極端工況下梯級水電樞紐群大壩連潰情景分析

收稿日期：2023-07-11；接受日期：2023-10-06

基金項目：國家自然科學基金重大項目（52192671）;北京市教委科技計劃一般項目（KM202310005023；KM202210005017）

作者簡介：周晉軍，男，講師，博士，主要從事城市水文循環研究。E-mail：zhoujj@bjut.edu.cn

通信作者：王昊，男，講師，博士，主要從事水動力學模擬研究。E-mail：wanghao87@bjut.edu.cn

EditorialOfficeofYangtzeRiver.ThisisanopenaccessarticleundertheCCBY-NC-ND4.0license.

文章編號：1001-4179（2024）03-0029-06

引用本文：周晉軍，孔子辰，王昊，等.極端工況下梯級水電樞紐群大壩連潰情景分析［J］.人民長江，2024，55（3）：29-34.

摘要：

為分析極端工況下梯級水電樞紐群可能出現的最大連潰災難，提出了兩種潰壩工況：一種針對土石壩或受損及病險的重力壩與拱壩，認為大壩漫頂即潰，且全潰；另一種針對正常運行的重力壩和拱壩情形，認為漫頂不潰，采用堰流公式計算下泄水量，并采用洪峰展平公式計算兩種工況下潰壩洪水向下游的演進過程。以大渡河流域13座梯級水電樞紐群為例展開分析。結果表明：下游瀘定、大崗山、瀑布溝大壩能夠抵擋和削弱一部分上游潰壩洪水，是流域的控制性大壩；工況一（漫頂即潰）發生時的潰壩影響比工況二（漫頂不潰）發生時的影響更為惡劣，水量更大，持續時間更長，產生的峰頂流量更大；漫頂即潰時的下泄流量過程與庫容、距離以及起潰水位有關，而漫頂不潰壩時，下泄流量過程與庫容、起潰水位、壩型選擇密切相關；“上小下大型”梯級電站布局和以重力壩、拱壩為主的壩型選擇將有效降低梯級水電樞紐群發生大壩連潰的風險。研究成果可為梯級水電樞紐群大壩連潰風險分析提供理論支撐及技術參考。

關鍵詞：

梯級水電樞紐群；大壩連潰；潰壩洪水；極端工況；洪水演進

中圖法分類號：TV122.4

文獻標志碼：A" " " " " " " DOI：10.16232j.cnki.1001-4179.2024.03.005

0引言

中國是世界上水庫大壩最多的國家［1］，在水能資源集中的西南地區存在數量較多的梯級水電樞紐群［2］。該地區地質條件復雜，構造運動強烈［3］，老舊病險大壩較多，梯級水庫群失事的風險較大，對下游的生命財產安全構成巨大威脅。因此，有必要對梯級水電樞紐群開展潰壩及連潰風險分析。

目前，國內外學者通常采用DB-IWHR模型（由陳祖煜院士提出的土石壩漸進式漫頂潰壩數學模型）［4］模擬潰壩過程。如胡良明等［5］采用DB-IWHR潰壩模型計算土石壩潰壩過程，又通過調洪演算把上下游水庫聯系起來，建立了梯級水庫土石壩連續潰壩模型。周興波等［6］在DB-IWHR潰壩模型基礎上進行堰塞湖的反演分析，可為類似土石壩、堰塞壩風險分析和處理提供參考系數。郭新蕾等［7］基于DB-IWHR模型理論框架，研發了水庫群連潰數值模擬平臺，并針對控制梯級壩的空間分布類型，分析極端工況運行時產生的后果。李炎隆等［8］基于正交試驗法，以西南某河上虛擬的三級梯級水庫為例，對潰壩模型DB-IWHR進行參數敏感性分析，可以為潰壩分析方法的選擇提供參考。楊子俊等［9］采用DB-IWHR模型預測了金沙江白格堰塞湖的潰壩洪水演進過程。Hu等［10］通過FRC和FRS獲得上下游水庫的水力特征后，基于DB-IWHR模型建立了梯級水庫潰壩全過程數值模型，并通過CRBS評估了梯級水庫潰壩風險。詹明強等［11］以某面板堆石壩為例，通過洪水預報模型Dambreak模擬計算了大壩在不同情況下的潰壩過程，為制定應急管理方案提供參考。

