梯級水電站面臨堰塞湖災害時應對措施研究

鄢 勇

(華電金沙江上游水電開發有限公司，四川 成都 610041)

0 引 言

我國幅員廣闊，西南、西北以及東北等高山峽谷區常有滑坡、泥石流等自然災害發生，特別是西南地區地質復雜，山區溝谷縱橫交錯，山體在巨大勢能作用下極易發生岸坡失穩。由于山體滑坡、崩塌等往往伴隨有大量碎石沖擊河道、堵塞江河，特別是在水流流速相對較低的枯水季節極易造成水流中斷，從而形成堰塞湖。高危堰塞湖往往具有大蓄水量和強破壞力，同時具有對下游造成的災害鏈長等特點，增大了堰塞湖災害的處置難度。多數堰塞湖形成后，將在短時間內發生潰決[1-2]，為降低堰塞湖潰決給下游地區帶來的不利影響，必須在極短時間內進行人工干預。

我國西南地區水電開發處于新的高峰期，但山體存在大量的滑坡、崩塌點，極易形成堰塞湖災害，這勢必對已建、特別是在建水電站等造成嚴重威脅和不利影響[3]。結合近年金沙江上游發生的地質災害，尤其是白格岸坡垮塌阻塞金沙江的具體事例，研究白格堰塞湖潰決洪峰對下游梯級電站的影響，找出梯級電站面對上游堰塞湖潰決洪峰的有效應對措施，為今后發生類似地質災害采取應對措施時提供參考。

1 白格堰塞湖對下游梯級電站的影響

1.1 白格堰塞湖的規模

2018年11月3日17：00左右，白格岸坡再次垮塌，阻塞金沙江江水通道，形成“11·3”白格堰塞湖。此次堰塞體規模約有1 000萬m3，其中800萬m3為“10·10”白格岸坡失穩殘留。本次新增量約為200萬m3，新增堰塞橫河向長度約195 m，新增堰塞體順江長度273 m，堰頂埡口高程約2966 m。堰塞體主要由強風化片麻巖發生高位垮塌碰撞形成的塊碎石土組成。據測算，在上游江水持續來流情況下，堰塞湖蓄滿時間預計為10.5天，所對應的滿庫庫容為7.7億m3(對應2 966 m埡口高程)。

1.2 下游梯級電站壩址處預估洪峰流量

按照白格堰塞體堰體1/3潰決和1/2潰決兩種方式、潰決時間依次按3.5 h和4 h計算，白格堰塞體處潰決洪峰將分別達到28 100 m3/s和45 000 m3/s。白格堰塞體下游的金沙江上游河段有葉巴灘、拉哇、巴塘、蘇洼龍等在建梯級水電站，壩址離白格堰塞體距離依次為54.1 km、139.0 km、160.9 km和224.0 km。參照“10·10”白格堰塞湖發生時蘇洼龍壩址處與巴塘壩址處洪峰流量基本相同，按照堰塞體1/2潰決方式計算，各壩址處的洪峰流量將分別達到34 700 m3/s、29 200 m3/s、28 200 m3/s和28 200 m3/s。

2 梯級電站面臨堰塞湖災害的應對措施

“11·3”白格堰塞湖滿庫庫容達7.7億m3，一旦發生潰決，將對下游臨近梯級電站造成嚴重影響和損失。參照“10·11”(堰塞湖名)潰決洪水影響，首先考慮實施白格堰塞體人工干預措施。時值冬季，要新修12km長道路到達堰塞體，無疑施工組織難度大，短時間內不能實現預期目標，因此，下游電站防洪應急措施須考慮上游白格堰塞體不能實施人工干預的情況。“11·3”白格堰塞湖發生時，下游梯級電站處于在建或建成運行狀態，故需采取不同的應對措施。

2.1 已建成水電站防御堰塞湖潰決洪水應對措施

已建成水電站在面對堰塞湖災害時，一般通過梯級電站的調蓄作用，適量騰空庫容來消納堰塞湖潰決洪水，從而削減洪水級別[4]。“11·3”白格堰塞湖發生時，金沙江中游梯級梨園、阿海、金安橋、龍開口和魯地拉等水電站正處于運行狀態。根據潰壩洪水分析成果及水庫運行情況，水利部長江水利委員會提出按照堰塞體潰決前和潰決后的“兩階段、四步走”騰庫實施方案，11月10日，下達67號調度令，通過金沙江中游梯級水庫騰出足夠庫容消納潰壩洪水，優先使用梨園、阿海、金安橋水庫攔蓄洪水，分階段對水庫進行調度。累計騰空庫容約8.07億m3，可用調節庫容達13.0億m3。金沙江中游梯級電站開展應急調度后，白格堰塞湖潰決在金沙江上游萬年一遇洪水被削減為一般洪水[5]。

