欽寸水庫(kù)施工期潰壩洪水模擬

王 霞，孫浙英，林日練，張真奇

(浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002)

1 概況

欽寸水庫(kù)位于浙江省紹興市新昌縣境內(nèi)，是一座以供水、防洪為主，兼顧下游灌溉和發(fā)電的綜合利用水利工程，水庫(kù)壩址以上集水面積316km2。壩址地處曹娥江主要支流黃澤江上的欽寸村附近。水庫(kù)建成后總庫(kù)容2.44億m3，正常庫(kù)容1.77億m3，防洪庫(kù)容6205萬(wàn)m3，電站總裝機(jī)容量為2.75MW。水庫(kù)建成后供下游近4萬(wàn)人的生活生產(chǎn)用水以及嵊州浦口工業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)用水，防洪保護(hù)人口約34萬(wàn)、保護(hù)農(nóng)田約19萬(wàn)畝，灌溉受益面積約2萬(wàn)畝。欽寸水庫(kù)上游牛頭潭溪上已建有巧英水庫(kù)。

欽寸水庫(kù)建成后防洪保護(hù)范圍分為兩部分：直接保護(hù)水庫(kù)下游至黃澤江河口，主要有新昌的大明市、嵊州的黃澤鎮(zhèn)、以及浦口三江街道部分；間接防護(hù)曹娥江干流嵊州城區(qū)以下到出口段[1]。但是，水庫(kù)施工期超標(biāo)準(zhǔn)洪水導(dǎo)致的潰壩洪水將給下游地區(qū)和施工臨時(shí)壩體帶來(lái)潛在風(fēng)險(xiǎn)[2- 3]。自19世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別從理論分析、物理模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬、潰壩洪水演進(jìn)模型研究、歷史資料統(tǒng)計(jì)分析等方面對(duì)潰壩問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)研究[4]。其中，物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬是近幾十年來(lái)應(yīng)用較多的研究方式。然而，潰壩洪水的物理模型試驗(yàn)耗資高，且操作上具有一定的技術(shù)難度，因而目前數(shù)值模擬在潰壩洪水演進(jìn)方面是較常用的研究手段。潰壩的速度和程度決定了潰壩洪水的大小和傳播速度，從而影響了潰壩洪水的影響范圍和程度[5]。構(gòu)建合理的潰壩洪水演進(jìn)數(shù)學(xué)模型，計(jì)算潰壩洪水的淹沒(méi)范圍、水深和到達(dá)時(shí)間等要素，能為建立潰壩風(fēng)險(xiǎn)圖和評(píng)估潰壩損失提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)水庫(kù)和堤防失事影響做出定量估算[6]。

2 施工期潰壩洪水計(jì)算

2.1 上游已建水庫(kù)情況

欽寸水庫(kù)上游的巧英水庫(kù)，1980年建設(shè)完工，集水面積46km2，是一座以灌溉為主、結(jié)合發(fā)電、防洪的中型水庫(kù)，水庫(kù)總庫(kù)容0.28億m3，正常庫(kù)容0.20億m3。欽寸水庫(kù)入庫(kù)洪水為巧英水庫(kù)洪水調(diào)節(jié)后的出庫(kù)洪水與巧英～欽寸區(qū)間天然洪水的疊加。

2.2 施工期分析

2.2.1 導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)

由于壩址處洪枯流量相差較大，非汛期20年一遇洪峰流量為364m3/s，臺(tái)汛期20年一遇洪峰流量為2028m3/s。如采用全年施工，導(dǎo)流費(fèi)用將很高，因此攔河壩施工圍堰采用土石混合結(jié)構(gòu)，選擇非汛期10月16日—翌年4月15日6個(gè)月為圍堰擋水時(shí)段。

工程上游圍堰擬采用土石圍堰，一旦失事可能導(dǎo)致整個(gè)工期延遲等嚴(yán)重后果，故導(dǎo)流建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期取上限值，為非汛期20年一遇。

