水電站潰壩風(fēng)險評估及安全防護措施應(yīng)用

王繼福

(巨野縣水務(wù)局，山東 巨野 274900)

1 概 述

近幾年，由于社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，給自然環(huán)境造成較大破壞，提高了自然災(zāi)害發(fā)生的頻率[1]，而且災(zāi)害的類型也逐漸變多。在眾多災(zāi)害中，洪水所影響的范圍和造成的損失較大，且發(fā)生的頻率較高[2]。同時，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，大量的水電站應(yīng)運而生。水電站通常起著發(fā)電、航運、養(yǎng)魚、防洪等功能，水庫容量較大，一旦發(fā)生潰壩，就會引發(fā)洪水災(zāi)害，給當(dāng)?shù)鼐用竦纳敭a(chǎn)安全造成不可估量的損失[3-4]。所以，研究水電站潰壩風(fēng)險，并對其破壞范圍進行分析，提出相應(yīng)的對策具有重要的意義。范鴻杰[5]以DAMBRK模型為基礎(chǔ)，計算分析了官地電站的潰壩風(fēng)險和影響范圍，并提出了相應(yīng)對策。

基于此，為了進一步分析水電站潰壩風(fēng)險并掌握其破壞范圍，本文以某水電站為例進行深入研究，利用瞬時全潰公式計算出潰壩處的最大流量，并通過Mikell模型模擬計算潰壩洪水向下游的演進過程，為相關(guān)工程提供指導(dǎo)和借鑒。

2 水電站相關(guān)概況

2.1 工程概況

某水電站屬于引水式電站，其壩區(qū)、廠區(qū)是深切峽谷的河曲，壩址左岸是低山，右岸山勢陡峭，壩址為非對稱V形河谷。該水電站組成包括發(fā)電廠房、引水隧洞、混凝土寬縫重力壩等，具體建筑物包括開關(guān)站、引水道、攔河壩、發(fā)電廠房等。地面式廠房為發(fā)電廠房的結(jié)構(gòu)類型，廠房尺寸為140m×23.3m×19.2m(長×寬×高)。堤壩等級為1級，大壩全長、壩頂長以及最大壩高分別為826、845和114m，上下游壩坡分別為1：0.2和1：0.3。其中，溢流壩段長315m，設(shè)有7.5m×11.0m溢流孔21個、4.25m×4.25m底孔4個，每個溢流孔泄洪量可達900m3/s。大壩洪水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為千年一遇洪水，校核為萬年一遇洪水，下泄流量最大值為24 750m3/s。水電站發(fā)電廠房位于河曲右岸下端，壩前右岸有兩條引水隧洞的進口，洞長為776和760m，洞口直徑為8.5m，均在末端安裝差動式調(diào)壓井，并設(shè)置兩條壓力鋼管接入發(fā)電廠進行發(fā)點，鋼管內(nèi)直徑為5.2m。在發(fā)電場內(nèi)配備4臺水輪發(fā)電機組，單機容量達到10×104kW，50和60Hz的周波各兩臺，設(shè)計水頭為90。

2.2 水電站地質(zhì)條件

水電站安全防護設(shè)置的結(jié)構(gòu)形式、抗損壞能力、適宜性在很大程度上取決于水電站附近的巖體性質(zhì)，并且物資運輸?shù)缆返囊?guī)劃和建設(shè)也會受到地層性質(zhì)的影響，所以水電站的地質(zhì)條件對其安全性、使用性有著關(guān)鍵的作用。通過勘查發(fā)現(xiàn)，水電站附近巖體類型以火山碎屑巖、安山巖和花崗巖為主。各巖石種類中，火山碎屑巖風(fēng)化程度為中等，巖體大多不完整，巖體質(zhì)量等級為Ⅲ、V級，有著中等級別的抗損壞性，屬于較硬巖類；花崗巖、安山巖大多數(shù)風(fēng)化程度不高，上部覆土厚度基本未超過1m，是比較完整的堅硬巖，有著中等級別的抗損壞性，巖石的質(zhì)量等級為Ⅲ級，其中少數(shù)安山巖質(zhì)量等級為Ⅱ和IV級。

由上述可知，水電站附近巖體上部土層厚度較小，巖體的抗損壞等級為中等，在巖體風(fēng)化程度較高區(qū)域有一定危險，容易被洪水破壞，從而使水電站的運轉(zhuǎn)受到影響，所以要在水電站周圍地勢較高處建造安全防護設(shè)施。

3 評估水電站潰壩風(fēng)險

水電站水庫庫區(qū)庫容最大值和庫區(qū)面積分別為46×108m3和103.5km2，是當(dāng)?shù)刂匾奶烊黄琳虾退Y源，但在利民的同時也存在不小的安全隱患。若是洪水對大壩造成沖擊而導(dǎo)致潰壩，下泄水量會給下游造成巨大的破壞，因此對水庫潰壩風(fēng)險進行評估是非常有必要的。

3.1 計算潰壩處流量最大值

以時間進行分類，可以將水庫的潰決類型分成逐漸潰與瞬時潰。在研究潰壩風(fēng)險時，對其可能產(chǎn)生的最壞結(jié)果進行預(yù)測，以便于制定相應(yīng)的應(yīng)對措施。在計算水電站潰壩范圍時，研究預(yù)測其最不利的后果，以便采取最有效的措施。所以，選擇瞬時潰壩來計算水電站潰壩的淹沒范圍，同時采用水庫的最高水位和最大庫容。

通過瞬時全潰公式計算潰壩處的最大流量，公式如下：

(1)

式中：Qm為壩址部位的流量峰值，m3/s；B、H分別為大壩寬度和潰壩高度，m；g為重力加速度，m2/s。

選擇概化典型流量過程線法計算潰壩流量過程，公式如下：

(0≤t/T≤0.3)

