毛灘河水庫潰壩洪水分析及對策研究

王維東

(湖北省利川市水利水電工程質量監督站，湖北 利川 445400)

0 引 言

潰壩洪水分析是潰壩應急管理中的一項重要工作，根據大量壩體潰決實踐經驗分析發現，不同壩型的壩體潰決方式有較大差異，如：拱壩、混凝土重力壩等剛性壩，往往是瞬時潰決，并伴有局部潰決情況；土壩、堆石壩等散粒體壩，耐沖蝕能力差，一旦洪水漫過壩頂會出現沖坑，隨著洪水作用時間的延長，沖坑規模擴大、壩體穩定性變差，最終導致局部潰決，并且在短時間內迅速擴大。對此，必須科學開展水庫潰壩洪水分析，并做好相關調度應急管理工作研究。

1 水庫潰壩洪水特點

1.1 潰壩洪水特點

潰壩洪水破壞力巨大，根據大量的教訓總結分析顯示，潰壩洪水特點包括如下幾點：

1)潰壩洪水是一種非恒定流不連續波運動；

2)潰壩洪水突發性強，較難準確預測，潰壩的發生、潰壩洪水的形成往往是在幾分鐘至幾個小時內；

3)潰壩洪水峰高量大、變化急劇，最高可達暴雨洪水數倍乃至數十倍；

4)潰壩洪水在初始階段常以立波形式向下游急速推進，水流破壞性強。

1.2 潰壩洪水分析內容

潰壩洪水分析是潰壩應急管理工作的基礎，具體分析內容如下：

1)潰壩機理研究：采取物理試驗、大壩安全鑒定、現場核查等方法，分析大壩潰決的發生、發展過程。

2)潰口洪水數值模擬：計算潰口形狀演變、潰壩壩址流量、水位過程線，潰口包括瞬時潰決、逐漸潰決兩種。

3)潰壩洪水演進數值模擬：計算洪水向下游演進各時刻水深、流速、淹沒歷時，對洪水演進問題，一、二維潰壩問題分別采用圣維南方程、淺水方程描述。

4)潰壩洪水演進可視化技術：將潰壩數值模擬結果利用計算機直觀展現，如可利用GIS技術動態仿真演示洪水淹沒過程。

2 毛灘河水庫潰壩洪水分析

2.1 水庫概況

毛灘河水利水電樞紐工程屬小(1)型水庫，大壩為混凝土拱壩，壩址控制流域面積253.5km2，多年平均流量8.43m3/s。水庫正常蓄水位505m，校核洪水位506.83m，設計洪水位505.04m，死水位為500m，總庫容170.6萬m3，調節庫容48.4萬m3。

2.2 突發性洪水潰壩分析

本工程可能導致水庫潰壩因素為超標準洪水，具體分析如下。

2.2.1 水庫潰壩形式

該工程壩體為混凝土拱壩，為剛性壩，穩定性較好。從潰壩時間上來看，剛性壩發生潰壩的時間很短，幾乎為瞬間完成，因此，該工程壩體潰壩形式為瞬間潰壩。根據壩型的特點分析，及剛性壩失事經驗，潰壩時以整個大壩潰到壩基為主。因此，經過分析，本工程潰壩形式為瞬間全部潰壩。

2.2.2 潰壩洪水及其演進計算

根據圣維南公式計算如下：

1)壩址處潰壩最大流量計算：

全部潰壩：

(1)

局部潰壩：

Qm=0.9B1/4b3/4H03/2

(2)

2)潰壩最大流量向下游演算：

(3)

式中：Qm為壩址處潰壩最大流量，m3/s；B為潰壩時沿壩前水面寬度或壩頂長度，m；b為局部潰決口寬度，m；h為潰決后剩余壩高，若未剩余h=0；H0為水頭，潰壩前上下游水位差，m；H為壩高，m；Qxm為演進至下游某處潰壩最大流量，m3/s；W為水庫潰壩時的庫容，m3；L為下游某處距壩址的距離，m；V為河道洪水期斷面平均流速，取4.0 m/s；K為經驗系數，取1.1。

3)潰壩洪水傳播時間計算

采用黃河水利委員會水利科學研究所實驗求得的潰壩洪水傳播時間計算公式，最大流量到達時間計算如下：

(4)

式中：K2為系數，等于0.8-1.2，本工程K2取1.0；hM為下庫河道水深，m；H0為下游斷面水深，m；W為潰壩庫容，m3；t2為最大流量到達時間，s。

4)潰壩洪水水位計算

各控制斷面水位根據洪水流量采用水力學公式計算：

(5)

式中：Qn為演進至下游某處的潰壩最大流量，m3/s；A為過水面積，m2；R為水力半徑，m；J為河床比降；n為河道糙率。

毛灘河水庫總庫容為192萬m3。本次演進流量計算斷面布置在集中居民點附近，毛灘河水庫壩下潰壩洪峰流量見表1，經計算得潰壩壩址Qmax=38805m3/s；下游影響范圍斷面演進流量、潰壩計算成果見表2、3。

表1 毛灘河水庫潰壩洪水計算表

表2 毛灘河水庫潰壩流量 m3/s，m

表3 毛灘河水庫大壩潰壩洪水計算成果表(壩頂高程瞬時全潰)