堆石壩體施工期臨時(shí)度汛洪水標(biāo)準(zhǔn)：壩前攔洪庫(kù)容小于0.1億m3，采用50年一遇，梅汛期、臺(tái)汛期相應(yīng)的洪峰流量分別為782m3/s、2641m3/s；壩前攔洪庫(kù)容在1.0～0.1億m3之間，采用100年一遇，梅汛期、臺(tái)汛期相應(yīng)的洪峰流量分別為892m3/s、2982m3/s；壩前攔洪庫(kù)容大于1.0億m3，采用200年一遇，梅汛期、臺(tái)汛期相應(yīng)的洪峰流量分別為997m3/s、3375m3/s。導(dǎo)流隧洞封堵后，壩體度汛洪水標(biāo)準(zhǔn)采用200年一遇洪水設(shè)計(jì)，500年一遇洪水校核。

表1 欽寸水庫(kù)施工期各階段施工導(dǎo)流方式表

2.2.2 導(dǎo)流方式

采用“一次圍堰斷流、隧洞導(dǎo)流”的方式，即非汛期天然來(lái)水由右岸導(dǎo)流隧洞導(dǎo)流，上游圍堰擋水。汛期天然來(lái)水由壩體臨時(shí)斷面擋水，導(dǎo)流隧洞泄流。施工期各階段施工導(dǎo)流方式見(jiàn)表1中。

2.3 施工期潰壩洪水計(jì)算

欽寸水庫(kù)施工期間較不利的工況為臺(tái)汛期天然來(lái)水由壩體臨時(shí)斷面擋水，導(dǎo)流隧洞泄流。本文分析該階段的潰壩洪水計(jì)算。

2.3.1 搶險(xiǎn)和潰壩的邊界條件

若超標(biāo)準(zhǔn)洪水發(fā)生，當(dāng)水位超過(guò)壩頂高度時(shí)，洪水漫過(guò)壩頂，壩頂全斷面過(guò)流，有可能導(dǎo)致潰壩。

臺(tái)汛期，壩頂高程92m，壩頂凈寬266.1m；溢洪道開(kāi)挖底高程86m，溢洪道凈寬60m。當(dāng)水位超過(guò)86m時(shí)，溢洪道過(guò)流；當(dāng)水位超過(guò)壩頂高程，即92m時(shí)，洪水漫過(guò)壩頂，壩頂全斷面和溢洪道均過(guò)流，當(dāng)水位超過(guò)壩頂高程大于1m，可能導(dǎo)致潰壩。

臺(tái)汛期52m起調(diào)(空庫(kù)起調(diào)，壩底高程52m)，當(dāng)水庫(kù)水位低于86m時(shí)，均由導(dǎo)流洞下泄。

當(dāng)水位超過(guò)溢洪道開(kāi)挖底高程時(shí)，洪水由溢洪道和導(dǎo)流洞下泄；若遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水，且水位超過(guò)92m時(shí)，洪水漫壩，過(guò)壩水流由導(dǎo)流洞、溢洪道和壩頂自由下泄。

壩體施工期間，臺(tái)汛期遇2000年一遇洪水時(shí)，最高水位為93.00m，超過(guò)壩頂高程1m，因此壩體臺(tái)汛期遇到2000年一遇及2000年一遇以上洪水時(shí)可能發(fā)生潰壩。

2.3.2 可能發(fā)生的水庫(kù)潰壩形式

欽寸水庫(kù)大壩為混凝土面板堆石壩，導(dǎo)致堆石壩潰決的原因主要是洪水漫頂、基礎(chǔ)管涌和滲漏等，其中以洪水漫頂較為常見(jiàn)，破壞程度取決于漫壩流量和漫壩持續(xù)時(shí)間。

潰口尺寸主要指可能的口門(mén)形狀、潰口深度和潰口寬度，口門(mén)形狀可近似為矩形或梯形?？陂T(mén)最終尺寸應(yīng)根據(jù)堰塞壩體物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、地質(zhì)條件綜合擬定?？陂T(mén)從初始口門(mén)形態(tài)逐步發(fā)展至最終口門(mén)形態(tài)的過(guò)程可近似按線性化處理?？紤]堆石壩決口的初始位置大都發(fā)生在壩體中部，潰口形狀多呈V型。堆石壩的潰決屬于逐漸潰壩類(lèi)型。由于引起潰壩的水流沖擊能力很強(qiáng)，從決口開(kāi)始時(shí)刻到基本形成穩(wěn)定的潰決斷面時(shí)，整個(gè)時(shí)間過(guò)程相對(duì)較短。堆石壩的決口處可能將形成局部沖刷坑甚至沖刷到壩的基礎(chǔ)?？赡馨l(fā)生的水庫(kù)潰壩形式按壩體全潰、壩體2/3潰、壩體1/2潰、壩體1/3潰考慮。