(2)

(0.3≤t/T≤1)

(3)

(4)

式中：Qm為代表壩址部位的流量峰值，m3/s；T為潰壩出流總時間，s；Q為t時刻壩址處流量，m3/s；W為水庫庫容，m3。

經(jīng)過計算，得出不同潰壩高度下水庫的峰值流量、出流庫容和出流總時間，見表1。由表1可知，隨著潰壩高度的增大，出流庫容和流量峰值也隨之增大，出流總時間則呈現(xiàn)降低趨勢。表明潰壩高度越大，庫水流出量和流出速度越大，造成的破壞也就越大。

表1 不同潰壩高度下水庫的峰值流量、出流庫容和出流總時間

3.2 計算潰壩洪水向下游的演進過程

選擇Mikell模型來模擬計算此次潰壩洪水向下游的演進過程。其模型計算原理是通過Abbott六點隱式格式來對一維河流非恒定流進行求解，即圣維南方程組。

當(dāng)發(fā)生特殊情況導(dǎo)致水庫受到破壞時，可能會使大壩出現(xiàn)不同深度的潰口。在本次研究中，設(shè)定潰口深度依次為5、10、15、20、50m，模擬計算下游地區(qū)在各潰壩情況受到的影響程度，同時計算各斷面洪峰在各潰口對應(yīng)的達到時間和水深，見圖1和圖2。

圖1 各斷面洪峰在各潰口對應(yīng)的水深

圖2 各斷面洪峰在各潰口對應(yīng)的達到時間

可以看出，各斷面在同一潰口深度下水深基本相同，距離測區(qū)出口距離越短，洪峰所到達所需時間也就越長。測區(qū)內(nèi)河流兩側(cè)地形坡度較高，只有小部分沿岸地區(qū)地形平緩，地勢較低，有較多的村鎮(zhèn)。經(jīng)過計算能夠得到，在潰口深度為5m時，岸邊部分村鎮(zhèn)居民區(qū)就會被洪水所淹。隨著潰口深度的增加，村鎮(zhèn)被淹沒范圍逐漸增大；在潰口深度達到20m時，村鎮(zhèn)區(qū)域就已被完全淹沒；但因為兩邊地勢坡度較大，潰口深度在50m時，洪水也不能穿過兩岸的地形高點。

3.3 分析潰壩風(fēng)險評估結(jié)果和安全防護措施

進過以上分析，水電站防護重點為發(fā)電廠和大壩，而且當(dāng)前對于物資運輸?shù)缆返墓芾砗头雷o較為薄弱，通道的安全防護管理還很薄弱。經(jīng)過綜合分析，水電站附近為中等級別的抗損壞性巖體，上部土層厚度較小，比較適合地表工事構(gòu)筑，可以在水電站周圍的山脊和地勢較高處建造安全防護設(shè)施，建造方式選擇機械構(gòu)工。在水電站南側(cè)的土體有較高的承載力，地勢平坦，具有良好的建造運輸?shù)缆返臈l件，但也易受到洪水的侵蝕，所以對該區(qū)域也要提高防護力度。當(dāng)大壩在潰壩高度只有5m時，就可以造成較為嚴重的洪水災(zāi)害，破壞岸邊大多數(shù)村鎮(zhèn)，給人民生命財產(chǎn)造成巨大的損失，并且產(chǎn)生大面積積水，阻礙道路正常交通。建議如果有特殊情況發(fā)生，要提前降低庫水位和庫容，讓庫水位低于警戒線；要快速、合理疏散可能會受到洪水威脅的居民，保證其安全；對大壩局部區(qū)域進行加固，提高大壩強度；在重要的生活設(shè)施和工業(yè)廠區(qū)附近修建防護工程，保證其正常運轉(zhuǎn)。

4 結(jié) 論

為了分析水電站潰壩風(fēng)險并掌握其破壞范圍，本文以某大壩為例進行了深入分析，結(jié)論如下：

1)隨著潰壩高度的增大，出流庫容和流量峰值隨之增大，出流總時間則呈現(xiàn)降低趨勢，表明潰壩高度越大，庫水流出量和流出速度也越大，造成的破壞也就越大；在潰口深度為5m時，岸邊部分村鎮(zhèn)居民區(qū)就會被洪水所淹，隨著潰口深度的增加，村鎮(zhèn)被淹沒范圍逐漸增大；在潰口深度達到20m時，村鎮(zhèn)區(qū)域就已被完全淹沒。

2)水電站防護重點為發(fā)電廠和大壩，且當(dāng)前對于物資運輸?shù)缆返墓芾砗头雷o較為薄弱。經(jīng)過綜合分析，水電站附近為中等級別的抗損壞性巖體，上部土層厚度較小，比較適合地表工事構(gòu)筑，可以在水電站周圍的山脊和地勢較高處建造安全防護設(shè)施，建造方式選擇機械構(gòu)工。在水電站南側(cè)的土體有較高的承載力，地勢平坦，具有良好的建造運輸?shù)缆返臈l件，但也易受到洪水的侵蝕，所以對該區(qū)域也要提高防護力度。

3)大壩在潰壩高度只有5m時，就可造成較為嚴重的洪水災(zāi)害，破壞岸邊大多數(shù)村鎮(zhèn)，給人民生命財產(chǎn)造成巨大的損失，并且產(chǎn)生大面積積水，阻礙道路正常交通。建議如果有特殊情況發(fā)生，要提前降低庫水位和庫容，讓庫水位低于警戒線；要快速、合理疏散可能會受到洪水威脅的居民，保證其安全；對大壩局部區(qū)域進行加固，提高大壩強度；在重要的生活設(shè)施和工業(yè)廠區(qū)附近修建防護工程，保證其正常運轉(zhuǎn)。