山區水庫土石壩防洪安全及對策

武 清

(新疆水利水電規劃設計管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

自20世紀90年代以來，新疆的水庫建設已從平原水庫全面轉入山區水庫建設，目前已形成以當地材料壩為基本壩型，以瀝青混凝土心墻堆石壩、混凝土面板堆石壩及粘土心墻砂礫石壩等為主要代表壩型的發展趨勢。新疆已建成水庫655座，90%以上水庫大壩均采用土石壩壩型，土石壩在世界壩工建設中是應用最為廣泛和發展最快的一種擋水壩。隨著我區壩工技術的快速發展和施工技術水平的不斷提高，在高海拔、高嚴寒以及深厚覆蓋層上等惡劣條件下，土石壩建設取得了不斷的突破和發展，是我區乃至全國已建或在建水庫中壩高最高的壩型。

從防洪和抗震角度看，由于土石壩表面不抗沖，壩體為未膠結砂石料或堆石料填筑而成，一旦遭遇突發性超標準特大洪水或地震等自然災害時，有可能出現漫頂、塌陷、滑坡和結構破壞等情況，存在導致大壩潰決的重大風險。水庫大多位于偏僻的丘陵山區，潰決時水量突然集中宣泄，峰高量大而水勢迅猛，且沖積范圍大，常造成下游水位暴漲和庫水位陡落，能引起庫區塌岸和其它損失，更嚴重的會導致水庫下游地區災害性的后果。

面對當前氣候等自然條件變化的特點，以及眾多已建中小型水庫存在的現實問題和潛在的安全隱患，對新疆山區中小型水庫安全性和可靠性進行研究和分析，以期提出相應的解決方案和應對措施，成為保證中小型水庫工程建設和安全運行急需解決的關鍵技術問題。

1 土石壩防洪安全性分析

1.1 工程實例分析

2018年，新疆某水庫上游山區發生極端強降雨引發的超標準特大洪水，致使水庫在短時間內漫頂和潰決，造成水庫管理人員和設施，以及下游兩岸巨大的人員和財產損失。水庫失事過程中電力線路、場內外交通道路多處被沖毀，壩后管理站房被淹埋。據本次洪水最大洪峰和洪量量值及過程調查成果，與原水庫設計洪水成果相差極大，致使水庫實際調洪能力嚴重不足，按此超標洪水量級，泄洪建筑物規模明顯偏小，泄洪的安全儲備明顯不足。緊急情況下放空設施無法開啟運行，即便開啟由于泄量很小也無法滿足水庫泄洪放空的實際需求。

該水庫壩頂設置有鋼筋混凝土防浪墻和20cm厚現澆混凝土路面，防浪墻底部基礎在壩頂以下埋深1.5m，壩體下游坡采用一般的碎石護坡。事后殘余壩體斷面勘察，潰口以外的壩體壩頂防浪墻和混凝土路面起到了很好的防沖保護作用，壩頂以外的下游壩坡則基本被沖毀。根據視頻資料顯示，從開始漫頂到潰壩持續時間約2h，提前放空水庫雖然不能避免此次漫頂潰壩事件的發生，但可增加水庫的調洪能力，縮短漫頂的持續時間和減小過壩流量。

水庫由于底孔排沙和放空設施常年不用而失效，遭遇突發洪水時庫水位急速升高，預警和防范時間很短，來不及應對和采取其它措施庫水位即到壩頂，正常操作和人員安全撤離等均不能保證應急預案所規定的時間，從而造成漫頂潰壩失事后人員財產的重大損失。

1.2 入庫設計洪水的安全性分析

水文基本資料關系到設計洪水計算方法的選定及成果質量，設計洪水成果是否合理，直接關系到預設水庫調洪能力大小及水庫今后的防洪安全。

相比河川徑流，新疆山溪性河流洪水具有更大的隨機性，洪水成因復雜。由于各區域流域下墊面條件的差異性較大，河流的洪水成因呈現多樣化分布。2016年8月新疆大青河和阜康白楊河均發生了歷史特大洪水，兩河實測及調查的最大洪峰流量均超過水庫校核洪峰流量。經事后洪水調查，主要為上游暴雨型洪水與堰塞湖潰壩型洪水疊加形成，將該場洪水加入后與原設計成果對比增幅幾乎翻倍。

