西泌河水庫(kù)潰壩洪水預(yù)測(cè)分析

王 維

（貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550002）

0 引言

水庫(kù)是我國(guó)防洪廣泛采用的工程措施之一。在防洪區(qū)上游河道適當(dāng)位置興建能調(diào)蓄洪水的綜合利用水庫(kù)，利用水庫(kù)庫(kù)容攔蓄洪水，削減進(jìn)入下游河道的洪峰流量，達(dá)到減免洪水災(zāi)害的目的。一旦發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水、地震、地質(zhì)災(zāi)害、上游大體積漂移物的撞擊、戰(zhàn)爭(zhēng)、恐怖事件、工程隱患等突發(fā)事件就可能引起水庫(kù)潰壩，嚴(yán)重威脅到下游周邊人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。本文對(duì)西泌河水庫(kù)的潰壩洪水進(jìn)行預(yù)測(cè)，模擬水庫(kù)潰壩洪水過(guò)程，分析對(duì)下游防洪對(duì)象的影響，。

1 水庫(kù)概況

西泌河水庫(kù)工程位于貴州省晴隆縣西泌河下游，是一座具有供水、灌溉及發(fā)電等綜合利用的中型水庫(kù)，工程等別為Ⅲ等，水庫(kù)擋水壩為3級(jí)。死水位670 m，死庫(kù)容為402萬(wàn)m3，水庫(kù)正常蓄水位為690 m，正常蓄水位以下對(duì)應(yīng)的庫(kù)容為1395萬(wàn)m3，興利庫(kù)容993萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)洪水位691.26 m，校核洪水位694.36 m，總庫(kù)容1715萬(wàn)m3，電站裝機(jī)容量8 MW。

西泌河水庫(kù)屬于碾壓混凝土重力壩。在基巖穩(wěn)固的前提下，抗震能力較高，安全穩(wěn)定性較強(qiáng)，一般不會(huì)發(fā)生潰壩。但如果出現(xiàn)特大洪水、戰(zhàn)爭(zhēng)等突發(fā)事件，水庫(kù)可能發(fā)生漫壩、潰壩洪水?；炷翂我话銤Q時(shí)間較短，因此可能出現(xiàn)瞬時(shí)全潰的形式。

2 潰壩洪水計(jì)算

西泌河水庫(kù)總庫(kù)容1715萬(wàn)m3，壩頂長(zhǎng)度為148 m；最大壩高88 m，潰壩前的壩前水深H0=校核洪水位-河底高程＝694.36-629.5＝64.86 m；斷面形狀為矩形，斷面系數(shù)m取1.0。

2.1 潰壩洪水水位確定

選擇校核洪水位為潰壩時(shí)洪水水位，即694.36 m。

2.2 計(jì)算水庫(kù)超標(biāo)洪水時(shí)大壩可能潰口寬度

1）根據(jù)鐵道科學(xué)研究院推薦的經(jīng)驗(yàn)公式估算。計(jì)算公式為：

式中：b為潰壩決口寬度，m；W為水庫(kù)總庫(kù)容，m3；B為壩頂長(zhǎng)度，m；H為最大壩高，m；K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，該水庫(kù)為混凝土壩，取K=1.19。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算出b=146.7 m。

2）根據(jù)黃河水利委員會(huì)經(jīng)驗(yàn)公式估算：

式中：K取0.65。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算出b=136.9 m。

綜上所述，即西泌河水庫(kù)潰壩決口寬度為146.7 m，當(dāng)發(fā)生重大險(xiǎn)情時(shí)西泌河水庫(kù)極可能發(fā)生全潰壩。

2.3 洪水計(jì)算

1）壩體瞬間全垮時(shí)

采用規(guī)范《水庫(kù)大壩安全管理應(yīng)急預(yù)案編制導(dǎo)則》（SL/Z 720-2015）中推薦的混凝土壩瞬時(shí)全潰公式，計(jì)算西泌河水庫(kù)潰壩時(shí)壩址處的最大流量。潰壩時(shí)壩址處的最大流量計(jì)算公式：

式中：Qm為潰壩時(shí)壩址處最大流量，m3/s；m為斷面形狀系數(shù)；B為壩址斷面的長(zhǎng)度，m；H0為潰壩前的壩前水深，m。

將各參數(shù)帶入到公式中，得出：Qm＝8/27×148×9.80.5×64.861.5＝71708 m3/s。

當(dāng)壩體瞬時(shí)全垮時(shí)，壩址處的最大流量為71708 m3/s。

2）壩體瞬間垮掉部分（按潰1/2計(jì)）且一部分到河床底部時(shí)

采用肖克利契公式計(jì)算該種情況，公式如下：

式中：Qm為潰壩時(shí)壩址處最大流量，m3/s；H0為潰壩前的壩前水深，m；b為缺口平均寬度，m；B為壩頂長(zhǎng)度，m。

將各參數(shù)帶入到公式中，得出：Qm＝0.9×（148/74）0.25×74×64.861.5＝41371 m3/s。

3）壩體瞬間垮掉部分（按潰1/2計(jì)）且未到河床底部時(shí)

采用肖克利契公式計(jì)算該種情況，潰壩后壩體剩余平均高度取最大壩高一半（44 m），公式如下：

式中：Qm為潰壩時(shí)壩址處最大流量，m3/s；H0為潰壩前的壩前水深，m；h’為潰壩后壩體剩余平均高度，m；B為壩頂長(zhǎng)度，m。

將各參數(shù)帶入到公式中，得出：Qm＝0.9×（64.86-44）2/（64.86-0.827）×148×64.860.5＝7290 m3/s。

三種不同潰決情況下西泌河水庫(kù)壩址斷面潰壩的最大流量成果見表1。

表1 西泌河水庫(kù)壩址斷面潰壩最大流量成果表

西泌河水庫(kù)潰壩決口寬度為146.7 m，當(dāng)發(fā)生重大險(xiǎn)情時(shí)西泌河水庫(kù)極可能發(fā)生全潰壩的形式。由表1可知，壩體瞬間全垮的情況條件最惡劣。