Hu等［12］通過可視化軟件分析地震情況下的潰壩形式，更加全面地了解了潰壩波的原理；Kalinina等［13］等采用PCE模擬瑞士大壩的潰壩過程，為后續的風險評估工作提供基礎；Rˇíha等［14］人通過經驗公式、水動力模擬等方法對潰壩進行分析，并使用潛水流水力模型模擬潰壩洪水路線，估算潰壩的峰值流量，為后續風險評估工作提供了依據；Gu等［15］從社會和環境兩方面介紹了土石壩潰壩的原因和模式，以及相應的潰壩損失，并基于模糊綜合評價方法，制定了土石壩潰壩對社會和環境影響的評價指標體系和準則。Liu等［16］為了研究潰壩水流在復雜地形上的擴散，利用VOF進行了三維數值模擬，闡述了水波傳播過程；Amini等［17］采用集成ArcMap和HEC-RAS軟件，根據野外觀測資料模擬了Vahdat大壩潰壩洪水過程，估算了最大泄洪量和潰壩停止時間；Chen等［18］通過數值方法模擬了潰壩全過程，探討了潰壩波的傳播原理；Li等［19］在分析風險形成路徑的基礎上，建立了包括危害因素、暴露因素和脆弱性因素的風險評價指標體系，將變量模糊集理論引入生命損失風險等級風險評估中；Jiang等［20］采用二維水動力模型模擬潰壩及之后的洪水演進過程，并進行了風險評估；楊忠勇等［21］分析了某河流上的梯級水庫在多種潰壩情況下對下游地區的淹沒情況；Bornschein［22］等介紹了3種不同的潰壩計算方法，分析了地形和粗糙度對潰壩洪水波模擬的影響。

近年來，貝葉斯網絡逐漸被用于大壩安全風險分析領域。Cai等［12］將貝葉斯網絡模型與DB-IWHR模型相結合，建立了貝葉斯網絡為理論基礎的梯級水庫群系統失效風險率模型，量化了系統中各水庫及其整體在原設計參數和建議設計參數情況下失效風險，可以降低梯級大壩系統洪水風險分析的主觀性。林鵬智等［13］采用貝葉斯網絡，基于統計資料并結合專家經驗，將上游潰壩洪水、超標準洪水和強地震作為關鍵風險因素，建立了3種因素單獨、組合作用下的貝葉斯網絡風險模型，嘗試解決現有大壩風險分析方法中多針對單庫、且不能有效考慮不確定性因素的局限問題；李平等［14］通過構建雙庫連潰的貝葉斯網絡模型，推求了四川省大渡河上相鄰兩梯級水庫潰壩概率并進行了風險評估。劉家宏等［15］充分考慮梯級水電樞紐群風險級聯傳遞規律和災害放大效應，基于貝葉斯網絡提出了梯級水電樞紐群可能最大災難的量化分析方法。

綜上所述，國內外學者主要通過機理模型模擬潰壩洪水致災因子的時空特征，采用數學方法分析災害風險網絡的傳遞機制，其中貝葉斯網絡分析方法是目前研究的熱點，但主要用于兩級或三級的連潰分析，少有研究對于整個流域梯級水電樞紐群的連潰風險進行分析。

本文聚焦于梯級水電樞紐群可能發生的最大潰壩災難，設置兩種極端工況，以大渡河流域13座梯級水電樞紐群為例，研究梯級水電樞紐群大壩的連潰問題。

1研究方法

本文設置兩種極端工況：工況一，假設流域梯級水電樞紐群中大壩處于病險狀態，或遭受地震，或人工破壞，不論是何種壩型，只要大壩漫頂就發生潰壩，且為瞬間全潰；工況二，假設流域內大壩處于正常運行狀態，土石壩（含砌石壩）漫頂即潰壩，重力壩、拱壩（僅考慮混凝土材質的部分）漫頂過流不潰，并采用堰流公式計算下泄水量。兩種工況都采用洪峰展平公式演進潰壩洪水向下游的傳遞過程。

1.1潰壩工況設置

1.1.1工況一

此工況假設大壩水位漫頂即發生潰壩，從流域第一座大壩開始潰壩后，依次分析下游大壩可能發生的潰壩情況。如圖1所示，當流域中大壩1瞬間全潰后，以10s為時間步長（即以10s為時間間隔進行水庫潰壩洪水下泄計算分析），然后采用“統一公式”計算出各時段的潰壩流量水位。當水位低于其死水位時認為潰壩過程停止。采用洪峰展平公式進行潰壩洪水演進計算，當大壩1的潰壩洪水演進至大壩2，基于大壩2的水位-庫容曲線開始對大壩2進行調洪演算，當水位超過大壩2的壩頂時，認為大壩2潰壩，重復上述潰壩洪水過程及洪水演進計算，直至不潰停止，使該流域內末級大壩外所有大壩均完成此過程。

