梯級水庫潰壩風險研究

趙雪瑩，王昭升,2，盛金保,2

(1.南京水利科學研究院，南京 210029；2.水利部大壩安全管理中心，南京 210029)

我國是世界上筑壩歷史最悠久的國家之一，也是目前修建水庫大壩數(shù)量最多的國家。水庫大壩在降低洪災發(fā)生頻率發(fā)揮興利作用的同時也會增加潛在洪災損失，這是因為大壩的修建會吸引更多的人口以及資產(chǎn)聚集到其保護區(qū)域，故而一旦大壩失事，引起的洪水災害損失將遠遠大于工程修建前的損失[1]。

1 流域梯級開發(fā)風險

梯級開發(fā)可通過合理規(guī)劃流域水庫規(guī)模，采用科學的聯(lián)合調(diào)度方式，提高水資源利用率，協(xié)調(diào)水資源在綜合利用時出現(xiàn)的矛盾，滿足流域內(nèi)的多目標開發(fā)需求，獲取最優(yōu)化的梯級效益；還能發(fā)揮梯級水庫的防洪效應，利用流域龍頭水庫，編制合理的防洪調(diào)度方式，利用上游水庫蓄洪削峰作用提高下游大壩的防洪標準，減小泄洪設施的規(guī)模，發(fā)揮梯級水庫的防洪效應。然而與之相對應，流域梯級開發(fā)不可避免的將面臨工程安全和管理調(diào)度兩方面的風險。

1.1 工程安全

我國水利工程建設面臨移民安置、生態(tài)環(huán)境、大壩安全3方面的問題，其中大壩安全對人類生產(chǎn)生活影響最大[2]。超標準洪水、地震等自然因素以及設計缺陷、施工質(zhì)量不合格、管理不當、人為破壞等人為因素都可能對大壩安全造成威脅，甚至發(fā)生潰壩事件。水庫潰壩概率低、風險高，潰壩洪水立波推進、流速大、峰量高、破壞力強，對下游人民的生命財產(chǎn)損失帶來毀滅性的破壞。

1975年8月河南淮河上游板橋和石漫灘兩座大型水庫、田崗和竹溝兩座中型水庫以及石龍山等58座小型水庫接連垮壩。這次災害事故使29個縣市的1 100萬人口受災，110 萬km2耕地遭受嚴重水災，26 000多人喪生，直接經(jīng)濟損失近百億元。

流域梯級開發(fā)的工程安全風險具體表現(xiàn)在以下兩方面：①流域梯級大壩之間的安全標準不協(xié)調(diào)。流域多個水庫大壩由多家設計單位分別承擔設計任務，不同設計單位對基礎資料處理方法可能存在差異，這將使入庫洪水造成差異，進而有可能影響到工程防洪安全；同時，目前行業(yè)設計標準、規(guī)范的制定，也均是將每個水利工程作為獨立的個體進行規(guī)定，缺少從整體上對流域內(nèi)水利工程的整體規(guī)定，這必將造成各梯級電站之間的安全標準存在不協(xié)調(diào)的問題，給水利工程的安全帶來威脅。②流域大壩群的安全。出于充分開發(fā)水力資源的目標，大力推進了流域梯級化開發(fā)，但若是其中一座大壩發(fā)生潰決，有可能引發(fā)下游梯級大壩群的連鎖潰壩。這種情況下，下游梯級水庫和居民難以做出有效的反應，給他們造成面臨極大的潛在風險。值得注意的是，由省級及以下地方政府核準、批復，建于大江大河的支流上的一些中小型水利工程，其設計、施工單位資質(zhì)較低，工程方案審查、評估不嚴格。一旦支流上的水庫發(fā)生連鎖潰壩，潰壩洪水經(jīng)過多次疊加，涌向干流對干流水庫造成威脅，進而導致干流上水庫出現(xiàn)連鎖潰壩的事件。并且現(xiàn)在大江大河上大多水庫，規(guī)模遠遠大于板橋和石漫灘水庫，連鎖潰壩的極端事件一旦發(fā)生，潰壩洪水必將所到之處統(tǒng)統(tǒng)摧毀，后果不可想象。

1.2 管理調(diào)度

隨著水利水電的進一步開發(fā)，主要河流上的梯級開發(fā)格局已逐漸形成，并出現(xiàn)同一河流跨行業(yè)、多業(yè)主共同開發(fā)的問題。流域水庫設計具有多目標開發(fā)功能，其分屬不同部門監(jiān)管，而各部門之間職能相互重疊，存在沖突，正由于部門間缺少統(tǒng)一的協(xié)調(diào)，制約梯級效益在實際應用中的效果；流域開發(fā)的主體多元化，同時又缺少流域調(diào)度管理的規(guī)則、協(xié)調(diào)和監(jiān)管，輕則影響流域開發(fā)的功能發(fā)揮，重則將給流域內(nèi)工程安全帶來潛在風險。

