廣西馱英水庫施工圍堰潰壩洪水分析

蔣月麗，孫旭良，黃武林

（廣西水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，南寧 530023）

0 引言

水庫在施工期間，由于遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水等原因引起圍堰潰決，將給下游的防洪安全帶來嚴(yán)重威脅，為確保下游防洪安全，應(yīng)開展水庫施工圍堰潰壩洪水分析。以馱英水庫施工圍堰潰壩洪水分析為例，分析計(jì)算施工圍堰遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水漫頂造成圍堰潰決后洪水的演進(jìn)過程，研究潰壩洪水對(duì)下游造成的影響，為編制水庫施工期安全度汛應(yīng)急預(yù)案提供技術(shù)參考。

1 工程概況

馱英水庫壩址地處廣西崇左市寧明縣那堪鄉(xiāng)垌中村蒲城屯，位于珠江流域西江水系左江支流明江的一級(jí)支流公安河上，距那堪鄉(xiāng)31 km，距寧明縣城115 km，是一座以灌溉、供水為主，兼顧發(fā)電等綜合利用的大（2）型水庫，為廣西左江治旱馱英水庫及灌區(qū)工程供水的龍頭水庫。水庫兩側(cè)為中低山峽谷地形，兩岸山勢(shì)陡峭，河流狹窄，地勢(shì)南高北低，壩址下游過渡為丘陵地形。施工圍堰所在河段河谷為“V”型谷，圍堰附近無村莊民房，天然河道水面寬33～52 m。圍堰建設(shè)范圍內(nèi)基巖以粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，河床部位基巖風(fēng)化較淺，多為弱～微風(fēng)化巖體，左岸強(qiáng)風(fēng)化帶下限埋深較淺，右岸弱風(fēng)化帶下限埋深相對(duì)較深。

馱英水庫導(dǎo)流方式采用施工圍堰與壩體部分結(jié)合、一次攔斷河床，導(dǎo)流隧洞泄流的導(dǎo)流方式。根據(jù)施工進(jìn)度安排，馱英水庫施工期為全年，大壩圍堰填筑后的第一個(gè)汛期（5～10月）利用施工圍堰擋水施工，施工圍堰壩型為堆石壩，堰頂高程為207 m，防洪標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，相應(yīng)洪峰流量為2670 m3/s。當(dāng)汛期出現(xiàn)超10年一遇小于20年一遇洪水時(shí)，根據(jù)工程布置及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，將采取臨時(shí)增加子堰擋水的措施，將子堰加高至211 m高程，相當(dāng)于可擋20年一遇洪水，相應(yīng)洪峰流量為3407 m3/s。

2 潰壩洪水分析

2.1 潰壩洪水分析范圍

潰壩洪水分析范圍為施工圍堰至公安河河口的47 km河道，主要對(duì)枯改、崠布、汪迷、崠磨、繁華、鄧約、帝也、賴灣、板含、其坤、平高、板晃、毛六、公安圩、垌中村、江叫等16 個(gè)距河較近的村屯進(jìn)行潰壩洪水影響分析。對(duì)于明江干流公安河河口以下的沿岸村屯，同樣要及時(shí)做好預(yù)警及避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移工作。

2.2 潰壩類型分析

根據(jù)潰壩過程的時(shí)間長短，潰壩類型可分為瞬時(shí)潰壩和逐漸潰壩；根據(jù)潰壩缺口規(guī)模大小，可分為全部潰壩和局部潰壩。對(duì)于剛性壩，如重力壩、拱壩、漿砌石壩、支墩壩等，一般是瞬時(shí)潰壩，而且多出現(xiàn)局部潰壩；對(duì)于散粒壩，如土壩、堆石壩等受水流沖刷，壩體受到破壞，達(dá)到潰壩總有一個(gè)時(shí)間過程，因此可認(rèn)為是逐漸潰壩類型，但水庫在不太長的時(shí)間內(nèi)全部泄空。

馱英施工圍堰采用土石圍堰，潰壩原因主要為洪水漫頂、基礎(chǔ)管涌、滲漏等，屬于逐漸潰壩類型，但由于引起潰壩的水流沖擊能力極強(qiáng)，從決口開始到基本形成穩(wěn)定的潰決斷面，整個(gè)時(shí)間過程非常短暫（一般半個(gè)小時(shí)左右），從安全角度考慮，馱英施工圍堰按瞬時(shí)全部潰壩處理。

2.3 潰壩洪水計(jì)算組合

結(jié)合馱英水庫施工導(dǎo)流方式及施工安排，潰壩洪水計(jì)算組合分3種工況，即：

（1）工況一：當(dāng)施工圍堰遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水，圍堰瞬時(shí)全部潰壩。

