水電站潰壩風險評估及安全防護措施應用

王繼福

(巨野縣水務局，山東 巨野 274900)

1 概 述

近幾年，由于社會經濟的快速發展，給自然環境造成較大破壞，提高了自然災害發生的頻率[1]，而且災害的類型也逐漸變多。在眾多災害中，洪水所影響的范圍和造成的損失較大，且發生的頻率較高[2]。同時，隨著社會經濟的發展，大量的水電站應運而生。水電站通常起著發電、航運、養魚、防洪等功能，水庫容量較大，一旦發生潰壩，就會引發洪水災害，給當地居民的生命財產安全造成不可估量的損失[3-4]。所以，研究水電站潰壩風險，并對其破壞范圍進行分析，提出相應的對策具有重要的意義。范鴻杰[5]以DAMBRK模型為基礎，計算分析了官地電站的潰壩風險和影響范圍，并提出了相應對策。

基于此，為了進一步分析水電站潰壩風險并掌握其破壞范圍，本文以某水電站為例進行深入研究，利用瞬時全潰公式計算出潰壩處的最大流量，并通過Mikell模型模擬計算潰壩洪水向下游的演進過程，為相關工程提供指導和借鑒。

2 水電站相關概況

2.1 工程概況

某水電站屬于引水式電站，其壩區、廠區是深切峽谷的河曲，壩址左岸是低山，右岸山勢陡峭，壩址為非對稱V形河谷。該水電站組成包括發電廠房、引水隧洞、混凝土寬縫重力壩等，具體建筑物包括開關站、引水道、攔河壩、發電廠房等。地面式廠房為發電廠房的結構類型，廠房尺寸為140m×23.3m×19.2m(長×寬×高)。堤壩等級為1級，大壩全長、壩頂長以及最大壩高分別為826、845和114m，上下游壩坡分別為1：0.2和1：0.3。其中，溢流壩段長315m，設有7.5m×11.0m溢流孔21個、4.25m×4.25m底孔4個，每個溢流孔泄洪量可達900m3/s。大壩洪水設計標準為千年一遇洪水，校核為萬年一遇洪水，下泄流量最大值為24 750m3/s。水電站發電廠房位于河曲右岸下端，壩前右岸有兩條引水隧洞的進口，洞長為776和760m，洞口直徑為8.5m，均在末端安裝差動式調壓井，并設置兩條壓力鋼管接入發電廠進行發點，鋼管內直徑為5.2m。在發電場內配備4臺水輪發電機組，單機容量達到10×104kW，50和60Hz的周波各兩臺，設計水頭為90。

2.2 水電站地質條件

水電站安全防護設置的結構形式、抗損壞能力、適宜性在很大程度上取決于水電站附近的巖體性質，并且物資運輸道路的規劃和建設也會受到地層性質的影響，所以水電站的地質條件對其安全性、使用性有著關鍵的作用。通過勘查發現，水電站附近巖體類型以火山碎屑巖、安山巖和花崗巖為主。各巖石種類中，火山碎屑巖風化程度為中等，巖體大多不完整，巖體質量等級為Ⅲ、V級，有著中等級別的抗損壞性，屬于較硬巖類；花崗巖、安山巖大多數風化程度不高，上部覆土厚度基本未超過1m，是比較完整的堅硬巖，有著中等級別的抗損壞性，巖石的質量等級為Ⅲ級，其中少數安山巖質量等級為Ⅱ和IV級。

由上述可知，水電站附近巖體上部土層厚度較小，巖體的抗損壞等級為中等，在巖體風化程度較高區域有一定危險，容易被洪水破壞，從而使水電站的運轉受到影響，所以要在水電站周圍地勢較高處建造安全防護設施。

3 評估水電站潰壩風險

水電站水庫庫區庫容最大值和庫區面積分別為46×108m3和103.5km2，是當地重要的天然屏障和水資源，但在利民的同時也存在不小的安全隱患。若是洪水對大壩造成沖擊而導致潰壩，下泄水量會給下游造成巨大的破壞，因此對水庫潰壩風險進行評估是非常有必要的。

3.1 計算潰壩處流量最大值

以時間進行分類，可以將水庫的潰決類型分成逐漸潰與瞬時潰。在研究潰壩風險時，對其可能產生的最壞結果進行預測，以便于制定相應的應對措施。在計算水電站潰壩范圍時，研究預測其最不利的后果，以便采取最有效的措施。所以，選擇瞬時潰壩來計算水電站潰壩的淹沒范圍，同時采用水庫的最高水位和最大庫容。

通過瞬時全潰公式計算潰壩處的最大流量，公式如下：

(1)

式中：Qm為壩址部位的流量峰值，m3/s；B、H分別為大壩寬度和潰壩高度，m；g為重力加速度，m2/s。

選擇概化典型流量過程線法計算潰壩流量過程，公式如下：

(0≤t/T≤0.3)

