壩址位于城北鎮(zhèn)朱家村境內(nèi)應(yīng)青石河段上。地理坐標為東徑106°56′，北緯30°23′。

2.2工程等級

關(guān)門石水庫是一座以防洪、灌溉、供水為主，兼有其他綜合利用的中型水利工程。水庫正常蓄水位398m，總庫容2318.6萬m3。死水位379.5m，灌溉農(nóng)田面積6.03萬畝。初設(shè)時，工程按《DJ12-78》規(guī)定確定等級，現(xiàn)根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252-2000）進行復(fù)核，工程亦為三等工程，大壩（含副壩）及泄洪建筑物為III級，引水建筑物為Ⅳ級，臨時建筑物為Ⅴ級。

2.3設(shè)計洪水標準

根據(jù)工程等級及《防洪標準》GB50201—91規(guī)定，水庫庫容為中型，下游有鄰水縣城，大壩設(shè)計洪水重現(xiàn)期采用50年一遇，相應(yīng)的洪峰流量為181.1m3/s；校核洪水重現(xiàn)期為1000年一遇，相應(yīng)的洪峰流量為183.2m3/s。

2.4水庫特征水位

正常蓄水位：398.0m

死水位：379.5m

汛期限制水位：396.0m

設(shè)計洪水位：398.8m

校核洪水位：399.46m

2.5地震烈度

基本地震烈度Ⅵ度

3、潰壩洪水分析

3.1潰決可能性條件

關(guān)門石水庫1000年一遇設(shè)計洪峰流量655m3/s，3日洪水總量1410.3萬m3，超標準洪水情況下，其洪峰流量和洪水總量將更大。

關(guān)門石水庫設(shè)計泄洪方式采用閘門啟泄洪洞方式，最大泄流量僅183m3/s ，在遭遇超標準洪水情況下，洪水入庫流量遠超出庫流量，庫水位猛漲達到或超過校核洪水位情況將導(dǎo)致潰決可能。

但根據(jù)水庫工程實際情況，設(shè)計了非常保壩措施，采取爆破開挖副壩方案。副壩為風(fēng)化泥巖心墻堆石壩，河床砼齒槽建基高程387.90m，壩頂高程400.8m，最大填筑體壩高12.9m，防浪墻頂高程401.7m，壩頂寬度6m，壩頂長度105.5m。上游壩坡1：1.7，下游壩坡1：1.8，最大壩底寬度47.29m。

副壩爆破開挖深度3.5m，開挖長度60m，采取明渠寬頂堰計算公式最大流量為668.24m3/s，滿足出庫流量大于入庫流量。

3.2水庫潰決形式分析

關(guān)門石水庫主壩為泥巖心墻堆石壩，根據(jù)時間產(chǎn)生過程其潰決形式為逐步潰決，按產(chǎn)生的破壞方式分潰決形式為滲透潰決和漫壩潰決兩種方式。水庫在高水位情況下發(fā)生滲透潰決，在洪水漫壩形式下產(chǎn)生漫壩潰決，兩種形式均可發(fā)生。

3.3潰決計算

1、滲透破壞分為管涌和流土兩種形式。

（1）滲透潰口流量

管涌階段：

式中，為流速系數(shù)，可取0.97；為上游水庫與滲透通道出口處的水位差，估計25m；r為滲透通道半徑。

經(jīng)計算，當r=0.1m時，Qb=0.67m3/s，當r=0.2m時，Qb=2.70m3/s，當r=0.3m時，Qb=6.07m3/s，當r=0.4m時，Qb=10.79m3/s，當r=0.5m時，Qb=16.86m3/s。

表明滲透半徑越大，流量越大，滲透破壞性越強。因此，加強大壩巡查，及時采取措施，嚴控滲流產(chǎn)生管涌破壞。

漫壩潰決

（1）潰口寬度計算

采用黃河水利委員會經(jīng)驗公式b=0.1KW1/4B1/4H1/2計算。式中b為潰口寬度（m），W為總庫容2318.6萬m3，采用校核洪水位庫容，B為主壩長度203.4m，H最大壩高42.1m，K取經(jīng)驗系數(shù)為0.65。經(jīng)計算，b=43.39m。