（2）工況二：當(dāng)施工圍堰加子堰亦無法抵御超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，圍堰加子堰瞬時(shí)全部潰壩。

（3）工況三：當(dāng)施工圍堰加子堰后，由于對(duì)施工圍堰迎水側(cè)邊坡采用風(fēng)化過渡料斜墻保護(hù)，僅子堰發(fā)生瞬時(shí)局部潰壩。

2.4 壩址處潰壩最大流量計(jì)算

根據(jù)《水力計(jì)算手冊(cè)（第二版）》（中國水利水電出版社），大壩瞬時(shí)全部潰決時(shí)，二次拋物線形狀河槽壩址處潰壩最大流量QM計(jì)算公式為：

式中：QM為流量，m3/s；B為水面寬度，取壩體頂部長度，為180 m；H0為壩前水深，考慮洪水沒過堰頂后潰壩，壩前水深為堰頂高程與河底高程之間的高差，m。

2.4.1 工況一（施工圍堰瞬時(shí)全部潰壩）

施工圍堰壩型為散粒體壩，為瞬時(shí)全部潰壩，從堰頂高程207 m潰至壩基168 m。經(jīng)計(jì)算，潰壩流量為31 565 m3/s。

馱英水庫采用一次攔斷河床、隧洞全年導(dǎo)流的導(dǎo)流方式施工，經(jīng)調(diào)洪計(jì)算，當(dāng)遭遇10 年一遇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)洪水時(shí)，導(dǎo)流洞最大下泄流量為1260 m3/s。因此，從安全角度考慮，潰壩洪峰流量需在計(jì)算的潰壩洪峰流量基礎(chǔ)上疊加導(dǎo)流洞的最大下泄流量，即施工圍堰瞬時(shí)全部潰壩洪峰流量為32 825 m3/s。

2.4.2 工況二（施工圍堰加子堰瞬時(shí)全部潰壩）

施工圍堰加子堰發(fā)生瞬時(shí)全部潰壩時(shí)，從子堰堰頂高程211 m潰至壩基168 m。經(jīng)計(jì)算，潰壩流量為36 544 m3/s。

經(jīng)調(diào)洪計(jì)算，當(dāng)遭遇20 年一遇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)洪水時(shí)，導(dǎo)流洞最大下泄流量為1374 m3/s。從安全角度考慮，疊加導(dǎo)流洞的最大下泄流量，施工圍堰加子堰瞬時(shí)全部潰壩洪峰流量為37 918 m3/s。

2.4.3 工況三（子堰瞬時(shí)全部潰壩）

施工圍堰加子堰后，遭遇超20 年一遇標(biāo)準(zhǔn)洪水，僅子堰發(fā)生全部潰決時(shí)，從子堰堰頂高程211 m潰至施工圍堰堰頂高程207 m。經(jīng)計(jì)算，潰壩流量為1037 m3/s。

經(jīng)調(diào)洪計(jì)算，當(dāng)遭遇20 年一遇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)洪水時(shí)，導(dǎo)流洞最大下泄流量為1374 m3/s。從安全角度考慮，疊加導(dǎo)流洞的最大下泄流量，子堰瞬時(shí)局部潰壩洪峰流量為2411 m3/s。

2.5 潰壩洪水向下游演進(jìn)計(jì)算

要評(píng)估潰壩對(duì)下游的影響，必須進(jìn)行洪水演進(jìn)計(jì)算，除了可使用近似公式外，常使用數(shù)值解法，本次采用數(shù)值解法進(jìn)行潰壩洪水演進(jìn)研究。

2.5.1 潰壩流量過程線

壩址潰壩洪水過程線采用概化典型流量過程線法推求，根據(jù)《水力計(jì)算手冊(cè)》，瞬時(shí)潰壩流量過程線與最大流量QM、潰壩前下泄流量Q0及潰壩可泄庫容W（簡稱潰壩庫容）有關(guān)。其線形可概化為四次拋物線，也可概化為2.5次拋物線，即潰壩初期時(shí)刻，流量突增到QM，緊接著流量迅速下降，形成下凹的曲線，最后趨近于原下泄流量Q0?？紤]到工程上多用四次拋物線來概化流量過程線，本次采用四次拋物線來概化流量過程線。壩址洪峰流量過程線計(jì)算成果表見表1。

（1）根據(jù)QM及W初步確定泄空時(shí)間T。T=KW/QM，K 為系數(shù)，對(duì)于四次拋物線來說，K 一般為4～5，本次取5。

（2）根據(jù)工程布置，導(dǎo)流隧洞與水工永久泄洪洞結(jié)合布置，前期作為臨時(shí)導(dǎo)流隧洞，后期改建成永久泄洪洞，經(jīng)調(diào)洪計(jì)算導(dǎo)流洞下泄流量即為Q0。根據(jù)T、QM、Q0和表2的四次拋物線初步確定潰壩洪峰過程線。