2.2 在建水電站防御堰塞湖潰決洪水應對措施

在建水電站工程狀態的差別，導致防御堰塞湖潰決洪水的應對措施差異較大，且通常較為復雜。在制定應對措施時應考慮工程建設狀態、堰塞湖潰決洪峰等因素。以在建的蘇洼龍水電站面臨白格堰塞湖潰決洪水的應對措施為例，探討在建水電站面臨堰塞湖洪水時的應對措施。

2017年11月，蘇洼龍水電站實現大江截流。上下游圍堰為土石圍堰，于2018年5月底完建。其中，上游土石圍堰堰頂高程2 432 m，對應庫容1.37億m3，在設計20年一遇洪水標準下，堰前水位2 429.85 m。圍堰頂寬10 m，最大堰高50 m，堰頂軸線長約403.89 m。下游土石圍堰堰頂高程2 396 m，在設計20年一遇洪水標準下，堰前水位2 394.6 m。“11·3”白格堰塞湖形成時，蘇洼龍水電站已進入主體建設期，攔河壩基坑開挖基本完成，壩基振沖碎石樁正是施工高峰。

根據蘇洼龍壩址處的水位、庫容和導流洞及泄洪洞聯合泄流能力，蘇洼龍水電站在遭遇白格堰塞體潰決洪水時，考慮上游圍堰不過水和過水兩種情況，為蘇洼龍水電站制定應對堰塞湖潰決洪水措施提供科學依據。

2.2.1 加高圍堰擋水

為保證上游圍堰的完整性并充分發揮其擋水作用，采取上游圍堰加高擋水可作為候選應對措施之一，但需對其可行性進行驗證。在遭遇白格堰塞體1/3和1/2兩種潰決方式的洪水時，經調洪計算得到圍堰上游水位及泄洪建筑物最大下泄流量，上游圍堰擋水位計算成果見表1。

表1 蘇洼龍上游圍堰擋水位計算成果

從表1可以看出，當白格堰塞體在1/3潰決時，蘇洼龍壩址處上游圍堰的擋水位將達到2 441.02 m；當堰塞體在1/2潰決時，擋水位達到2 448.35 m。在兩種潰決方式下，泄洪建筑物最大下泄流量均已超過導流標準，采用20年一遇洪水時所相應洪峰流量6 180 m3/s，且上游圍堰擋水位將分別高出蘇洼龍水電站上游圍堰現有堰頂高程9.02 m和16.35 m。

蘇洼龍上游圍堰的堰頂高程為2 432 m，參考“10·11”白格堰塞體潰決洪水過程資料，計算得出了蘇洼龍上游圍堰最高可抵御的洪水。白格堰塞體潰決洪水傳播至蘇洼龍壩址處時的洪水過程見圖1。

圖1 白格堰塞體潰決洪水傳播至蘇洼龍壩址時的過程

從圖1可以看出，蘇洼龍壩址處洪峰流量高達13 750 m3/s，遠超蘇洼龍上游圍堰抵擋能力。基于蘇洼龍上游圍堰現有最大擋水能力，只有降低白格堰塞體潰決水位，使白格堰塞湖的蓄水庫容及潰決時突發洪水規模下降，才能維持蘇洼龍上游圍堰的完整性。經計算和分析得出，白格堰塞體潰決的總水量不超過4億m3、潰決水位不超過2 943 m時，蘇洼龍上游圍堰最高擋水位才不會高于2 432 m。

蘇洼龍上游圍堰的堰頂寬度10 m，如果在現有圍堰基礎上進行加高，一方面圍堰加高高度有限，另一方面存在時間緊迫、施工難度較大的問題，根據潰決洪水計算結果，采用加高上游圍堰來攔蓄堰塞湖洪水的可行性較差。

