西泌河水庫潰壩洪水預測分析

王 維

（貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550002）

0 引言

水庫是我國防洪廣泛采用的工程措施之一。在防洪區上游河道適當位置興建能調蓄洪水的綜合利用水庫，利用水庫庫容攔蓄洪水，削減進入下游河道的洪峰流量，達到減免洪水災害的目的。一旦發生超標準洪水、地震、地質災害、上游大體積漂移物的撞擊、戰爭、恐怖事件、工程隱患等突發事件就可能引起水庫潰壩，嚴重威脅到下游周邊人員的生命財產安全。本文對西泌河水庫的潰壩洪水進行預測，模擬水庫潰壩洪水過程，分析對下游防洪對象的影響，。

1 水庫概況

西泌河水庫工程位于貴州省晴隆縣西泌河下游，是一座具有供水、灌溉及發電等綜合利用的中型水庫，工程等別為Ⅲ等，水庫擋水壩為3級。死水位670 m，死庫容為402萬m3，水庫正常蓄水位為690 m，正常蓄水位以下對應的庫容為1395萬m3，興利庫容993萬m3，設計洪水位691.26 m，校核洪水位694.36 m，總庫容1715萬m3，電站裝機容量8 MW。

西泌河水庫屬于碾壓混凝土重力壩。在基巖穩固的前提下，抗震能力較高，安全穩定性較強，一般不會發生潰壩。但如果出現特大洪水、戰爭等突發事件，水庫可能發生漫壩、潰壩洪水。混凝土壩一般潰決時間較短，因此可能出現瞬時全潰的形式。

2 潰壩洪水計算

西泌河水庫總庫容1715萬m3，壩頂長度為148 m；最大壩高88 m，潰壩前的壩前水深H0=校核洪水位-河底高程＝694.36-629.5＝64.86 m；斷面形狀為矩形，斷面系數m取1.0。

2.1 潰壩洪水水位確定

選擇校核洪水位為潰壩時洪水水位，即694.36 m。

2.2 計算水庫超標洪水時大壩可能潰口寬度

1）根據鐵道科學研究院推薦的經驗公式估算。計算公式為：

式中：b為潰壩決口寬度，m；W為水庫總庫容，m3；B為壩頂長度，m；H為最大壩高，m；K為經驗系數，該水庫為混凝土壩，取K=1.19。

代入相關數據計算出b=146.7 m。

2）根據黃河水利委員會經驗公式估算：

式中：K取0.65。

代入相關數據計算出b=136.9 m。

綜上所述，即西泌河水庫潰壩決口寬度為146.7 m，當發生重大險情時西泌河水庫極可能發生全潰壩。

2.3 洪水計算

1）壩體瞬間全垮時

采用規范《水庫大壩安全管理應急預案編制導則》（SL/Z 720-2015）中推薦的混凝土壩瞬時全潰公式，計算西泌河水庫潰壩時壩址處的最大流量。潰壩時壩址處的最大流量計算公式：

