毛灘河水庫潰壩洪水分析及對(duì)策研究

王維東

(湖北省利川市水利水電工程質(zhì)量監(jiān)督站，湖北 利川 445400)

0 引 言

潰壩洪水分析是潰壩應(yīng)急管理中的一項(xiàng)重要工作，根據(jù)大量壩體潰決實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，不同壩型的壩體潰決方式有較大差異，如：拱壩、混凝土重力壩等剛性壩，往往是瞬時(shí)潰決，并伴有局部潰決情況；土壩、堆石壩等散粒體壩，耐沖蝕能力差，一旦洪水漫過壩頂會(huì)出現(xiàn)沖坑，隨著洪水作用時(shí)間的延長，沖坑規(guī)模擴(kuò)大、壩體穩(wěn)定性變差，最終導(dǎo)致局部潰決，并且在短時(shí)間內(nèi)迅速擴(kuò)大。對(duì)此，必須科學(xué)開展水庫潰壩洪水分析，并做好相關(guān)調(diào)度應(yīng)急管理工作研究。

1 水庫潰壩洪水特點(diǎn)

1.1 潰壩洪水特點(diǎn)

潰壩洪水破壞力巨大，根據(jù)大量的教訓(xùn)總結(jié)分析顯示，潰壩洪水特點(diǎn)包括如下幾點(diǎn)：

1)潰壩洪水是一種非恒定流不連續(xù)波運(yùn)動(dòng)；

2)潰壩洪水突發(fā)性強(qiáng)，較難準(zhǔn)確預(yù)測，潰壩的發(fā)生、潰壩洪水的形成往往是在幾分鐘至幾個(gè)小時(shí)內(nèi)；

3)潰壩洪水峰高量大、變化急劇，最高可達(dá)暴雨洪水?dāng)?shù)倍乃至數(shù)十倍；

4)潰壩洪水在初始階段常以立波形式向下游急速推進(jìn)，水流破壞性強(qiáng)。

1.2 潰壩洪水分析內(nèi)容

潰壩洪水分析是潰壩應(yīng)急管理工作的基礎(chǔ)，具體分析內(nèi)容如下：

1)潰壩機(jī)理研究：采取物理試驗(yàn)、大壩安全鑒定、現(xiàn)場核查等方法，分析大壩潰決的發(fā)生、發(fā)展過程。

2)潰口洪水?dāng)?shù)值模擬：計(jì)算潰口形狀演變、潰壩壩址流量、水位過程線，潰口包括瞬時(shí)潰決、逐漸潰決兩種。

3)潰壩洪水演進(jìn)數(shù)值模擬：計(jì)算洪水向下游演進(jìn)各時(shí)刻水深、流速、淹沒歷時(shí)，對(duì)洪水演進(jìn)問題，一、二維潰壩問題分別采用圣維南方程、淺水方程描述。

4)潰壩洪水演進(jìn)可視化技術(shù)：將潰壩數(shù)值模擬結(jié)果利用計(jì)算機(jī)直觀展現(xiàn)，如可利用GIS技術(shù)動(dòng)態(tài)仿真演示洪水淹沒過程。

2 毛灘河水庫潰壩洪水分析

2.1 水庫概況

毛灘河水利水電樞紐工程屬小(1)型水庫，大壩為混凝土拱壩，壩址控制流域面積253.5km2，多年平均流量8.43m3/s。水庫正常蓄水位505m，校核洪水位506.83m，設(shè)計(jì)洪水位505.04m，死水位為500m，總庫容170.6萬m3，調(diào)節(jié)庫容48.4萬m3。

2.2 突發(fā)性洪水潰壩分析

本工程可能導(dǎo)致水庫潰壩因素為超標(biāo)準(zhǔn)洪水，具體分析如下。

2.2.1 水庫潰壩形式

該工程壩體為混凝土拱壩，為剛性壩，穩(wěn)定性較好。從潰壩時(shí)間上來看，剛性壩發(fā)生潰壩的時(shí)間很短，幾乎為瞬間完成，因此，該工程壩體潰壩形式為瞬間潰壩。根據(jù)壩型的特點(diǎn)分析，及剛性壩失事經(jīng)驗(yàn)，潰壩時(shí)以整個(gè)大壩潰到壩基為主。因此，經(jīng)過分析，本工程潰壩形式為瞬間全部潰壩。

2.2.2 潰壩洪水及其演進(jìn)計(jì)算

根據(jù)圣維南公式計(jì)算如下：

1)壩址處潰壩最大流量計(jì)算：

全部潰壩：

(1)

局部潰壩：

Qm=0.9B1/4b3/4H03/2

(2)

2)潰壩最大流量向下游演算：

(3)