（3）驗(yàn)算，根據(jù)初步定的T值，壩址流量過程線與Q=Q0直線之間的水量不等于潰壩庫容，則需對(duì)T值進(jìn)行調(diào)整。

馱英壩址距公安河河口115 km，區(qū)間集水面積439 km2，占公安河流域總面積1038 km2的42.3%，故潰壩洪水向下游演進(jìn)分析需考慮區(qū)間洪水。壩址流量過程線采用四次拋物線來概化流量過程線，疊加公安河馱英壩址至河口區(qū)間來水過程，經(jīng)計(jì)算壩址流量過程線見表1、圖1。

表1 壩址洪峰流量過程線（考慮區(qū)間來水過程）計(jì)算成果表

圖1 馱英施工圍堰壩址洪峰過程線

2.5.2 潰壩洪水向下游演進(jìn)分析

（1）演進(jìn)計(jì)算方法。以壩址處流量過程線為上邊界條件，采用MIKE11軟件，通過非恒定流解法向下游推演，求得壩址下游各斷面的流量過程線、水位過程線，同時(shí)計(jì)算出下游洪峰到達(dá)的時(shí)間。

MIKE11 推求水面線的基本原理程如下：①控制方程組一維水動(dòng)力學(xué)模型控制方程為Saint－Ve?nant方程組

式中：x為距離，m；t為時(shí)間，s；A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；Q 為流量，m3/s；h 為水位，m；g 為重力加速度，m/s2。②方程組的離散利用Abbott 六點(diǎn)隱式格式離散上述控制方程組，該離散格式在每一個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)并不同時(shí)計(jì)算水位和流量，而是按順序交替計(jì)算水位和流量，分別稱為h點(diǎn)和Q點(diǎn)（見圖2）。該格式為無條件穩(wěn)定，可以在相當(dāng)大的Courant 數(shù)下保持計(jì)算穩(wěn)定，可以取較長的時(shí)間步長以節(jié)省計(jì)算時(shí)間。

圖2 Abott格式水位點(diǎn)、流量點(diǎn)交替布置圖

（2）演進(jìn)計(jì)算。以壩址處流量過程線為上邊界條件，公安河最下游枯改村斷面水位流量關(guān)系成果為下邊界，河道糙率取0.045，采用MIKE11軟件，通過非恒定流解法向下游推演，求得壩址下游至公安河河口河段兩岸各村屯的流量演進(jìn)過程線、水位演進(jìn)過程線，同時(shí)計(jì)算出洪峰到達(dá)下游各斷面的時(shí)間。計(jì)算成果見表2、圖3。

表2 馱英水庫施工圍堰潰壩流量向下游演進(jìn)計(jì)算成果表

187 193 197 199 142.0 140.0 140.0 137.5 5.69 7.27 7.00 9.32崠磨汪迷崠布枯改馱英1壩00址m下游0.010江叫5.65垌中村7.58公安村11.913毛六13.818板晃16.133平高17.033 37 918其板坤含12 93..24 45 28賴灣28.983帝也29.985鄧約32.093繁華35.8173崠磨38.5178汪迷41.8185崠布44.2188枯改47.2190馱英1壩00址m下游0.015江叫5.627垌中村7.543公安村11.92毛六13.898板晃16.1117平高17.0118 2 411其板坤含12 93..24 11 25 57賴灣帝也鄧約繁華崠磨汪迷崠布枯改工況二180.0 175.0 163.0 164.0 157.0 150.0 155.0 150.0 147.5 150.0 147.5 150.0 142.0 140.0 140.0 137.5 2.22 3.97 6.73 2.51 6.68 13.66 7.10 8.59 7.22 3.90 3.44 0 6.63 8.16 7.86 10.17 00000 2.14工況三38.5 41.8 44.2 47.2 28.9 29.9 32.0 35.8 38.5 41.8 44.2 47.2 190 207 282 337 348 355 358 360 10 658 8408 7628 7190 37 918 35 260 33 409 30 665 29 426 27 481 26 302 23 468 20 035 15 877 15 367 14 966 14 073 12 318 9769 8889 8381 2411 3615 3516 3400 3321 3195 3160 3110 3060 2991 2981 2959 2827 2685 2560 2517 2493 121.8 119.8 119.0 118.5 165.5 159.3 153.8 145.0 143.5 142.0 141.0 140.0 137.5 131.5 130.8 128.6 124.5 121.8 119.8 119.0 118.5 165.5 159.3 153.8 145.0 143.5 142.0 141.0 140.0 137.5 131.5 130.8 128.6 124.5 121.8 119.8 119.0 118.5 147.69 147.27 147.00 146.82 198.18 182.22 178.98 169.73 166.51 163.68 163.66 162.10 158.59 154.72 153.90 150.95 148.90 148.63 148.16 147.86 147.67 178.56 167.30 163.55 156.16 153.99 152.34 152.14 151.15 147.40 142.67 141.82 140.00 138.50 137.90 137.37 137.03 136.75 25.9 27.5 28.0 28.3 32.7 22.9 25.2 24.7 23.0 21.7 22.7 22.1 21.1 23.2 23.1 22.3 24.4 26.8 28.4 28.9 29.2 13.1 8.0 9.7 11.2 10.5 10.3 11.1 11.1 9.9 11.2 11.0 11.4 14.0 16.1 17.6 18.0 18.2 180.0 175.0 163.0 164.0 157.0 150.0 155.0 150.0 147.5 150.0 147.5 150.0 142.0 140.0 140.0 137.5 0000000000