2 梯級水庫潰壩風險

梯級流域內(nèi)的水庫潰壩的影響因素復雜，除受大壩自身安全因素影響外，同時也受梯級內(nèi)其他水庫的影響。統(tǒng)計資料分析[3]，漫頂潰壩是主要的潰壩方式，其所占比例約為半數(shù)(50.2%)，且漫頂潰壩受外界因素影響較大，在洪水期間發(fā)生概率大。故本文分析歸納上游水庫出現(xiàn)潰壩險情，由梯級影響引發(fā)與之串聯(lián)的臨近下游水庫發(fā)生漫頂潰壩的可能梯級潰壩原因。

2.1 大壩工程特征

水庫潰壩形成的潰壩洪水與水庫的蓄水量、水位庫容關系、潰口發(fā)展過程等因素有關；下游水庫應對上游潰壩事件的非常蓄水能力與水庫泄流量、水庫水位到壩頂之間庫容有關。

(1)水庫庫容及下泄能力。水庫對洪水的調(diào)蓄作用是依靠調(diào)節(jié)庫容實現(xiàn)，水庫臨時將部分洪水攔蓄在水庫中，待洪峰過后再放出庫水。上游水庫庫容越大，潰壩洪量越大，下游水庫需調(diào)蓄的水量越大，下游水庫發(fā)生漫頂潰壩的風險越大；下游水庫庫容越大，洪水調(diào)蓄能力越強，水庫潰壩風險越低。故可以簡單地認為流域梯級內(nèi)，上游水庫庫容越大，其下游水庫發(fā)生連鎖潰壩的風險越大；下游水庫的庫容越大，其對上游潰壩洪水的調(diào)蓄能力越大，出現(xiàn)連續(xù)潰壩的風險相應降低。印度Khadkawasla[4]水庫為重力壩在上游水庫潰壩時，即使水庫立即采用最大能力下泄洪水，但仍出現(xiàn)漫頂，最大漫壩水深2.7 m，4 h后大壩潰決。

水庫下泄能力代表其泄洪能力，故水庫的下泄能力越強，對入庫洪水的調(diào)節(jié)能力越強，高水位運行時間縮短，故漫頂潰壩的風險相對降低。但若是水庫的下泄量大大超過下游河道安全泄量，會給下游區(qū)域以及下游水庫造成危害。河門水庫主壩為均質(zhì)土壩，總庫容560 萬m3。1976年10月上游水庫泄洪，河門水庫庫水位居高不下，壩體出現(xiàn)裂縫，水庫潰壩。

(2)壩型及潰決形式。不同壩型，其潰決形式不同，通常可分為瞬時潰壩和逐步潰壩兩種形式。混凝土壩的潰壩比較突然，一般視混凝土壩潰壩為瞬時潰決，對混凝土拱壩來說可能是瞬時全潰；而混凝土重力壩則可能是某個或幾個壩段(橫向局部)一潰到底；或上部拱圈或壩段(垂向局部)潰決，見圖1。不同于混凝土壩，土石壩的潰決是一個逐步發(fā)展的過程。以土石壩漫頂潰壩為例，在漫頂水流的侵蝕下形成潰口，隨后潰口在潰決水流作用下不斷沖深的同時也逐漸向兩側(cè)擴展，直至沖刷停止，如圖1所示為土石壩潰口發(fā)展的示意圖，圖1中數(shù)字表示潰口發(fā)展的順序。

圖1 混凝土壩潰決方式示意圖

潰決形式受壩型制約，而潰決形式對潰壩洪水的演進過程有著極大的影響。構(gòu)建一維河道模型，在入流條件、水庫特征條件及最終潰口形態(tài)都相同的條件下，分別模擬庫水位超過壩頂0.5 m大壩發(fā)生瞬時垂向局部全潰和庫水漫過壩頂大壩開始逐漸潰壩兩種潰壩方式。數(shù)值模擬結(jié)果(如圖2所示)表明相比于瞬間潰決的形式，逐步潰決的潰壩洪水下泄時間持續(xù)較長，其潰壩洪峰形成較晚，峰值相對較小。

總結(jié)來說，重力壩、拱壩這類壩型通常發(fā)生瞬時潰壩，其潰壩洪水洪量集中，洪峰形成早，峰值高，對下游水庫安全造成威脅大。

圖2 潰決方式對潰壩洪水過程的影響

2.2 梯級應急調(diào)度能力

梯級水庫應急調(diào)度能力包括：流域是否建立聯(lián)合調(diào)度機制，應急調(diào)度模式是否科學合理。

已建工程中梯級水庫所占比例為48%，在建工程中梯級水庫比例達50%。梯級水庫中尚有25%左右所在河流未建立防洪聯(lián)調(diào)機制，一旦流域水庫出險，極可能因為梯級調(diào)度失當，大大增加梯級水庫群的系統(tǒng)風險累積效應，加重大壩潰決的損失。