(2)

(0.3≤t/T≤1)

(3)

(4)

式中：Qm為代表壩址部位的流量峰值，m3/s；T為潰壩出流總時間，s；Q為t時刻壩址處流量，m3/s；W為水庫庫容，m3。

經過計算，得出不同潰壩高度下水庫的峰值流量、出流庫容和出流總時間，見表1。由表1可知，隨著潰壩高度的增大，出流庫容和流量峰值也隨之增大，出流總時間則呈現降低趨勢。表明潰壩高度越大，庫水流出量和流出速度越大，造成的破壞也就越大。

表1 不同潰壩高度下水庫的峰值流量、出流庫容和出流總時間

3.2 計算潰壩洪水向下游的演進過程

選擇Mikell模型來模擬計算此次潰壩洪水向下游的演進過程。其模型計算原理是通過Abbott六點隱式格式來對一維河流非恒定流進行求解，即圣維南方程組。

當發生特殊情況導致水庫受到破壞時，可能會使大壩出現不同深度的潰口。在本次研究中，設定潰口深度依次為5、10、15、20、50m，模擬計算下游地區在各潰壩情況受到的影響程度，同時計算各斷面洪峰在各潰口對應的達到時間和水深，見圖1和圖2。

圖1 各斷面洪峰在各潰口對應的水深

圖2 各斷面洪峰在各潰口對應的達到時間

可以看出，各斷面在同一潰口深度下水深基本相同，距離測區出口距離越短，洪峰所到達所需時間也就越長。測區內河流兩側地形坡度較高，只有小部分沿岸地區地形平緩，地勢較低，有較多的村鎮。經過計算能夠得到，在潰口深度為5m時，岸邊部分村鎮居民區就會被洪水所淹。隨著潰口深度的增加，村鎮被淹沒范圍逐漸增大；在潰口深度達到20m時，村鎮區域就已被完全淹沒；但因為兩邊地勢坡度較大，潰口深度在50m時，洪水也不能穿過兩岸的地形高點。

3.3 分析潰壩風險評估結果和安全防護措施

進過以上分析，水電站防護重點為發電廠和大壩，而且當前對于物資運輸道路的管理和防護較為薄弱，通道的安全防護管理還很薄弱。經過綜合分析，水電站附近為中等級別的抗損壞性巖體，上部土層厚度較小，比較適合地表工事構筑，可以在水電站周圍的山脊和地勢較高處建造安全防護設施，建造方式選擇機械構工。在水電站南側的土體有較高的承載力，地勢平坦，具有良好的建造運輸道路的條件，但也易受到洪水的侵蝕，所以對該區域也要提高防護力度。當大壩在潰壩高度只有5m時，就可以造成較為嚴重的洪水災害，破壞岸邊大多數村鎮，給人民生命財產造成巨大的損失，并且產生大面積積水，阻礙道路正常交通。建議如果有特殊情況發生，要提前降低庫水位和庫容，讓庫水位低于警戒線；要快速、合理疏散可能會受到洪水威脅的居民，保證其安全；對大壩局部區域進行加固，提高大壩強度；在重要的生活設施和工業廠區附近修建防護工程，保證其正常運轉。

4 結 論

為了分析水電站潰壩風險并掌握其破壞范圍，本文以某大壩為例進行了深入分析，結論如下：

1)隨著潰壩高度的增大，出流庫容和流量峰值隨之增大，出流總時間則呈現降低趨勢，表明潰壩高度越大，庫水流出量和流出速度也越大，造成的破壞也就越大；在潰口深度為5m時，岸邊部分村鎮居民區就會被洪水所淹，隨著潰口深度的增加，村鎮被淹沒范圍逐漸增大；在潰口深度達到20m時，村鎮區域就已被完全淹沒。

2)水電站防護重點為發電廠和大壩，且當前對于物資運輸道路的管理和防護較為薄弱。經過綜合分析，水電站附近為中等級別的抗損壞性巖體，上部土層厚度較小，比較適合地表工事構筑，可以在水電站周圍的山脊和地勢較高處建造安全防護設施，建造方式選擇機械構工。在水電站南側的土體有較高的承載力，地勢平坦，具有良好的建造運輸道路的條件，但也易受到洪水的侵蝕，所以對該區域也要提高防護力度。

3)大壩在潰壩高度只有5m時，就可造成較為嚴重的洪水災害，破壞岸邊大多數村鎮，給人民生命財產造成巨大的損失，并且產生大面積積水，阻礙道路正常交通。建議如果有特殊情況發生，要提前降低庫水位和庫容，讓庫水位低于警戒線；要快速、合理疏散可能會受到洪水威脅的居民，保證其安全；對大壩局部區域進行加固，提高大壩強度；在重要的生活設施和工業廠區附近修建防護工程，保證其正常運轉。