式中：Qm為壩址處潰壩最大流量，m3/s；B為潰壩時(shí)沿壩前水面寬度或壩頂長度，m；b為局部潰決口寬度，m；h為潰決后剩余壩高，若未剩余h=0；H0為水頭，潰壩前上下游水位差，m；H為壩高，m；Qxm為演進(jìn)至下游某處潰壩最大流量，m3/s；W為水庫潰壩時(shí)的庫容，m3；L為下游某處距壩址的距離，m；V為河道洪水期斷面平均流速，取4.0 m/s；K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取1.1。

3)潰壩洪水傳播時(shí)間計(jì)算

采用黃河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究所實(shí)驗(yàn)求得的潰壩洪水傳播時(shí)間計(jì)算公式，最大流量到達(dá)時(shí)間計(jì)算如下：

(4)

式中：K2為系數(shù)，等于0.8-1.2，本工程K2取1.0；hM為下庫河道水深，m；H0為下游斷面水深，m；W為潰壩庫容，m3；t2為最大流量到達(dá)時(shí)間，s。

4)潰壩洪水水位計(jì)算

各控制斷面水位根據(jù)洪水流量采用水力學(xué)公式計(jì)算：

(5)

式中：Qn為演進(jìn)至下游某處的潰壩最大流量，m3/s；A為過水面積，m2；R為水力半徑，m；J為河床比降；n為河道糙率。

毛灘河水庫總庫容為192萬m3。本次演進(jìn)流量計(jì)算斷面布置在集中居民點(diǎn)附近，毛灘河水庫壩下潰壩洪峰流量見表1，經(jīng)計(jì)算得潰壩壩址Qmax=38805m3/s；下游影響范圍斷面演進(jìn)流量、潰壩計(jì)算成果見表2、3。

表1 毛灘河水庫潰壩洪水計(jì)算表

表2 毛灘河水庫潰壩流量 m3/s，m

表3 毛灘河水庫大壩潰壩洪水計(jì)算成果表(壩頂高程瞬時(shí)全潰)

3.3 水庫潰壩洪水的危害分析

3.3.1 對(duì)下游防洪工程、重要保護(hù)目標(biāo)的影響

水庫下游有長順電站水庫，為中型水庫，總庫容6833萬m3，毛灘河水庫總庫容為192萬m3，毛灘河水庫潰壩洪水對(duì)長順電站水庫大壩的影響微小，主要影響范圍涉及1個(gè)鐘臺(tái)村。壩址下泄洪水影響范圍情況見表4-6。

表4 不同頻率下泄洪水撤離住戶調(diào)查統(tǒng)計(jì)表

表5 10a一遇洪水泄洪影響區(qū)撤離高程

表6 100a一遇洪水泄洪影響區(qū)撤離高程和撤離對(duì)象

3.3.2 對(duì)上游可能滑坡崩塌位置的影響

毛灘河水庫壩頂右側(cè)有山上掉落的裸石，因此存在發(fā)生山體滑坡的可能，其他地段可能引發(fā)局部、零星、小范圍坍岸和崩塌造成堰塞湖。

4 毛灘河水庫潰壩調(diào)度應(yīng)急管理工作

4.1 應(yīng)急組織體系框架

毛灘河水庫應(yīng)急組織和執(zhí)行，由當(dāng)?shù)卣笔±ㄊ腥嗣裾?、文斗鄉(xiāng)政府、水庫水行政主管部門利川市水利局、水庫管理單位及其它相關(guān)部門組成。Ⅰ級(jí)響應(yīng)應(yīng)急指揮系統(tǒng)一般由分管水利的利川市分管水利副市長擔(dān)任指揮長，市政府公安局、水利局領(lǐng)導(dǎo)任副指揮長，其他部門擔(dān)任成員。Ⅱ級(jí)響應(yīng)應(yīng)急指揮系統(tǒng)由湖北源泰水電開發(fā)有限公司董事長擔(dān)任，公司相關(guān)成員組成。如下圖1所示即為利川市應(yīng)急預(yù)案框圖。

圖1 利川市應(yīng)急預(yù)案框圖

4.2 搶險(xiǎn)調(diào)度工作

洪水搶險(xiǎn)應(yīng)根據(jù)雨情和庫水位變化情況，在毛灘河水庫防汛搶險(xiǎn)應(yīng)急指揮部及利川市防汛抗旱指揮部的統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)下，采取不同的應(yīng)急措施。當(dāng)毛灘河水庫遇超過水庫校核洪水、水庫出險(xiǎn)等情況的調(diào)度原則、調(diào)度方式、應(yīng)急措施如下：

1)當(dāng)水庫遭遇30a一遇洪水時(shí)壩前水位且有上漲趨勢、同時(shí)來水流量加大，應(yīng)及時(shí)向下游可能受到洪水威脅的居民發(fā)出洪水警報(bào)，啟動(dòng)相應(yīng)應(yīng)急預(yù)案，密切關(guān)注壩前洪水位變化情況。