3.3 水庫潰壩洪水的危害分析

3.3.1 對下游防洪工程、重要保護目標的影響

水庫下游有長順電站水庫，為中型水庫，總庫容6833萬m3，毛灘河水庫總庫容為192萬m3，毛灘河水庫潰壩洪水對長順電站水庫大壩的影響微小，主要影響范圍涉及1個鐘臺村。壩址下泄洪水影響范圍情況見表4-6。

表4 不同頻率下泄洪水撤離住戶調查統計表

表5 10a一遇洪水泄洪影響區撤離高程

表6 100a一遇洪水泄洪影響區撤離高程和撤離對象

3.3.2 對上游可能滑坡崩塌位置的影響

毛灘河水庫壩頂右側有山上掉落的裸石，因此存在發生山體滑坡的可能，其他地段可能引發局部、零星、小范圍坍岸和崩塌造成堰塞湖。

4 毛灘河水庫潰壩調度應急管理工作

4.1 應急組織體系框架

毛灘河水庫應急組織和執行，由當地政府湖北省利川市人民政府、文斗鄉政府、水庫水行政主管部門利川市水利局、水庫管理單位及其它相關部門組成。Ⅰ級響應應急指揮系統一般由分管水利的利川市分管水利副市長擔任指揮長，市政府公安局、水利局領導任副指揮長，其他部門擔任成員。Ⅱ級響應應急指揮系統由湖北源泰水電開發有限公司董事長擔任，公司相關成員組成。如下圖1所示即為利川市應急預案框圖。

圖1 利川市應急預案框圖

4.2 搶險調度工作

洪水搶險應根據雨情和庫水位變化情況，在毛灘河水庫防汛搶險應急指揮部及利川市防汛抗旱指揮部的統一領導下，采取不同的應急措施。當毛灘河水庫遇超過水庫校核洪水、水庫出險等情況的調度原則、調度方式、應急措施如下：

1)當水庫遭遇30a一遇洪水時壩前水位且有上漲趨勢、同時來水流量加大，應及時向下游可能受到洪水威脅的居民發出洪水警報，啟動相應應急預案，密切關注壩前洪水位變化情況。

2)當毛灘河水庫遭遇超標準洪水時，要立即根據毛灘河水庫水位情況，按泄洪操作規程要求進行泄洪，以減小大壩失事造成的潰壩洪水淹沒影響。

3)出現水庫大壩樞紐工程險情征兆時，根據毛灘河水庫水位情況，按操作規程開啟放水設施要求進行泄洪。控制庫水位在正常蓄水位505.00m以下，必要時降至死水位500.00m以下甚至放空，毛灘河水庫搶險調度以確保水庫大壩樞紐工程本身的安全，并以盡量削減下游洪峰為原則。

4)當毛灘河水庫大壩樞紐工程出現險情時，由湖北源泰水電開發有限公司應急指揮部會商后，制訂水庫搶險調度方案，經指揮部批準后執行，并做好人員、財產轉移工作。

4.3 應急管理工作

根據毛灘河電站工程特點以及水庫突發事件可能帶來的危害，為加強應急管理工作，設立毛灘河電站應急搶險指揮部。毛灘河水庫Ⅰ級突發事件應急搶險指揮部成員與利川市防汛抗旱指揮部成員一致，Ⅱ級突發事件應急搶險指揮部成員為湖北源泰水電開發有限公司防汛應急搶險指揮部。

1)應急搶險

根據前行水庫出現的不同原因、部位科學制定搶險措施，具體要點包括：一是做好天氣及洪水預報，氣象部門加強災害性天氣監測、預報工作，做好水情監測科學預測洪水發生與變化；二是一旦遭遇超標準洪水，要立即根據毛灘河水庫水位情況，按泄洪操作規程要求進行泄洪，以減小大壩失事造成的潰壩洪水淹沒影響。

2)應急監測與巡查

毛灘河水庫入庫洪水量級超過30a一遇標準后，立即增加大壩監測與巡查頻率，大壩表面每小時觀測1次，輸泄水建筑物、閘門、啟閉設備、電源每日檢查4次，并做好相關記錄，具體監測與巡查內容如下：

①壩頂相鄰兩壩段間是否存在不均勻位移或沉陷，伸縮縫、兩岸邊坡接縫開合情況，大壩有無裂縫和滲漏壓力過大。

②溢洪道裂縫、變形、剝蝕情況，放水豎井穩定情況，大壩漏洞、位移情況，壩體滲水出流等情況。

③兩岸邊坡是否穩定，防汛公路是否暢通。

④啟閉設備是否正常。

3)水庫下游應急撤離

毛灘河水庫下游為重點轉移對象。當毛灘河水庫下泄流量超過下游河道安全泄量時，由毛灘河水庫通知市防洪辦、文斗鄉人民政府，由文斗鄉人民政府通知下游管轄社區和村社，按“安全轉移預案”做好人員、財產轉移工作。

撤離方案程序如下：水庫大壩險情失控→利川市人民政府發出警報→利川市人民政府文斗鄉人民政府協調實施→轉移方案→民政、農業、交通等部門協作→遵照原則、實施轉移→安全安置。

5 結 語

綜上所述，水庫是作為流域防洪防汛設施，發揮著重要的洪水調度管理作用。一旦水庫大壩潰決，將形成極具破壞性的潰壩洪水，威脅周邊群眾生命財產安全。為提高我國水庫安全管理水平，落實洪水調度、應急管理工作十分重要，切實增強水庫對突發事件的應對能力，保證區域安全穩定發展。