2.2.2 開挖泄流通道過水

為避免上游圍堰過水時發生潰決，首先需要分析上游圍堰過流堰面抗沖能力。上游圍堰為土石圍堰，采用石渣和堆石填筑，堰頂高程2 432 m，下游坡比1∶1.5。大壩基坑建基面高程2 370 m，在設計洪水標準下，擋水水頭約60 m。按白格堰塞體1/2潰決洪水考慮，假定蘇洼龍上、下游圍堰均不潰決，堰頂堰面不破壞，上游圍堰過流后堰前最高水位2 437.78 m，基坑內水位2 402.83 m，上游圍堰的下游堰面最大流速約23 m/s，遠大于石渣或堆石抗沖流速。因此，一旦上游圍堰遭遇白格堰塞體潰決洪水形成過流，圍堰將潰決。

蘇洼龍上游圍堰堰頂高程2 432 m對應的庫容約為1.37億m3，按照圍堰堰體“全潰決”、“2/3潰決”和“1/2潰決”三種潰決方式進行了潰堰分析，結果表明，潰口形成時的流量分別為43 300 m3/s、28 900 m3/s和21 700 m3/s，聯合導流洞及泄洪洞泄流流量6 230 m3/s，則潰口形成時瞬時合計下泄流量分別為49 530 m3/s、35 130 m3/s和27 930 m3/s。上游圍堰在堰體“全潰決”、“2/3潰決”的情況下，潰堰后下泄總流量均大大超過白格堰塞體1/2潰決狀況形成的蘇洼龍壩址處洪峰流量28 200 m3/s，疊加效應明顯。因此，為減輕蘇洼龍上游圍堰潰決時洪水對下游的影響，有必要考慮對上游圍堰采取主動破口措施。

通過對上游圍堰不同破口方案的潰決洪水分析，考慮圍堰過流的水力學條件，上游圍堰破口方案應考慮從中部向兩側開挖，泄流槽斷面為梯形復合斷面，底寬10 m，兩側邊坡1∶1.2。在泄流槽開挖過程中，可根據兩側邊坡的穩定性，動態調整泄流槽邊坡坡度。為降低圍堰潰堰潰口形成時的下泄流量疊加效應，在施工工期許可范圍內應盡可能深挖泄洪槽。

此外，為降低上游圍堰過水時的上下游水頭差，在上游圍堰破口完成后，對下游圍堰進行破口，使基坑提前充水。

2.2.3 堰塞湖洪水對電站的影響

“11·3”白格堰塞湖潰決后，潰決洪水于11月14日1點25分抵達蘇洼龍水電站壩址；2點25分，堰前水位出現最高值2417.6 m；3點50分，洪峰流量達到19 800 m3/s，遠超電站校核洪水標準(PMF: Probable Maximum Flood)12 500 m3/s。

上游圍堰在“11·3”白格堰塞湖潰決洪水到達之前，采取了提前破口形成過流槽，以降低圍堰的疊加洪水效應。洪水過后，上游圍堰沖毀寬度約285 m，其中左岸殘留堰體約82 m，右岸殘留堰體約36 m，殘留堰體頂部及上游側均分布有拉裂縫。下游的大壩基坑基本被淤平，淤積頂高程約2 396 m，超出大壩建基面2 370 m約26 m。混凝土防滲墻蓋帽約150 m范圍破壞嚴重，蓋帽被沖走，下部防滲墻頂部被破壞。下游圍堰沖毀寬度約219 m(圍堰軸線長約405 m)，防滲墻蓋帽約30 m范圍被沖走，下部防滲墻頂部被破壞。

4 結 語

堰塞湖潰決洪水對其下游梯級電站具有嚴重影響，必須提前做好應急措施以降低災害損失。通過梯級水電站(包括已建水電站和在建水電站)在面臨堰塞湖災害時的應對措施的分析研究，可得出如下結論：

(1)對于已建水電站，在堰塞湖潰決洪峰來臨之前，加強流域調度，發揮梯級電站調蓄作用，適量騰空庫容消納堰塞湖潰決洪水，削減洪水級別；

(2)對于在建水電站，結合實際工程狀態，可采取加高圍堰擋水或開挖泄流通道等應對措施，減輕堰塞湖洪水對在建水電站構筑物的破壞，也要考慮降低壩址處瞬時合計下泄流量對下游的影響。