2)當(dāng)毛灘河水庫遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，要立即根據(jù)毛灘河水庫水位情況，按泄洪操作規(guī)程要求進(jìn)行泄洪，以減小大壩失事造成的潰壩洪水淹沒影響。

3)出現(xiàn)水庫大壩樞紐工程險(xiǎn)情征兆時(shí)，根據(jù)毛灘河水庫水位情況，按操作規(guī)程開啟放水設(shè)施要求進(jìn)行泄洪。控制庫水位在正常蓄水位505.00m以下，必要時(shí)降至死水位500.00m以下甚至放空，毛灘河水庫搶險(xiǎn)調(diào)度以確保水庫大壩樞紐工程本身的安全，并以盡量削減下游洪峰為原則。

4)當(dāng)毛灘河水庫大壩樞紐工程出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)，由湖北源泰水電開發(fā)有限公司應(yīng)急指揮部會(huì)商后，制訂水庫搶險(xiǎn)調(diào)度方案，經(jīng)指揮部批準(zhǔn)后執(zhí)行，并做好人員、財(cái)產(chǎn)轉(zhuǎn)移工作。

4.3 應(yīng)急管理工作

根據(jù)毛灘河電站工程特點(diǎn)以及水庫突發(fā)事件可能帶來的危害，為加強(qiáng)應(yīng)急管理工作，設(shè)立毛灘河電站應(yīng)急搶險(xiǎn)指揮部。毛灘河水庫Ⅰ級(jí)突發(fā)事件應(yīng)急搶險(xiǎn)指揮部成員與利川市防汛抗旱指揮部成員一致，Ⅱ級(jí)突發(fā)事件應(yīng)急搶險(xiǎn)指揮部成員為湖北源泰水電開發(fā)有限公司防汛應(yīng)急搶險(xiǎn)指揮部。

1)應(yīng)急搶險(xiǎn)

根據(jù)前行水庫出現(xiàn)的不同原因、部位科學(xué)制定搶險(xiǎn)措施，具體要點(diǎn)包括：一是做好天氣及洪水預(yù)報(bào)，氣象部門加強(qiáng)災(zāi)害性天氣監(jiān)測、預(yù)報(bào)工作，做好水情監(jiān)測科學(xué)預(yù)測洪水發(fā)生與變化；二是一旦遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水，要立即根據(jù)毛灘河水庫水位情況，按泄洪操作規(guī)程要求進(jìn)行泄洪，以減小大壩失事造成的潰壩洪水淹沒影響。

2)應(yīng)急監(jiān)測與巡查

毛灘河水庫入庫洪水量級(jí)超過30a一遇標(biāo)準(zhǔn)后，立即增加大壩監(jiān)測與巡查頻率，大壩表面每小時(shí)觀測1次，輸泄水建筑物、閘門、啟閉設(shè)備、電源每日檢查4次，并做好相關(guān)記錄，具體監(jiān)測與巡查內(nèi)容如下：

①壩頂相鄰兩壩段間是否存在不均勻位移或沉陷，伸縮縫、兩岸邊坡接縫開合情況，大壩有無裂縫和滲漏壓力過大。

②溢洪道裂縫、變形、剝蝕情況，放水豎井穩(wěn)定情況，大壩漏洞、位移情況，壩體滲水出流等情況。

③兩岸邊坡是否穩(wěn)定，防汛公路是否暢通。

④啟閉設(shè)備是否正常。

3)水庫下游應(yīng)急撤離

毛灘河水庫下游為重點(diǎn)轉(zhuǎn)移對(duì)象。當(dāng)毛灘河水庫下泄流量超過下游河道安全泄量時(shí)，由毛灘河水庫通知市防洪辦、文斗鄉(xiāng)人民政府，由文斗鄉(xiāng)人民政府通知下游管轄社區(qū)和村社，按“安全轉(zhuǎn)移預(yù)案”做好人員、財(cái)產(chǎn)轉(zhuǎn)移工作。

撤離方案程序如下：水庫大壩險(xiǎn)情失控→利川市人民政府發(fā)出警報(bào)→利川市人民政府文斗鄉(xiāng)人民政府協(xié)調(diào)實(shí)施→轉(zhuǎn)移方案→民政、農(nóng)業(yè)、交通等部門協(xié)作→遵照原則、實(shí)施轉(zhuǎn)移→安全安置。

5 結(jié) 語

綜上所述，水庫是作為流域防洪防汛設(shè)施，發(fā)揮著重要的洪水調(diào)度管理作用。一旦水庫大壩潰決，將形成極具破壞性的潰壩洪水，威脅周邊群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。為提高我國水庫安全管理水平，落實(shí)洪水調(diào)度、應(yīng)急管理工作十分重要，切實(shí)增強(qiáng)水庫對(duì)突發(fā)事件的應(yīng)對(duì)能力，保證區(qū)域安全穩(wěn)定發(fā)展。