河流出山口上下游洪水系列往往缺乏一致性，缺乏考證期長的歷史洪水資料。氣候變化對工程場址局地暴雨可能產生的影響，流域下墊面變化對產匯流條件的影響，壩址上游建設調蓄工程可能潰壩對水庫入庫洪水帶來的不利因素，都將對入庫設計洪水成果的安全性產生很大影響。在新疆很多中小河流設計依據站位置較為偏低，位于出山口后的沖洪積扇徑流和洪水散失區，在這樣的河流上開展工程設計，應充分重視設計依據站的洪水還原問題。

水文站通常具有雨量觀測資料，加上氣象部門氣象臺站的雨量觀測資料，故雨量觀測資料比流量資料要豐富，有利于采用設計暴雨推算工程場址的設計洪水。因此，相當多的中小型水利水電工程的設計洪水，是通過設計暴雨洪水計算途徑所獲得。采用推理公式推算設計暴雨洪水，因存在參數選擇合理性的驗證，暴雨設計洪水成果的精度難以評判。對設計暴雨洪水計算而言，新疆地區尚缺有關土壤下滲強度、暴雨衰減指數等方面的查算圖表。采用圖集中流域調蓄經驗單位線法進行設計暴雨洪水計算雖然簡便，但適用區域較窄，僅在天山北坡一帶含冰川補給的中等流域比較適用，擴展到其它地區時，從工程實踐情況分析，成果普遍偏小，設計采用不安全。

庫區上游泥石流的調查和分析，對于暴雨洪水可能產生的附加量以及對工程的影響也是水庫工程設計中需要高度關注的問題。

1.3 泥砂淤積和防沙調度對防洪安全的影響

新疆地處內陸干旱區，有570余條河流，多是山溪性多泥沙河流，具有含沙量大、泥沙粒徑粗等特點，特別是洪水期，水流含沙量高達7～14kg/m3。由于高含沙量導致的水庫淤積，極大地影響了水庫工程的使用壽命。已建成的470余座中小型水庫中，由于庫容淤積嚴重，使用年限大大縮短。克孜爾水庫由于泥沙淤積嚴重，使用年限較設計使用年限縮短近10年。頭屯河水庫、三屯河水庫、紅山水庫以及阿湖水庫等，由于庫盤淤積非常嚴重，致使水庫在汛期不得不降低汛限水位或放空水庫沖砂運行，甚至造成水庫防洪能力嚴重不足，影響了水庫效益的正常發揮及自身的防洪安全。

底孔長期不泄洪或排沙以及高水位運行，水庫相當于一個大的沉沙池，大部分泥沙都可能淤積在庫內，造成水庫淤積年年增加。隨著水庫不斷淤積，上游河床原有縱坡逐年變緩，會加劇淤積的進一步發展和擴展，使淤積更加嚴重。

新疆某水庫設計時預留30年淤積庫容105萬m3作為死庫容，但潰壩后實際測量對比分析發現，水庫運行不到10年庫盤內泥沙淤積約227萬m3，已接近正常蓄水位庫容的一半，還不包括由于潰壩泄空水庫導致的庫內淤積量的減少。由此說明，位于多泥沙河流的山區水庫，由于長期不排沙或無有效的排沙措施和排沙調度，必將會帶來水庫運行期間的大量淤積，從而降低水庫的實際調洪能力。

入庫泥沙分析計算成果直接關系到水庫的淤積計算、防沙調度、合理的使用年限以及使用期內的興利調節和調洪能力，進而影響水庫的防洪安全。因此泥沙成果及合理性分析，也是決定水庫防洪安全的重要因素。

1.4 運行調度對水庫防洪安全的影響

新疆某水庫由于導流放空底孔設計流量很小，不具有沖沙、泄洪以及緊急情況下放空或提前預泄的功能，加上長期不開啟運行，進口或已淤堵，閘門當時已無法開啟，造成了水庫在汛期根本無法實施有效的防洪調度和應急管理。

一些工程將底孔作為泄洪的安全儲備，但在設計洪水工況下調洪和運行時不參與泄洪，導致管理人員放松警惕，在來洪水時經常性不需做調度和閘門開啟運用，雖然便于管理，但也帶來隱患，以至于底孔閘門長期不操作運行。當發生超標準洪水時，泄洪底孔閘門往往無法開啟或來不及開啟，造成泄洪的安全儲備形同虛設。

2 山區水庫提高防洪安全性的對策措施

2.1 設計洪水成果的合理性分析及安全性評價

新疆多數中小河流無實測洪水資料，或水文系列短，在此類河流工程設計實踐中較多采用方法是根據參證站設計洪水和壩址歷史洪水調查評價成果，采用地區綜合法、洪水模數法和水文比擬法，根據設計暴雨推求設計洪峰流量和時段洪量，根據參證站實測典型洪水過程線，采用同頻率或同倍比放大法推求設計洪水過程線。