圖3 馱英水庫施工圍堰潰壩流量向下游演進(jìn)計(jì)算成果圖

2.6 潰壩成果分析

（1）工況一。施工圍堰遭遇超標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)洪水發(fā)生潰壩時(shí)，施工圍堰壩前最大流量為32 825 m3/s，最大洪峰傳至公安河河口枯改斷面的傳播時(shí)間為199 min，至最上游的江叫屯傳播時(shí)間為5 min。壩下沿河除了繁華村房屋建基面較高，不受潰壩洪水影響，其他沿河的15個(gè)村屯房屋建基面高程均低于潰壩造成的洪水水位，尤其是公安村、板晃、平高、其坤、板含、賴灣、崠磨、汪迷、崠布、枯改等村屯受淹沒范圍廣，影響大，馱英水庫施工圍堰對(duì)下游村屯可能造成影響的人口約6000人。

（2）工況二。施工圍堰加子堰遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水發(fā)生潰壩時(shí)，壩前最大流量為37 918 m3/s，最大洪峰傳至最下游的枯改傳播時(shí)間為190 min，至最上游的江叫屯傳播時(shí)間為5 min。壩下沿河除了繁華村房屋建基面較高，不受潰壩洪水影響，其他沿河的15 個(gè)村屯房屋建基面高程均低于潰壩造成的洪水水位，受淹沒范圍廣，影響大，馱英水庫施工圍堰對(duì)下游村屯可能造成影響的人口約6500人。

（3）工況三。子堰遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水發(fā)生潰壩時(shí)，壩前最大流量為2411 m3/s，相當(dāng)于河道發(fā)生10年一遇天然洪水，最大洪峰傳至最下游的枯改村傳播時(shí)間為360 min，至最上游的江叫屯傳播時(shí)間為27 min。壩下沿河房屋建基面高程均高于子堰潰壩造成的洪水水位，基本不受潰壩洪水影響。

3 結(jié)語及建議

本文根據(jù)二次拋物線形狀河槽壩址處潰壩最大流量計(jì)算公式、概化典型流量過程線法，采用MIKE11系列軟件，通過非恒定流解法向下游推演，分析了多種潰壩工況下潰壩洪水向下游河道演進(jìn)過程。根據(jù)分析成果，工況三條件下僅子堰潰決時(shí)，潰壩流量為2411 m3/s，與10 年一遇洪水2670 m3/s相近，對(duì)下游危害最小。當(dāng)發(fā)生工況一、工況二超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，潰壩洪峰流量大，洪水傳播速度快，對(duì)下游危害影響大，需根據(jù)應(yīng)急預(yù)案，對(duì)壩址下游受潰壩影響的村屯做好洪水預(yù)警和洪水避險(xiǎn)工作，及時(shí)組織下游沿岸村民到山上避險(xiǎn)。同時(shí)考慮到潰壩的危害性，在施工圍堰過程中，有必要對(duì)圍堰采取工程措施，避免其全部潰決。

各大壩施工圍堰在建筑類型、導(dǎo)流方式、潰壩成因等方面存在較大差異，潰壩作為一種極端情況，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)威脅嚴(yán)重，在進(jìn)行施工期潰壩洪水分析時(shí)，需針對(duì)不同情況擬定多種可能的潰壩方案，合理分析潰壩洪水造成的影響，為編制度汛應(yīng)急預(yù)案提供參考。水庫施工期間應(yīng)建立迅速可靠的洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，提前預(yù)測(cè)超標(biāo)準(zhǔn)洪水，按照應(yīng)急預(yù)案采取相應(yīng)潰壩預(yù)案措施，做好充分的洪水避險(xiǎn)、搶險(xiǎn)救援工作準(zhǔn)備，最大限度降低潰壩風(fēng)險(xiǎn)和影響。