上游水庫群潰壩對下游水庫的影響分析與應對措施

賈鵬生 張國輝 吳 沛 賈大周

（1南陽市水利建筑勘測設計院；2河南靈捷水利勘測設計研究有限公司）

1 水庫基本情況及潰壩形式分析

1.1 水庫概況

1.1.1 虎山水庫

虎山水庫總庫容9 616萬m3，防洪標準為100 a一遇洪水設計，2 000 a一遇洪水校核。水庫主要建筑物有主壩、副壩、溢洪道、泄洪洞和輸水洞等。主壩為均質土壩，壩頂高程143.60 m。副壩有3處。溢洪道位于大壩右側，最大下泄流量1 462 m3/s。泄洪洞為深孔式無壓拱涵隧洞，最大泄量409 m3/s。水庫設計洪水位141.80 m（吳淞高程，下同），洪水洪峰流量為2 599 m3/s；校核洪水位143.15 m，洪水洪峰流量為4 531 m3/s。

1.1.2 刑川水庫與烈士陵水庫

烈士陵、刑川兩座中型水庫，距離虎山水庫25.70 km，兩水庫為并聯關系。邢川水庫流域面積23 km2，總庫容1 240萬m3；烈士陵水庫流域面積17 km2，總庫容1 338萬m3。兩座水庫洪水標準均為50 a 一遇設計，1 000 a 一遇校核。兩座水庫樞紐也都主要由大壩、溢洪道和輸水涵管等建筑物組成，且均已完成了除險加固，運行正常。

1.2 潰壩原因與潰壩形式

根據潰壩決口的大小潰壩形式可以分為全潰和局部潰，按潰壩過程時間的長短可以分為瞬時潰和逐漸潰。壩的潰決形式與壩型、基礎以及潰壩原因等因素有關。土石壩為安全考慮可按瞬時潰壩考慮。峽谷地區的主壩可能會全部潰決，丘陵區及平原區壩較長，一般只潰主要部分，即橫向局部潰壩。刑川水庫為粘土心墻壩、烈士陵水庫為均質土壩，且大壩均較長，按照“最不利、最可能”原則，結合兩水庫特點，其潰壩形式均按瞬時橫向局部一潰到底分析。

2 潰壩計算與潰壩洪水演進

2.1 刑川、烈士陵水庫潰壩洪水計算

2.1.1 潰壩最大流量

上游刑川、烈士陵兩座中型水庫壩址潰壩最大流量采用肖克列奇經驗公式計算，其中土壩的潰決口長度b值根據黃河水利委員會水利科學研究所經驗公式。

其中：QM為壩址最大潰壩流量，m3/s；b 為潰壩決口平均寬度，m；W為潰壩時的蓄水量，104m3；B為主壩長度，m；K為潰壩流量經驗計算系數，粘土類壩體取0.65，壤土類壩體取1.30；H0為潰壩時水頭或最大水深，m；g為重力加速度，取9.80。

2.1.2 潰壩洪水演進

上游兩座水庫潰決后洪水演進到虎山水庫時的最大流量采用計算簡便且在國內外廣泛應用的李斯特萬公式估算。

式中：QL為演進至控制斷面最大流量，m3/s；L為控制斷面到水庫壩址的距離，m；K 為經驗系數（山區取1.10～1.50，半山區取1.0，平原取0.80～0.90）；VM為特大洪水最大流速（無資料時：山區取3.00～5.00 m/s，半山區取2.00～3.00 m/s，平原取1.00～2.00 m/s）。根據黃河水利委員會水利科學研究所實測資料分析，山區河道VMK可取7.16，半山區取4.76，平原河道取3.13。

2.1.3 計算結果分析

計算得到刑川、烈士陵水庫壩址斷面瞬時橫向局部一潰到底的洪峰流量分別為11 160 m3/s和18 618 m3/s，傳播至虎山水庫最大流量分別為1 875 m3/s，2 122 m3/s，詳見表1。

表1 壩址潰壩最大流量及演進后最大流量計算成果表

潰壩洪水比一般洪水的傳播要快得多，其波速在壩址附近最大，距壩址越遠，波速削減愈快。按流速3 m/s 計算，潰壩洪水傳播至虎山水庫時間為2.40 h。一般來說，潰壩洪水起漲陡，峰值到達快，峰后流量下降比峰前快，將洪水過程概化為三角形，得到潰壩洪水過程的底寬為3.50 h。

2.2 刑川、烈士陵潰壩后虎山水庫入庫洪水計算

上游水庫在發生潰壩之前的洪水為水庫的正常下泄，通過調洪演算得到其下泄過程；潰壩發生后期水庫泄空以后的洪水為天然洪水過程；上述兩個過程與前文計算的潰壩洪水過程組成了上游水庫發生潰壩的完整洪水過程，該洪水過程與區間洪水過程進行疊加后即可得到虎山水庫入庫洪水過程。

