梯級(jí)水電站面臨堰塞湖災(zāi)害時(shí)應(yīng)對(duì)措施研究

鄢 勇

(華電金沙江上游水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 610041)

0 引 言

我國(guó)幅員廣闊，西南、西北以及東北等高山峽谷區(qū)常有滑坡、泥石流等自然災(zāi)害發(fā)生，特別是西南地區(qū)地質(zhì)復(fù)雜，山區(qū)溝谷縱橫交錯(cuò)，山體在巨大勢(shì)能作用下極易發(fā)生岸坡失穩(wěn)。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(duì)較低的枯水季節(jié)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(qiáng)破壞力，同時(shí)具有對(duì)下游造成的災(zāi)害鏈長(zhǎng)等特點(diǎn)，增大了堰塞湖災(zāi)害的處置難度。多數(shù)堰塞湖形成后，將在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生潰決[1-2]，為降低堰塞湖潰決給下游地區(qū)帶來(lái)的不利影響，必須在極短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行人工干預(yù)。

我國(guó)西南地區(qū)水電開(kāi)發(fā)處于新的高峰期，但山體存在大量的滑坡、崩塌點(diǎn)，極易形成堰塞湖災(zāi)害，這勢(shì)必對(duì)已建、特別是在建水電站等造成嚴(yán)重威脅和不利影響[3]。結(jié)合近年金沙江上游發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)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(duì)下游梯級(jí)電站的影響，找出梯級(jí)電站面對(duì)上游堰塞湖潰決洪峰的有效應(yīng)對(duì)措施，為今后發(fā)生類(lèi)似地質(zhì)災(zāi)害采取應(yīng)對(duì)措施時(shí)提供參考。

1 白格堰塞湖對(duì)下游梯級(jí)電站的影響

1.1 白格堰塞湖的規(guī)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(guī)模約有1 000萬(wàn)m3，其中800萬(wàn)m3為“10·10”白格岸坡失穩(wěn)殘留。本次新增量約為200萬(wàn)m3，新增堰塞橫河向長(zhǎng)度約195 m，新增堰塞體順江長(zhǎng)度273 m，堰頂埡口高程約2966 m。堰塞體主要由強(qiáng)風(fēng)化片麻巖發(fā)生高位垮塌碰撞形成的塊碎石土組成。據(jù)測(cè)算，在上游江水持續(xù)來(lái)流情況下，堰塞湖蓄滿時(shí)間預(yù)計(jì)為10.5天，所對(duì)應(yīng)的滿庫(kù)庫(kù)容為7.7億m3(對(duì)應(yīng)2 966 m埡口高程)。

1.2 下游梯級(jí)電站壩址處預(yù)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(shí)間依次按3.5 h和4 h計(jì)算，白格堰塞體處潰決洪峰將分別達(dá)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(jí)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(fā)生時(shí)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(jì)算，各壩址處的洪峰流量將分別達(dá)到34 700 m3/s、29 200 m3/s、28 200 m3/s和28 200 m3/s。

2 梯級(jí)電站面臨堰塞湖災(zāi)害的應(yīng)對(duì)措施

“11·3”白格堰塞湖滿庫(kù)庫(kù)容達(dá)7.7億m3，一旦發(fā)生潰決，將對(duì)下游臨近梯級(jí)電站造成嚴(yán)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(shí)施白格堰塞體人工干預(yù)措施。時(shí)值冬季，要新修12km長(zhǎng)道路到達(dá)堰塞體，無(wú)疑施工組織難度大，短時(shí)間內(nèi)不能實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，因此，下游電站防洪應(yīng)急措施須考慮上游白格堰塞體不能實(shí)施人工干預(yù)的情況。“11·3”白格堰塞湖發(fā)生時(shí)，下游梯級(jí)電站處于在建或建成運(yùn)行狀態(tài)，故需采取不同的應(yīng)對(duì)措施。