根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料，大壩失事時(shí)間可從數(shù)分鐘到數(shù)小時(shí)，破壞程度取決于壩高、筑壩材料、材料密實(shí)度以及水流漫壩的程度(水量和歷時(shí))而異。堆石壩的潰決歷時(shí)一般約為0～3h，本次分析從安全角度出發(fā)，可能發(fā)生的水庫(kù)潰壩歷時(shí)按各種不利情況，0.1h、0.25h、0.5h、0.75h、1h分別分析。

2.3.3 潰壩洪水計(jì)算方法

計(jì)算采用美國(guó)國(guó)家氣象局編制的潰壩洪水預(yù)報(bào)模型DAMBRK。模型根據(jù)流體力學(xué)理論計(jì)算潰壩洪水過(guò)程和向下游河道的演進(jìn)。該模型通過(guò)調(diào)洪演算法或水力學(xué)動(dòng)力演算法計(jì)算水庫(kù)中水位的變化和入庫(kù)流量對(duì)水位的影響。用近似的寬頂堰流公式計(jì)算潰壩洪水過(guò)程，并以非恒定方程組的加權(quán)四點(diǎn)隱式有限差分法計(jì)算潰壩洪水向下游的演進(jìn)過(guò)程，求得所選取的需要計(jì)算的下游沿程斷面的最高水位、峰現(xiàn)時(shí)間、最大波速和出流過(guò)程等[8]。

圖1 欽寸水庫(kù)下游河道斷面平面布置圖

2.3.4 計(jì)算條件

2.3.4.1 潰壩洪水分析

計(jì)算參數(shù)選擇：假定水庫(kù)遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水(臺(tái)汛期0.05%)漫壩失事為前提條件計(jì)算。按此，壩體潰決的各種可能方案計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 施工期潰壩計(jì)算參數(shù)表

注：壩體全潰潰口底高程按壩底高程52m。

欽寸水庫(kù)下游河道斷面平面布置圖如圖1所示。

通過(guò)計(jì)算分析，當(dāng)欽寸水庫(kù)臺(tái)汛期遭遇超標(biāo)準(zhǔn)的P=0.05%洪水時(shí)，如遇壩體全潰工況，欽寸水庫(kù)壩址處最大流量達(dá)到70156m3/s，壩址至下游21572m處沿程水面線，如圖2所示。

圖2 臺(tái)汛期壩址流量最大時(shí)刻沿程水面線

壩址處水位在入庫(kù)洪水洪峰來(lái)臨前后達(dá)到最高。壩址下游最高水位比壩址處最高水位有明顯降低，潰壩洪水在陡降的過(guò)程中容易形成非恒定的不連續(xù)波。潰壩洪水從壩址處涌出，向下游演進(jìn)，沿程各行洪斷面的峰現(xiàn)時(shí)間不同，沿程水面線按各斷面出現(xiàn)的最高水位繪制，壩址至下游21572m處的沿程水面線，如圖3所示。

圖3 臺(tái)汛期沿程最高水位水面線

欽寸水庫(kù)壩址處臺(tái)汛期各工況洪水計(jì)算成果見(jiàn)表3。

表3 欽寸水庫(kù)壩址處潰壩洪水計(jì)算成果表

壩址最不利情況為：臺(tái)汛期上游有(P=0.02%)洪水潰壩，壩體全潰，潰壩時(shí)間0.1h，最大洪水流量達(dá)到70200m3/s。

2.3.4.2 潰壩洪水淹沒(méi)范圍及嚴(yán)重程度分析

(1)洪水對(duì)庫(kù)區(qū)的危害

當(dāng)遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，將會(huì)造成67m水位以上高程區(qū)域淹沒(méi)。一旦水庫(kù)潰壩，將造成上游水位急劇下降，破壞庫(kù)岸原有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，對(duì)上游庫(kù)岸造成破壞性影響。