梯級水庫應急調(diào)度的編制是為了保障大壩突發(fā)險情，出現(xiàn)潰決危險時，水庫決策者和執(zhí)行者能及時采取合理、有效的處置措施，從而防止?jié)问鹿拾l(fā)生或者盡可能減少災害帶來的損失。其應急調(diào)度應在可能的條件下(如：緊急泄洪，利用上下游梯級水庫調(diào)蓄洪水)最大限度地保障大壩安全，達到保壩目標；一旦導致大壩潰決的不利因素脫離可控范圍，則盡量延遲潰壩時間，削弱大壩潰壩時的洪水強度，為下游風險區(qū)域的人員和財產(chǎn)轉(zhuǎn)移預留時間，以減輕風險區(qū)域內(nèi)基礎設施和不動產(chǎn)等資產(chǎn)的損失，最大程度上降低人員傷亡風險和減少社會經(jīng)濟損失。

河北省崗南水庫位于滹沱河干流中游，其總庫容15.71 億m3，滹沱河中下游出口處建設黃壁莊水庫，總庫容12.1 億m3。通過對崗南水庫與其下游的黃壁莊水庫進行潰壩聯(lián)合應急調(diào)度調(diào)洪計算[5]。假設崗南水庫在非汛期出現(xiàn)險情潰壩，其潰壩洪水即為黃壁莊水庫入庫洪水。分別模擬崗南水庫潰壩前無預泄、預泄1 h 、預泄3 h等不同預泄情況進行調(diào)洪計算。模擬結(jié)果(見表1)得到上游崗南水庫潰壩前預泄時間越長，下游黃壁莊水庫最高庫水位越低、最大出庫流量越小，出庫流量大于河道安全泄量的歷時也越短，不僅更能保障黃壁莊水庫大壩安全，也有利于減輕下游河道的洪水災害。

表1 不同預泄情況下崗南水庫潰壩后應急調(diào)度調(diào)洪結(jié)果

由表1還可以得知，應急調(diào)度方案的選擇也與大壩安全的風險有關。在上游水庫采用相同預泄方式是，下游水庫采用調(diào)度規(guī)則泄洪或是最大泄流能力泄洪的調(diào)度方式，將取得不同的效果。按調(diào)度規(guī)則泄洪，能控制水庫的下泄流量，出庫流量大于河道安全泄量的歷時也越短，有利于減輕下游河道的洪水災害，但是該調(diào)度方法調(diào)洪歷史長，會對水庫自身安全帶來風險。

2.3 流域地形因素

前面從梯級大壩工程特點方面總結(jié)梯級水庫的風險，除工程因素，流域的地形特征(如河道坡度、水庫間距、河道特征等)也會對梯級水庫風險有所影響。

(1)河道坡度和水庫間距。潰壩洪水對下游的危害來自其兩方面：水量和動能[6]。水庫蓄水量以及流域入流條件決定洪量的大小，潰壩壩前水深和流域地形條件會影響洪水動能的大小。在水庫間距相同的條件下，河道坡度越大，上下游水庫落差大，上游水庫具有的勢能多，轉(zhuǎn)化為動能后，潰壩洪水流速快，到達下游水庫所需時間短；同理，在水庫坡度相同的條件下，水庫間距越大，水庫間的落差大，潰壩洪水到達下游時的流速快，對下游的威脅大。

(2)河谷斷面特征。下游平原水庫潰壩，潰壩洪水使得河道水位抬升，漫溢出河道，這固然會對河道兩岸的平原帶來災害，但同時河道兩岸的洪泛平原起到了分洪的作用，減少了河道內(nèi)的洪水量，減小了河道水位的抬升幅度，減少了下游水庫的入庫洪水量，對保障下游水庫的安全，降低連鎖潰壩風險是有利的；與其相反，流域河道上游水庫潰壩，由于河道狹窄，河道水位漲幅迅速，并且兩岸巖壁陡峭，潰壩洪水拘束在河道內(nèi)沒有分流路徑，造成洪水流速快，水位抬升幅度大，水量集中的特點，給下游水庫的安全帶來較大風險。

3 結(jié) 語

不可否認，梯級開發(fā)在流域防洪與資源利用上為人類帶來了益處，但目前梯級開發(fā)在流域管理不協(xié)調(diào)以及梯級庫群的工程安全性兩方面存在一定的隱患，一定程度上增加了梯級開發(fā)的潰壩風險。由于梯級水庫潰壩影響因素較為復雜，本文主要考慮潰壩洪水造成下游水庫庫水位升高，導致其出現(xiàn)漫頂進而發(fā)生潰壩。然而，潰壩洪水波的動水壓力作用也可能造成大壩壩體失穩(wěn)破壞，其破壞機理和潰壩模式，還需進一步研究。

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[1] 王立輝．潰壩水流數(shù)值模擬與潰壩風險分析研究[D]．南京：南京水利科學研究院，2006.

[2] 杜景燦. 水電建設直面三大問題[J]. 中國投資，2009,(6):98-99.

[3] 李 雷. 大壩風險評價與風險管理[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[4] 傅忠友,張士辰.基于工程實例的重力壩潰決模式和潰決路徑分析[J].水利水電技術,2010,41(9):57-60,71.

[5] 王 冰.梯級水庫聯(lián)合防洪應急調(diào)度模式及其風險評估[C]∥ 天津大學第二屆博士生學術論壇----建筑工程論壇論文集，2009.

[6] 許唯臨.梯級庫群的連鎖潰決[M].北京：中國水利水電出版社,2013.