2.1 已建成水電站防御堰塞湖潰決洪水應(yīng)對(duì)措施

已建成水電站在面對(duì)堰塞湖災(zāi)害時(shí)，一般通過(guò)梯級(jí)電站的調(diào)蓄作用，適量騰空庫(kù)容來(lái)消納堰塞湖潰決洪水，從而削減洪水級(jí)別[4]。“11·3”白格堰塞湖發(fā)生時(shí)，金沙江中游梯級(jí)梨園、阿海、金安橋、龍開(kāi)口和魯?shù)乩人娬菊幱谶\(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)潰壩洪水分析成果及水庫(kù)運(yùn)行情況，水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì)提出按照堰塞體潰決前和潰決后的“兩階段、四步走”騰庫(kù)實(shí)施方案，11月10日，下達(dá)67號(hào)調(diào)度令，通過(guò)金沙江中游梯級(jí)水庫(kù)騰出足夠庫(kù)容消納潰壩洪水，優(yōu)先使用梨園、阿海、金安橋水庫(kù)攔蓄洪水，分階段對(duì)水庫(kù)進(jìn)行調(diào)度。累計(jì)騰空庫(kù)容約8.07億m3，可用調(diào)節(jié)庫(kù)容達(dá)13.0億m3。金沙江中游梯級(jí)電站開(kāi)展應(yīng)急調(diào)度后，白格堰塞湖潰決在金沙江上游萬(wàn)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(yīng)對(duì)措施

在建水電站工程狀態(tài)的差別，導(dǎo)致防御堰塞湖潰決洪水的應(yīng)對(duì)措施差異較大，且通常較為復(fù)雜。在制定應(yīng)對(duì)措施時(shí)應(yīng)考慮工程建設(shè)狀態(tài)、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(yīng)對(duì)措施為例，探討在建水電站面臨堰塞湖洪水時(shí)的應(yīng)對(duì)措施。

2017年11月，蘇洼龍水電站實(shí)現(xiàn)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(duì)應(yīng)庫(kù)容1.37億m3，在設(shè)計(jì)20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)約403.89 m。下游土石圍堰堰頂高程2 396 m，在設(shè)計(jì)20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)下，堰前水位2 394.6 m。“11·3”白格堰塞湖形成時(shí)，蘇洼龍水電站已進(jìn)入主體建設(shè)期，攔河壩基坑開(kāi)挖基本完成，壩基振沖碎石樁正是施工高峰。

根據(jù)蘇洼龍壩址處的水位、庫(kù)容和導(dǎo)流洞及泄洪洞聯(lián)合泄流能力，蘇洼龍水電站在遭遇白格堰塞體潰決洪水時(shí)，考慮上游圍堰不過(guò)水和過(guò)水兩種情況，為蘇洼龍水電站制定應(yīng)對(duì)堰塞湖潰決洪水措施提供科學(xué)依據(jù)。

2.2.1 加高圍堰擋水

為保證上游圍堰的完整性并充分發(fā)揮其擋水作用，采取上游圍堰加高擋水可作為候選應(yīng)對(duì)措施之一，但需對(duì)其可行性進(jìn)行驗(yàn)證。在遭遇白格堰塞體1/3和1/2兩種潰決方式的洪水時(shí)，經(jīng)調(diào)洪計(jì)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(jì)算成果見(jiàn)表1。

表1 蘇洼龍上游圍堰擋水位計(jì)算成果

從表1可以看出，當(dāng)白格堰塞體在1/3潰決時(shí)，蘇洼龍壩址處上游圍堰的擋水位將達(dá)到2 441.02 m；當(dāng)堰塞體在1/2潰決時(shí)，擋水位達(dá)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(guò)導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)，采用20年一遇洪水時(shí)所相應(yīng)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(xiàn)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(guò)程資料，計(jì)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(shí)的洪水過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 白格堰塞體潰決洪水傳播至蘇洼龍壩址時(shí)的過(guò)程

從圖1可以看出，蘇洼龍壩址處洪峰流量高達(dá)13 750 m3/s，遠(yuǎn)超蘇洼龍上游圍堰抵擋能力。基于蘇洼龍上游圍堰現(xiàn)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(kù)容及潰決時(shí)突發(fā)洪水規(guī)模下降，才能維持蘇洼龍上游圍堰的完整性。經(jīng)計(jì)算和分析得出，白格堰塞體潰決的總水量不超過(guò)4億m3、潰決水位不超過(guò)2 943 m時(shí)，蘇洼龍上游圍堰最高擋水位才不會(huì)高于2 432 m。