上游水庫與區間洪水組合方式為：上游水庫與虎山水庫發生同頻率洪水，區間發生相應洪水。區間洪水過程采用推理公式法計算，并按相應洪水的洪量進行修正。

按最不利情況，刑川、烈士陵水庫同時潰壩情況下，虎山水庫1 000 a一遇洪峰流量為5 929 m3/s，2 000 a一遇洪峰流量為6 687 m3/s，較不考慮兩水庫影響的洪峰流量大61%～63%。

3 考慮上游水庫潰壩的虎山水庫調洪演算

調洪演算計算原則：水庫調洪演算自139.50 m起調，該水位下泄洪洞閘門開啟可下泄358 m3/s，由泄洪閘控制按來水量下泄，保持興利水位；當入庫流量≥358 m3/s時，泄洪閘全部開啟泄洪，同時溢洪道開始參與泄洪，泄流量自溢洪道底部139.50 m計，水庫下泄流量為泄洪洞和溢洪道二者下泄流量之和。

從調洪演算結果來看，考慮上游兩個水庫影響但均未發生潰壩的情況，其洪峰和洪量均小于天然情況，調洪演算水位也低于按天然洪水調洪演算結果。

在考慮潰壩后，由于洪峰和洪量均有較大增長，調洪演算水位有較大增加，最不利情況2 000 a 一遇洪水兩個水庫均潰壩的情形，校核水位相比天然洪水情況增加了0.89 m，已超過現狀壩頂高程0.34 m(143.60 m)；2 000 a 一遇洪水發生一個水庫潰壩(烈士陵)的情況，此時校核水位增加0.44 m，庫水位143.49 m，未超過現狀壩頂高程，考慮波浪爬高（1.31 m）和安全加高后（0.40 m），需要的壩頂高程145.20 m，高于現狀防浪墻頂高程0.20 m。

4 上游水庫潰壩可能性分析及應對措施

4.1 邢川、烈士陵水庫遇超標準洪水潰壩可能性分析

刑川水庫2 000 a 一遇水位比1 000 a 一遇校核水位高0.21 m，考慮壩頂超高后，刑川水庫壩頂高程能夠滿足2 000 a一遇洪水要求，且根據刑川水庫洪水調度原則，當發生接近1 000 a 一遇校核洪水時，在入庫流量＞188 m3/s 時，水庫提前全開閘門泄洪，可進一步降低最高庫水位。

烈士陵水庫2 000 a 一遇水位比1 000 a 一遇校核水位高0.23 m，考慮壩頂超高后，烈士陵水庫壩頂高程僅差0.08 m 即滿足2 000 a 一遇洪水要求，由于現狀溢洪道是在原溢洪道基礎增設4 m高的連接土壩段縮窄而來，可以通過扒開一部分連接壩段，擴寬溢洪道加大泄量等緊急措施來避免潰決。

4.2 應對上游水庫潰壩的措施

4.2.1 加強監測及聯合調度

建議虎山水庫與上游刑川、烈士陵水庫所在的防汛指揮部門對接并建立聯動機制，尤其在汛期要加強對上游兩座中型水庫來水、水位、下泄量、險情等狀況的實時監測，及早掌握上游水情、工情，為虎山水庫防汛調度提供有力支撐。當上游水庫預報可能發生超標準洪水出現險情時，及時將信息傳遞至虎山水庫管理單位，虎山水庫提前開啟閘門泄洪，及早騰出庫容來應對。

4.2.2 加強虎山水庫防汛準備

建議加強水庫自身運行狀況監測，定期排查并消除工程隱患，石料和編織袋等防汛物資設施按儲備定額備足備齊，為迎戰大洪水做好充分的準備。汛期24 h 專人值守，定期進行防汛演練。

4.2.3 3#副壩的應急措施

3#副壩為2004 年除險加固原主溢洪道基礎上封堵而建，在遇緊急情況下，可炸開3#副壩加大泄量降低庫水位，以保主壩安全。

5 結論與建議

①由于在虎山水庫歷次設計中均未考慮潰壩洪水，且潰壩影響因素復雜，相關問題還處于研究階段，故在虎山水庫近期的除險加固工程設計水庫規模仍建議以不考慮上游水庫影響的洪水為依據確定，考慮上游潰壩洪水的計算結果可作為“考慮上游水庫失事對設計水庫的影響”分析的參考。除險加固設計中壩頂高程144.00 m，防浪墻頂高程145.20 m，在壩頂高程上適當留有余地是較為適宜的。②我國水庫眾多，分布情況也較為復雜，洪水標準和工程狀況差異較大，潰壩雖然是一種極端情況，有關計算也尚在研究之中，但在工程設計及運行管理中對上游水庫尤其是水庫群的潰壩影響應引起足夠重視，按照“最不利、最可能”原則合理確定計算工況，進行潰壩洪水分析，并據此提出合理可行的工程及非工程應對措施。③建議加強虎山水庫水情自動測報系統建設，以及時掌握流域雨情、工情，尤其是上游兩座中型水庫的運行狀態。鑒于上游兩個中型水庫位于湖北省，建議由河南、湖北兩省防汛主管部門建立虎山水庫與上游兩座中型水庫的防汛聯動機制。同時，要建立洪水預警機制，制定超標準洪水應急預案，備足防汛物資，做好防汛演練。