黃泥坡水庫潰壩洪水分析及水庫應急管理工作探討

唐世書

（利川市水利局,湖北 利川 445400）

0 引言

潰壩洪水分析是潰壩應急管理中的一項重要工作,當遇到水庫壩體發(fā)生潰決,根據(jù)產(chǎn)生的洪水情況進行分析,當水庫壩型不同,其潰決方式也不同,洪水產(chǎn)生的形式也不同。黃泥水庫壩體為漿砌石剛性斜墻堆石壩,當發(fā)生潰壩時,潰決方式可能是瞬間潰決,也有可能是局部潰決；如果瞬間潰決時,壩體接受洪水沖蝕的抗沖擊能力無法承受,最終會導致壩體的局部潰決,也會在很短的時間內(nèi)增加潰決面積[1-2]。對此,要經(jīng)過對水庫潰壩洪水進行科學論證和分析,同時做好洪水應急調(diào)度管理。

1 黃泥坡水庫潰壩洪水特點

（1）壩體出現(xiàn)潰壩時,洪水不是恒定流,所以產(chǎn)生的洪峰高,來水量也非常集中；

（2）潰壩產(chǎn)生時,洪水突發(fā)性比較強烈,從預測預警方面很難判斷準確,潰壩的發(fā)生及形成都會在幾分鐘到幾個小時之內(nèi),形成的最大流量會產(chǎn)生在壩址處,洪水沖擊過程的變化也很急驟；

（3）壩體出現(xiàn)潰壩,瞬時洪峰很高、洪水量大、洪水曲線變化急劇,最高洪水量可達暴雨洪水的幾倍乃至幾十倍；

（4）發(fā)生潰壩的壩體處產(chǎn)生的洪水,在開始的時候常常以立波形式向水庫下游以很快的速度推進,水流洶涌,水庫下游村莊受威脅程度高,防護難,破壞性強。

2 黃泥坡水庫潰壩洪水分析

2.1 水庫概況

黃泥坡水庫工程屬?。?）型水庫,壩址以上主河道長6.4 km,比降27.7‰,河槽坡度較陡,河床巖體堅硬完整,壩址以上控制來水面積9.7 km2。大壩為漿砌石剛性斜墻堆石壩,最大壩高28.0 m,壩頂長153.6 m,壩頂寬7.1 m~9.2 m,壩頂高程1062.81 m。大壩上游斜墻為漿砌塊石,坡比為1∶1.0,下設(shè)干砌石墊層,下游堆石體表面采用干砌塊石護坡,坡比自上而下分別為1∶1.24 和1∶1.63。馬道設(shè)在高程1049.40 m 處,寬1 m ,斜墻頂部高程1062.1 m,頂寬1.5 m。

2.2 突發(fā)性洪水潰壩分析

2.2.1 潰壩流量過程線計算

根據(jù)《潰壩間斷波特性及其計算》的里特（Rittter）經(jīng)驗公式進行水庫潰壩洪水計算。

（1）壩址處的潰壩流量（計算結(jié)果見表1）：

表1 黃泥坡水庫潰壩流量表

式中：Qm為壩址處潰壩最大流量,m3/s；B為壩頂長度,黃泥坡水庫壩頂長度為158 m；b為局部潰壩缺口寬度,b=,V為水庫總庫容（514.056 萬m3）,k取1.12；經(jīng)計算b為59.85 m；H為壩高,黃泥坡水庫壩高29.7 m；H0為潰壩前上游水深（潰壩時上游平均水頭）,m；g為重力加速度,取9.8 m/s2。

（2）水庫泄空時間T 計算

根據(jù)水力計算手冊集散公式如下：

式中：K取5；W為水庫總庫容,m3；Qm為壩址處的潰壩流量, m3/s。

計算得到黃泥坡水庫泄空時間為1084 s。

（3）潰壩流量過程線計算

根據(jù)水力計算手冊,流量過程線計算采用概化典型流量過程線法計算,選取四次拋物線表計算。

黃泥坡水庫的總庫容514.056 萬m3。在對該水庫的演進流量計算斷面布置時,考慮到周邊居民集中點,通過計算,黃泥坡水庫潰壩壩體Qmax=23700 m3/s；影響下游五個村的斷面演進流量和潰壩計算結(jié)果用表格反應出來,其結(jié)果見表2。