（2）潰壩壩址洪水計算

水庫潰壩下泄流量由兩部分組成，通過潰口下泄流量和通過泄水建筑物下泄的流量即

Q=Qb+QS

潰壩壩址最大流量采用肖克列奇經(jīng)驗公式：

Qbmax=8/27*g1/2（B/b）1/4bh03/2

式中：g為重力加速度，9.81m2/s，

B為主壩長度203.4m，

b為潰口寬度43.39m ，

h0為壩前水深40.76m。

經(jīng)計算，Qbmax=15410.6m3/s。

泄洪洞最大下泄流量QS=146.1m3/s。

水庫潰壩下泄流量Qmax=15556.7m3/s。

泄空總歷時采用T=AW/Qmax公式計算，式中A取5。經(jīng)計算，泄空總歷時采用T=7452s=2.07h。

（3）水庫潰壩最大流量沿程演進估算

洪水演算主要是分別提出水庫下游各斷面的洪水過程線、最大流量、最高水位、洪水波頭及波峰的到達時間等特征數(shù)據(jù)，為下游的防洪措施提供依據(jù)。

①潰壩下游流量計算。當潰壩址處最大流量向下游演進至壩址流程時的最大流量采用下式估算。

QL=W/（W/Qmax+L/KVmax）

②潰壩洪水傳播時間和流量過程線

洪水起漲時間及最大流量到達時間計算如下：

洪水起漲時間計算公式為：

t1=K1*L^1.75（10-h0）^1.3/（w^0.2*H0^0.35）

最大流量到達時間t2=K2L^1.4/（W^0.2H0^0.5hm^0.25）

③恢復(fù)初始流量歷時t3=2W/QLM+t1

3.4潰壩洪水影響范圍估算

根據(jù)水庫下游典型控制斷面處的潰壩最大流量和相應(yīng)流速的估算QLM計算該斷面的過流面積。再根據(jù)1：10000地形圖估算該斷面處的洪水淹沒邊界，從而得出水庫潰壩影響范圍，潰壩洪水演進成果詳見表3-5。

4、潰決計算成果分析

從潰壩洪水演進成果表分析，一旦潰壩，將造成壩址下游城北鎮(zhèn)、鼎屏鎮(zhèn)主城區(qū)護城河沿河兩岸100-500m范圍，壩址至下游城郊段（樁號0+000-3+000段）即壩址至城北趙家橋段，淹沒水深達11-6.9m，210國道與沿河兩岸民房全部淹沒，城區(qū)段（樁號3+000-6+500段）即趙家橋至曹家灘段，淹沒水深達6.9-4.5m，區(qū)段內(nèi)有從上游往下游有鄰水五中、鄰水縣人民醫(yī)院、鄰水二中、縣公安局、鄰水縣人民政府、縣水務(wù)局、鹽業(yè)分司、鄰水中學(xué)等重要機關(guān)單位，以及沿河兩岸密集的城鎮(zhèn)居民。下游段（樁號6+500-15+000段）即曹家灘至罄灘芭蕉河入口處，淹沒水深達4.5-2.5m，區(qū)段內(nèi)一污水處理廠和二污水處理廠將全部進水淹沒。

5、結(jié)論

本文從最不利情況分析了潰壩對下游產(chǎn)生的危害分析。但在實際水庫運行管理過程中，一是加強天氣預(yù)報信息收集，早知道，早預(yù)防，非常極端天氣情況下，可以向縣防辦申請報告提前泄洪騰庫，增大防洪預(yù)留庫容。同時，加強水庫大壩變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測和巡視檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時報告處理，將隱患消滅于萌芽狀態(tài)。

參考文獻：

[1]謝任之潰壩水力學(xué)[M] 濟南山東科學(xué)技術(shù)出版社1989；

[2]任超 鄭永紅 任意形狀潰口無因次過程線計算法[J]水力學(xué)報1996.3

[3]李昌志 黃金池 何曉燕 馬小杰 丹江口水庫潰壩洪水分析 長沙理工大學(xué)學(xué)報 2008.9