在設計洪水相關分析中，設計站與參證站的流域面積、高程和位置、下墊面及產匯流條件、洪水成因等與工程所在流域的相似性，以及相同流域上下游條件的一致性，是工程設計洪水分析計算需要重點關注和研究的內容。

開展工程所在流域的歷史洪水調查及成果的合理性分析，是無洪水實測資料地區設計洪水成果計算分析的重要依據。在工程場址歷史洪水調查中對重現期的論證至關重要，調查斷面最好與擬建壩址斷面相應，對于距離壩址斷面較遠的調查斷面勘測的歷史洪水，若考慮坦化和衰減則應極其慎重，對徑流匯集區或坡陡流急的山區則不宜考慮。應盡可能開展時段洪量的調查，同時要注意實測斷面河床沖淤變化對調查洪水計算成果的影響。

另外需要重點關注的是，山溪性河流一般山洪溝發育，復雜地形地貌的下墊面條件，造成了洪水成因的多樣化和復雜性。因此，除應按規范對設計洪水成果進行合理性和安全性評價、論證校核標準修正的必要性外，針對山溪性河流的特點，應充分利用遙感資料進行排查，并通過調查確定工程以上流域現存的堰塞湖數量、分布情況及容積等，估算其潰決洪水。

臨近流域由于建設跨流域引水工程，也會對工程所在流域形成匯流通道，在沖洪積扇河段修建水庫工程，還應分析相鄰流域或洪溝洪水漫流可能匯入本流域的區間洪水和疊加組成。本文提及的工程案例，即存在相鄰流域洪水匯流的條件和影響。

山區及偏遠地區山溪性河流修建水庫工程，因實測資料匱乏，應對運行過程中實測資料的收集及歷史洪水調查進行持續關注，根據新的資料條件對原水庫設計洪水成果進行復核，如有必要應適時調整和降低汛限水位運行。

2.2 洪水標準及保壩洪水的設置

無資料地區的山區小型水庫，局地暴雨多發區，或上游有水庫、下游有重要設施的工程，設計洪水及校核洪水標準宜取規范規定的上限，校核洪水洪峰流量成果也可按規范加大15%～20%。

對于既無實測資料也無歷史調查洪水成果，或調查資料可靠性差、上游有存在潰壩風險的水庫或跨流域引調水工程、采用暴雨圖集推算的設計洪水成果的河流上建設水庫工程，經過論證必要時可設置保壩洪水，或增加防止洪水漫壩的非常泄洪設施，加大泄洪建筑物的安全儲備。

為了增加安全性，避免閘門因突發事件而打不開的情況發生，在水庫調洪演算時，應復核底孔不泄洪而只有表孔按最大設計流量泄洪的運行工況下，發生校核洪水時水位不超過壩頂的保壩要求。

對于早期修建的土石壩，應結合區域降雨、徑流條件，每隔5～10年進行洪水復核分析，當出現洪水偏小情況時，應及時采取補救措施，確保工程的安全運行。

2.3 泄洪建筑物的設置及其規模

同時設置表孔和底孔兩種泄洪方式是必要的，低壩宜設置表孔和底孔兩個泄洪設施，高壩宜表、中、底孔均設。對于泄洪建筑物分散布置或管理不便的水庫工程，表孔宜采用開敞式無閘控制泄洪方式，且采用溢洪道的型式。宜盡量利用巖質岸坡或自然沖溝開挖布置溢洪道，以增加超泄和抗沖刷能力。泄洪底孔需兼做水庫的放空設施，高壩可結合底、中孔根據不同的水位來安排不同的預泄和放空設施。

底孔在防洪調度時可設定一定的限泄流量，需滿足水庫提前預泄或放空的功能要求。同時在汛期低水位或空庫條件下，利用洪水可實現低水位集中沖沙排沙的防沙調度，防止底孔長期不運用而導致進口被淤堵的可能，同時可排沙減淤，延長工程的使用壽命。因此泄洪底孔的泄流規模不宜過小，一方面可參與水庫的防洪、防沙調度，另一方面也可作為水庫泄洪的安全儲備來考慮，以增加防洪調度的安全性和靈活性。底孔參與泄洪有利于放空設施的經常性開啟和排沙調度運行。