表2 黃泥坡水庫潰壩泄流過程表

2.2.2 潰壩洪水演進分析

（1）水流運動控制方程。

在黃泥坡水庫潰壩分析計算中,用水動力學模型公式進行計算,方程式如下：

式中：Z表示水位；n表示糙率系數(shù)；H表示水深；u、v~x、y表示方向的流速；, cf=0.003,vT=aou*H,ao=0.2表示水流綜合擴散系數(shù)；u*為摩阻流速；g表示重力加速度。

（2）計算數(shù)值的方法介紹。當水庫潰壩時,計算公式在直角坐標系中用水流運動控制方程形式表示出來：

式中：S表示源項；Γ表示廣義擴散系數(shù)；φ表示通用變量。

計算過程用SIMPLE 算法進行模型演算：

在水庫計算中,用離散方程組進行演算,同時采用Gauss 迭代法求解線性方程組,求解黃泥坡水庫潰壩洪水線性方程組的迭代步驟由以下幾個步驟完成：①用死水位對潰壩洪水分析計算；②用求解公式,驗算方程式；③修正方程的系數(shù)以及更新流速和水位；④按照流量判斷洪水推進過程;⑤計算。潰壩結(jié)果見圖1、圖2。

圖1 潰壩形成結(jié)果圖

圖2 潰壩30分鐘洪水趨勢圖

2.2.3 水庫潰壩洪水的危害分析

黃泥坡水庫發(fā)生潰壩時,由于流量極大,全部潰壩Q=23700 m3/s,將對洪水淹沒區(qū)內(nèi)的人和物造成重大破壞,淹沒下游村莊有黃泥坡村、朱砂屯村、野貓水村、大壩村、長槽村。

結(jié)合以上分析結(jié)果,當黃泥坡水庫遭遇超標準洪水時,應加強水庫調(diào)度,加大巡查力度,提高巡查頻次,加強水雨情監(jiān)測,必要時采取啟動應急預案。

3 黃泥坡水庫潰壩調(diào)度應急管理工作探討

3.1 應急組織體系框架（見圖3）

圖3 利川市應急組織體系結(jié)構(gòu)圖

當黃泥坡水庫壩體發(fā)生潰壩洪水時,應急調(diào)度的組織和執(zhí)行部門由利川市人民政府、團堡鎮(zhèn)人民政府、應急管理部門和水利部門及其它相關(guān)部門組成[3]。當發(fā)布Ⅰ級響應時,根據(jù)利川市防汛搶險應急預案中落實的指揮系統(tǒng),按照指揮權(quán)限由利川市人民政府分管應急管理部門的領(lǐng)導擔任指揮長,防汛部門（應急局、水利局）局長任副指揮長,其他防汛成員單位擔任成員。當發(fā)布Ⅱ級響應時,根據(jù)團堡鎮(zhèn)防汛抗旱指揮部的應急指揮系統(tǒng),由團堡鎮(zhèn)人民政府主要領(lǐng)導擔任指揮長,鎮(zhèn)直相關(guān)單位為成員。

3.2 應急搶險調(diào)度工作

（1）當黃泥坡水庫遭遇30 年一遇的洪水時,通過山洪災害監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到降雨未停時,水庫在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到庫水位有上漲趨勢,視頻監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)水庫上游來水流量增加時,通過敲鑼、鳴號、喊喇叭等預警方式向水庫下游沿河兩岸受洪水影響的五個村發(fā)出洪水警報,同時按照有關(guān)要求啟動應急預案。

（2）當黃泥坡水庫遭遇超標準洪水和出現(xiàn)險情時,要立即根據(jù)黃泥坡水庫水位情況,按水庫管理規(guī)定開閘放水,控制庫水位在正常蓄水位1059.71 m以下,必要時降至死水位1055.00 m以下甚至放空,以減小大壩失事造成的潰壩洪水淹沒影響。

4 結(jié)語

綜上所述,黃泥坡水庫是團堡鎮(zhèn)集鎮(zhèn)的飲用水和水庫下游五個村的灌溉用水,如果水庫大壩發(fā)生潰決,將形成極具破壞性的潰壩洪水,危及水庫下游的五個村的村民生命財產(chǎn)安全。為切實增強水庫突發(fā)事件的應對能力和提高水庫安全管理水平,落實防洪調(diào)度、應急管理工作,對該水庫的潰壩分析和應急調(diào)度管理工作探討十分重要。