(2)洪水對(duì)下游的危害

洪水對(duì)下游的危害主要涉及水庫(kù)下游的新昌縣大明市、嵊州市黃澤鎮(zhèn)、以及嵊州市浦口三江街道部分等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

當(dāng)欽寸水庫(kù)施工期遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，臺(tái)汛期發(fā)生漫壩潰決時(shí)壩址及下游特征斷面的洪峰流量和最高水位見(jiàn)表4—5。

表4 欽寸水庫(kù)施工期潰壩流量計(jì)算成果表

表5 欽寸水庫(kù)施工期潰壩后下游沿程最高洪水位表

若欽寸水庫(kù)施工期壩體潰決，以計(jì)算分析中最?lèi)毫拥墓r：臺(tái)汛期發(fā)生P=0.05%洪水，壩體全潰，潰決歷時(shí)0.1h向下游演進(jìn)，分析如下：

壩址至新昌縣大明市鎮(zhèn)為峽谷地帶，河道坡降很大，潰壩洪水傳播很快，將給下游以毀滅性打擊。新昌縣大明市的洪峰流量將達(dá)到50378m3/s，是目前河道安全泄流的32倍左右，洪水位將達(dá)51.01m，水深達(dá)到8.09m，最高水位超過(guò)堤頂高程5.85m。

嵊州黃澤鎮(zhèn)地勢(shì)開(kāi)闊，洪峰流量將達(dá)到22740m3/s，是目前河道安全泄流的14倍左右，洪水位將達(dá)32.94m，水深達(dá)到6.97m，最高水位超過(guò)堤頂高程3.27m。

黃澤鎮(zhèn)下游浦口三江街道河道右岸有湛頭滯洪區(qū)，滯洪區(qū)總面積7.44km2，滯洪區(qū)內(nèi)滯洪面積為5.76km2。滯洪區(qū)22m時(shí)對(duì)應(yīng)滯洪容積3515萬(wàn)m3，滯洪區(qū)23m時(shí)對(duì)應(yīng)滯洪容積4109萬(wàn)m3，湛頭滯洪區(qū)的堤防工程作為嵊州市主城區(qū)和浦口副城區(qū)的一部分，其防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，滯洪區(qū)內(nèi)保護(hù)圩堤內(nèi)重要村莊的防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。模型計(jì)算時(shí)考慮湛頭滯洪區(qū)的滯洪作用，洪峰流量為18090m3/s，是目前河道安全泄流的11倍左右，洪水位將達(dá)23.45m，水深達(dá)到10.17m，最高水位超過(guò)堤頂高程0.41m。因此，欽寸水庫(kù)下游新昌縣大明市和嵊州市黃澤鎮(zhèn)兩岸村莊將受到滅頂之災(zāi)，至嵊州市浦口三江街道附近，最高洪水位超過(guò)堤頂高程的高度已降至0.5m以下，周?chē)迩f受到的影響較上游大大降低。

3 結(jié)論

通過(guò)水庫(kù)施工期潰壩洪水模擬分析，選取各施工階段中可能遭遇的最不利情況，分析最不利情況發(fā)生在主汛期臺(tái)汛期，壩體處于施工填筑階段，溢洪道已建成，利用導(dǎo)流洞泄洪。當(dāng)預(yù)計(jì)欽寸水庫(kù)施工期遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水，應(yīng)提前啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)，組織人力物力，將庫(kù)區(qū)及沿岸可能受災(zāi)群眾轉(zhuǎn)移，最大限度減輕災(zāi)害帶來(lái)的損失。

施工期水庫(kù)潰壩洪水的模擬，因不同水庫(kù)壩型、施工方式、施工度汛階段、水庫(kù)上下游影響范圍可能不同，需針對(duì)不同情況擬定多種可能的潰壩方案[9]。

由于施工期潰壩洪水災(zāi)害的應(yīng)急性，建立快捷可靠的區(qū)域潰壩洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)將是未來(lái)應(yīng)該著重考慮的[10]。