蘇洼龍上游圍堰的堰頂寬度10 m，如果在現(xiàn)有圍堰基礎(chǔ)上進(jìn)行加高，一方面圍堰加高高度有限，另一方面存在時(shí)間緊迫、施工難度較大的問(wèn)題，根據(jù)潰決洪水計(jì)算結(jié)果，采用加高上游圍堰來(lái)攔蓄堰塞湖洪水的可行性較差。

2.2.2 開(kāi)挖泄流通道過(guò)水

為避免上游圍堰過(guò)水時(shí)發(fā)生潰決，首先需要分析上游圍堰過(guò)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(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)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(guò)流后堰前最高水位2 437.78 m，基坑內(nèi)水位2 402.83 m，上游圍堰的下游堰面最大流速約23 m/s，遠(yuǎn)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(guò)流，圍堰將潰決。

蘇洼龍上游圍堰堰頂高程2 432 m對(duì)應(yīng)的庫(kù)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(jìn)行了潰堰分析，結(jié)果表明，潰口形成時(shí)的流量分別為43 300 m3/s、28 900 m3/s和21 700 m3/s，聯(lián)合導(dǎo)流洞及泄洪洞泄流流量6 230 m3/s，則潰口形成時(shí)瞬時(shí)合計(jì)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(guò)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(yīng)明顯。因此，為減輕蘇洼龍上游圍堰潰決時(shí)洪水對(duì)下游的影響，有必要考慮對(duì)上游圍堰采取主動(dòng)破口措施。

通過(guò)對(duì)上游圍堰不同破口方案的潰決洪水分析，考慮圍堰過(guò)流的水力學(xué)條件，上游圍堰破口方案應(yīng)考慮從中部向兩側(cè)開(kāi)挖，泄流槽斷面為梯形復(fù)合斷面，底寬10 m，兩側(cè)邊坡1∶1.2。在泄流槽開(kāi)挖過(guò)程中，可根據(jù)兩側(cè)邊坡的穩(wěn)定性，動(dòng)態(tài)調(diào)整泄流槽邊坡坡度。為降低圍堰潰堰潰口形成時(shí)的下泄流量疊加效應(yīng)，在施工工期許可范圍內(nèi)應(yīng)盡可能深挖泄洪槽。

此外，為降低上游圍堰過(guò)水時(shí)的上下游水頭差，在上游圍堰破口完成后，對(duì)下游圍堰進(jìn)行破口，使基坑提前充水。

2.2.3 堰塞湖洪水對(duì)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(diǎn)25分抵達(dá)蘇洼龍水電站壩址；2點(diǎn)25分，堰前水位出現(xiàn)最高值2417.6 m；3點(diǎn)50分，洪峰流量達(dá)到19 800 m3/s，遠(yuǎn)超電站校核洪水標(biāo)準(zhǔn)(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(dá)之前，采取了提前破口形成過(guò)流槽，以降低圍堰的疊加洪水效應(yīng)。洪水過(guò)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(cè)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(yán)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(zhǎng)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(jié) 語(yǔ)

堰塞湖潰決洪水對(duì)其下游梯級(jí)電站具有嚴(yán)重影響，必須提前做好應(yīng)急措施以降低災(zāi)害損失。通過(guò)梯級(jí)水電站(包括已建水電站和在建水電站)在面臨堰塞湖災(zāi)害時(shí)的應(yīng)對(duì)措施的分析研究，可得出如下結(jié)論：

(1)對(duì)于已建水電站，在堰塞湖潰決洪峰來(lái)臨之前，加強(qiáng)流域調(diào)度，發(fā)揮梯級(jí)電站調(diào)蓄作用，適量騰空庫(kù)容消納堰塞湖潰決洪水，削減洪水級(jí)別；

(2)對(duì)于在建水電站，結(jié)合實(shí)際工程狀態(tài)，可采取加高圍堰擋水或開(kāi)挖泄流通道等應(yīng)對(duì)措施，減輕堰塞湖洪水對(duì)在建水電站構(gòu)筑物的破壞，也要考慮降低壩址處瞬時(shí)合計(jì)下泄流量對(duì)下游的影響。