泄洪設施和通道的暢通也是保證遭遇突發性洪水時防洪安全的重要因素，對不同泄量和水位下的流態變化，泄洪通道的實際泄洪能力需經過認真分析，必要時應結合模型試驗來驗證和調整，應保證溢洪道的水流處于非淹沒和急流運行狀況。避免較大漂浮物對泄洪建筑物進口堵塞的風險。

在無增加泄洪設施的條件下，低壩在壩頂及后壩坡相應位置可采取相應的防護措施，使洪水漫壩時在預設的防護段下泄，以抗沖刷和縮短水庫漫壩的持續時間，避免由于短歷時、強降雨或突發洪水而引發不必要的潰壩風險。

對水庫放空設施工作閘門和啟閉設施的管理和檢查必須按操作規程，保證其可經常性操作運行，并防止進口被淤堵的情況發生。

2.4 確保水庫具有相應的調洪能力

(1)要充分利用洪水對庫盤采取異重流、高渠沖沙或低水位大流量集中沖沙等多種排沙方式。高水位對處于調洪庫容、尤其是庫尾的推移質泥砂排沙效果不明顯，只有低水位或空庫條件下，排沙減淤效果明顯。因此，底孔設計流量宜滿足造床流量或常遇洪水要求。

(2)水庫的淤積與預期合理的使用年限有密切關系，在對水庫不同時期的淤積庫容計算時，要對其淤積形態，淤積后的庫容曲線等作出合理的預測，結合底孔排沙設施的布置和水庫排沙調度運行，以及運行管理的強化和執行，確保水庫興利和防洪切實發揮作用。

(3)早期高壩一般施工期及后期沉降量可達壩高的0.6%～1%，目前一般可控制在0.5%左右。但在水庫壩工設計時，仍應充分考慮壩體沉降而導致的超高不足。對于庫區存在滑坡或泥石流等地質災害的工程，設置壩頂超高也應考慮上述因素可能帶來的不利影響。

2.5 調度運行及應急管理措施

(1)加強防洪調度及應急管理，提高監測預警的可靠性，增加管理人員及下游河道兩岸人員的防洪意識，加大水雨情測報系統的投入與建設，保證防洪搶險物資與應急部隊的調運。

(2)壩頂寬度宜適當加大，滿足緊急情況下應急搶險的要求，交通道路設施應安全可靠，并形成閉合環路，且不與泄洪設施或泄洪通道交叉布置，以保證搶險和撤離路線的安全順暢。

(3)制定不同階段的汛限水位，汛期采用汛限水位動態控制運用方式，可充分利用初汛、汛末洪水相對較小的規律，按汛限水位運行以緩解供需矛盾；利用主汛期洪水較大的規律降低汛限水位以減輕水庫和下游的防洪壓力，同時也便于水庫汛期實施低水位沖淤排沙，便于管理和靈活調度。

(4)水情自動測報系統的建設，是對水情的提前預報，是增加預警時間和提前采取措施必不可少的重要手段。對此，加強水庫防洪調度及應急管理，確保水雨情自動測報系統和備用電源等應急管理設施等配備以及設施的安全，增加管理單位的應急處突能力至關重要。

(5)對于處在人口稠密及工況企業密集區域上游的山區水庫，應增加水庫的泄洪和調洪能力，設置多種泄洪通道及必要的安全儲備，有利于加大水庫防洪調度的靈活性及安全性，對遭遇超標準突發性洪水時，增加預警和應急反應時間，防止大壩漫頂和潰決的風險防控和應急管理，以及延長工程的使用壽命，都具有實際意義和效果。

3 結論

流域發生異常特大暴雨，山體發生大面積滑坡或泥石流等自然災害，上游發生垮壩時，因入庫流量超過水庫設計標準，或水庫突然淤積導致庫水位異常升高，會對土石壩防洪的安全性帶來影響，嚴重時可能破壞大壩的穩定性甚至造成洪水漫壩等災害性后果。

從增加山區水庫土石壩防洪的安全性分析，除提高設計洪水成果的可靠性及水庫設防標準、加大保壩校核洪峰流量外，采取加強水庫入庫洪水的預測和研判，增設底孔泄洪建筑物并加大泄洪規模，實施汛期汛限水位的動態管理及提前預警、預泄，保證其防洪和排沙的靈活調度，確保水庫的調洪能力等應對措施是必要的，在技術上是容易實現的。同時，加大突發事件的應急調度和管理，從而降低水庫潰壩的風險，也是各級管理部門需要高度重視的問題。