3 沿程各斷面最大流量計(jì)算

西泌河水庫(kù)壩址至匯口的各斷面潰壩最大流量，可采用國(guó)內(nèi)外廣泛使用的李斯特萬(wàn)公式從壩址節(jié)點(diǎn)演進(jìn)至各斷面計(jì)算，公式如下：

式中：QLmax為潰壩最大流量演進(jìn)至距壩址為L(zhǎng)處時(shí)，在該處出現(xiàn)的最大流量，m3/s；W為水庫(kù)潰壩時(shí)的蓄水庫(kù)容，m3，1715萬(wàn)m3；為壩址處的潰壩最大流量（瞬間全跨時(shí)），71708 m3/s；L為控制斷面距壩址的距離，m；v為河道洪水期斷面的最大平均流速；無(wú)資料時(shí)，山區(qū)可取3.0 m/s～5.0 m/s；K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；山區(qū)可取1.1～1.5。

黃河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院根據(jù)實(shí)際資料統(tǒng)計(jì)分析給出山區(qū)河道、半山區(qū)河道和平原河道的vK值，本計(jì)算部分采用其推薦的山區(qū)河道vK=5.2。

根據(jù)計(jì)算西泌河水庫(kù)潰壩洪水到達(dá)下游各斷面的最大流量，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 西泌河水庫(kù)潰壩時(shí)下游各斷面最大流量成果表

4 潰壩洪水沿程水面線

X9匯口斷面水位流量關(guān)系成果見表3。

表3 X9斷面水位～流量關(guān)系成果表

本次潰壩洪水水面線計(jì)算選擇X9斷面作為起始斷面，根據(jù)河道縱橫斷面資料和X9斷面水位流量關(guān)系，X9斷面起調(diào)水位為587.20 m。以伯努利方程為計(jì)算依據(jù)往上游逐一試算，推求各斷面的水面相應(yīng)高程，連接各水面高程點(diǎn)即為潰壩洪水水面線。西泌河水庫(kù)潰壩洪水水面線計(jì)算成果見表4、圖 1。

表4 西泌河水庫(kù)潰壩洪水水面線計(jì)算成果表

表5 各計(jì)算斷面潰壩洪水起漲時(shí)間及洪峰流量到達(dá)時(shí)間

圖1 西泌河水庫(kù)潰壩洪水沿程水面線

5 潰壩洪水傳播時(shí)間

根據(jù)黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)得出的潰壩洪水傳播公式，可計(jì)算出洪水起漲時(shí)間t1，計(jì)算公式如下：

式中：t1為洪水起漲時(shí)間，s；k1為系數(shù)，等于 0.65×10-3～0.75×10-3，取平均數(shù)為0.70×10-3；L為控制斷面到壩址的距離，m；W為可泄庫(kù)容，1715萬(wàn)m3；H0為潰壩前的壩前水深，m，以校核洪水位高計(jì)算，為64.86 m；h0為下游計(jì)算斷面在潰壩洪水到達(dá)前的平均水深，m。

根據(jù)以上公式計(jì)算水庫(kù)下游各計(jì)算斷面潰壩洪水起漲時(shí)間，計(jì)算結(jié)果見表5。

西泌河水庫(kù)一旦發(fā)生潰壩，壩址洪峰流量將達(dá)到71708 m3/s。經(jīng)計(jì)算，西泌河水庫(kù)潰壩洪水將在約2 s后傳播到壩后移民復(fù)建小橋，水位為634.21 m；在約256 s后傳播到撈寨，水位為614.37 m；在約933 s后傳播到槍寨，水位為600.98 m；在約1174 s后傳播到上規(guī)模，水位為593.54 m；在約1719 s后傳播到公路橋，水位為587.20 m。若西泌河水庫(kù)發(fā)生潰壩，X2斷面處水電站將受到嚴(yán)重破壞；X9斷面（即匯口）左岸的土地、橋梁等均將受到嚴(yán)重破壞。其余河段的農(nóng)村居住地均在675 m高程以上，遠(yuǎn)高于潰壩洪水水面線。水庫(kù)潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)圖見圖2。

圖2 西泌河水庫(kù)潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)圖

6 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)西泌河水庫(kù)壩址下游相應(yīng)橫斷面等數(shù)據(jù)，對(duì)洪水漫頂造成的潰壩洪水進(jìn)行模擬推演，西泌河水庫(kù)一旦發(fā)生潰壩，壩址洪峰流量將達(dá)到71708 m3/s。潰壩洪水將在約2 s后傳播到壩后移民復(fù)建小橋，水位為634.21 m；在約256 s后傳播到撈寨，水位為614.37 m；在約933 s后傳播到槍寨，水位為600.98 m；在約1174 s后傳播到上規(guī)模，水位為593.54 m；在約1719 s后傳播到公路橋，水位為587.20 m。X2斷面處水電站將受到嚴(yán)重破壞；X9斷面（即匯口）左岸的土地、橋梁等均將受到嚴(yán)重破壞。

由于潰壩洪水帶來(lái)的危害巨大，因此，保證水庫(kù)的正常運(yùn)行至關(guān)重要。對(duì)潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供預(yù)測(cè)，為事故早期預(yù)警提供信息，為下游防洪搶險(xiǎn)工作提供決策，對(duì)防災(zāi)、保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全等具有十分重要的意義。