式中：Qm為潰壩時壩址處最大流量，m3/s；m為斷面形狀系數；B為壩址斷面的長度，m；H0為潰壩前的壩前水深，m。

將各參數帶入到公式中，得出：Qm＝8/27×148×9.80.5×64.861.5＝71708 m3/s。

當壩體瞬時全垮時，壩址處的最大流量為71708 m3/s。

2）壩體瞬間垮掉部分（按潰1/2計）且一部分到河床底部時

采用肖克利契公式計算該種情況，公式如下：

式中：Qm為潰壩時壩址處最大流量，m3/s；H0為潰壩前的壩前水深，m；b為缺口平均寬度，m；B為壩頂長度，m。

將各參數帶入到公式中，得出：Qm＝0.9×（148/74）0.25×74×64.861.5＝41371 m3/s。

3）壩體瞬間垮掉部分（按潰1/2計）且未到河床底部時

采用肖克利契公式計算該種情況，潰壩后壩體剩余平均高度取最大壩高一半（44 m），公式如下：

式中：Qm為潰壩時壩址處最大流量，m3/s；H0為潰壩前的壩前水深，m；h’為潰壩后壩體剩余平均高度，m；B為壩頂長度，m。

將各參數帶入到公式中，得出：Qm＝0.9×（64.86-44）2/（64.86-0.827）×148×64.860.5＝7290 m3/s。

三種不同潰決情況下西泌河水庫壩址斷面潰壩的最大流量成果見表1。

表1 西泌河水庫壩址斷面潰壩最大流量成果表

西泌河水庫潰壩決口寬度為146.7 m，當發生重大險情時西泌河水庫極可能發生全潰壩的形式。由表1可知，壩體瞬間全垮的情況條件最惡劣。

3 沿程各斷面最大流量計算

西泌河水庫壩址至匯口的各斷面潰壩最大流量，可采用國內外廣泛使用的李斯特萬公式從壩址節點演進至各斷面計算，公式如下：

式中：QLmax為潰壩最大流量演進至距壩址為L處時，在該處出現的最大流量，m3/s；W為水庫潰壩時的蓄水庫容，m3，1715萬m3；為壩址處的潰壩最大流量（瞬間全跨時），71708 m3/s；L為控制斷面距壩址的距離，m；v為河道洪水期斷面的最大平均流速；無資料時，山區可取3.0 m/s～5.0 m/s；K為經驗系數；山區可取1.1～1.5。

黃河水利委員會水利科學研究院根據實際資料統計分析給出山區河道、半山區河道和平原河道的vK值，本計算部分采用其推薦的山區河道vK=5.2。

根據計算西泌河水庫潰壩洪水到達下游各斷面的最大流量，計算結果見表2。

表2 西泌河水庫潰壩時下游各斷面最大流量成果表

4 潰壩洪水沿程水面線

X9匯口斷面水位流量關系成果見表3。

表3 X9斷面水位～流量關系成果表

本次潰壩洪水水面線計算選擇X9斷面作為起始斷面，根據河道縱橫斷面資料和X9斷面水位流量關系，X9斷面起調水位為587.20 m。以伯努利方程為計算依據往上游逐一試算，推求各斷面的水面相應高程，連接各水面高程點即為潰壩洪水水面線。西泌河水庫潰壩洪水水面線計算成果見表4、圖 1。

表4 西泌河水庫潰壩洪水水面線計算成果表

表5 各計算斷面潰壩洪水起漲時間及洪峰流量到達時間

圖1 西泌河水庫潰壩洪水沿程水面線

5 潰壩洪水傳播時間

根據黃河水利委員會黃河水利科學研究院實驗得出的潰壩洪水傳播公式，可計算出洪水起漲時間t1，計算公式如下：

式中：t1為洪水起漲時間，s；k1為系數，等于 0.65×10-3～0.75×10-3，取平均數為0.70×10-3；L為控制斷面到壩址的距離，m；W為可泄庫容，1715萬m3；H0為潰壩前的壩前水深，m，以校核洪水位高計算，為64.86 m；h0為下游計算斷面在潰壩洪水到達前的平均水深，m。

根據以上公式計算水庫下游各計算斷面潰壩洪水起漲時間，計算結果見表5。

西泌河水庫一旦發生潰壩，壩址洪峰流量將達到71708 m3/s。經計算，西泌河水庫潰壩洪水將在約2 s后傳播到壩后移民復建小橋，水位為634.21 m；在約256 s后傳播到撈寨，水位為614.37 m；在約933 s后傳播到槍寨，水位為600.98 m；在約1174 s后傳播到上規模，水位為593.54 m；在約1719 s后傳播到公路橋，水位為587.20 m。若西泌河水庫發生潰壩，X2斷面處水電站將受到嚴重破壞；X9斷面（即匯口）左岸的土地、橋梁等均將受到嚴重破壞。其余河段的農村居住地均在675 m高程以上，遠高于潰壩洪水水面線。水庫潰壩洪水風險圖見圖2。

圖2 西泌河水庫潰壩洪水風險圖

6 結語

根據西泌河水庫壩址下游相應橫斷面等數據，對洪水漫頂造成的潰壩洪水進行模擬推演，西泌河水庫一旦發生潰壩，壩址洪峰流量將達到71708 m3/s。潰壩洪水將在約2 s后傳播到壩后移民復建小橋，水位為634.21 m；在約256 s后傳播到撈寨，水位為614.37 m；在約933 s后傳播到槍寨，水位為600.98 m；在約1174 s后傳播到上規模，水位為593.54 m；在約1719 s后傳播到公路橋，水位為587.20 m。X2斷面處水電站將受到嚴重破壞；X9斷面（即匯口）左岸的土地、橋梁等均將受到嚴重破壞。

由于潰壩洪水帶來的危害巨大，因此，保證水庫的正常運行至關重要。對潰壩洪水風險評估提供預測，為事故早期預警提供信息，為下游防洪搶險工作提供決策，對防災、保護人民生命財產安全等具有十分重要的意義。