1.1.2工況二

此工況假設土石壩水位漫頂即發生潰壩，重力壩和拱壩漫頂不潰，選擇潰壩公式計算漫頂后下泄流量，同樣從流域第一座大壩開始潰壩后，依次分析下游大壩可能發生的潰壩情況。如圖2所示，首先，對于土石壩選擇“統一公式”計算潰壩流量水位，對于重力壩、拱壩，選擇合適的堰流公式計算泄流量。取10s為時間步長，當水位已達壩頂時，采用“統一公式”（土石壩）或堰流公式（重力壩、拱壩）計算下泄流量，并確定水位，當土石壩水位低于死水位、重力壩和拱壩水位低于壩頂高程時，潰壩計算過程結束。然后大壩1下泄洪水演進至大壩2，并進行大壩2的調洪計算，當水位到達其壩頂時，再進行類似大壩1的潰壩洪水計算，并將大壩2的潰壩洪水過程演進到下一級大壩。重復上述潰壩洪水過程及洪水演進計算，直至不潰停止，使該流域內末級大壩外所有大壩均完成此過程。

1.2計算公式

1.2.1統一公式

本文潰壩流量計算采用謝任之［16］提出的“統一公式”，該公式將河谷斷面概化為矩形斷面：

式中：Qm為峰頂流量，m3/s；λ取8/27，為流量參數；B0為壩址河谷寬度（默認河道寬度與壩長相等），m；g為重力加速度，9.8m/s2；H0為潰壩前上游水深，m。

1.2.2堰流公式

重力壩、拱壩（即混凝土壩）漫頂過流不潰壩時，根據δ/H的值來判斷堰流類型［17］：

δ/Hlt;0.67為薄壁堰流，公式為

式中：δ為堰頂厚度，m；H為堰頂水頭，m；m為流量系數，一般m在0.32～0.385之間；b為堰寬，m。

0.67lt;δ/Hlt;2.5為實用堰流，公式為

式中：c為上游堰面坡度影響系數，當上游鉛直時，c值取1.0；ε1為測收縮系數；σs為淹沒系數。

2.5lt;δ/Hlt;10為寬頂堰流，公式為

1.2.3洪水演進公式

洪峰展平公式計算的基本假定為：①棱柱體河槽；②洪水波概化為三角形；③忽略慣性項。

式中：A、a為河床斷面系數和指數，取a=1；qm0和qmx分別為壩址和距壩址x處的最大流量，m3/s；w為洪量，m3；i0為河底縱坡；n為曼寧糙率系數。

2研究區概況

本文選定四川省境內大渡河干流梯級水電樞紐群為研究對象。大渡河位于四川省中西部，發源于青海省玉樹藏族自治州阿尼瑪卿山脈的果洛山南麓，是岷江的最大支流，全長1062km，流域面積7.74萬km2，流域水能資源豐富［18］。

大渡河干流已建成了一系列梯級水庫。本文以猴子巖-長河壩-黃金坪-瀘定-硬梁包-大崗山-龍頭石-老鷹巖-瀑布溝-深溪溝-枕頭壩-龔嘴-銅街子組成的13級梯級水庫為研究對象，各梯級水庫的位置、壩頂高程見圖3，圖中通過圓圈大小表示水庫的庫容大小關系。本次研究區域中僅長河壩為土石壩，各梯級水庫壩型見表1。

3潰壩結果分析

表2給出了工況一、二下的潰壩結果，其中，“√”表示潰壩，“漫”表示僅漫頂，“○”表示安全不漫頂。其中綠色背景色表示工況一的潰壩結果，藍色背景色表示工況二的潰壩結果。

在工況一中：若猴子巖潰壩，則下游均潰壩；若長河壩潰壩，則下游均潰壩；若黃金坪潰壩，則下游均不潰壩；若瀘定潰壩，則下游均潰壩；若硬梁包潰壩，則下游均潰壩；若大崗山潰壩，則下游均潰壩；若僅龍頭石潰壩，則老鷹巖潰壩，下游均不潰壩；若僅老鷹巖潰壩，則瀑布溝及下游均不潰壩；若瀑布溝潰壩，則下游均潰壩；若深溪溝潰壩，則下游均潰壩；若枕頭壩潰壩，則下游均潰壩；若龔嘴潰壩，則銅街子潰壩。

在工況二中：若猴子巖潰壩，則長河壩潰壩，下游均僅漫頂；若長河壩潰壩，下游均僅漫頂；若黃金坪潰壩，下游均漫頂；若瀘定潰壩，則硬梁包漫頂，大崗山及下游均不漫頂；若硬梁包潰壩，下游均不漫頂；若大崗山潰壩，則下游均漫頂；若龍頭石潰壩，則老鷹巖漫頂，瀑布溝及下游均不漫頂；若老鷹巖潰壩，下游均不漫頂；若瀑布溝潰壩，下游均漫頂；若深溪溝潰壩，下游均漫頂；若枕頭壩潰壩，下游均漫頂；若龔嘴潰壩，則銅街子漫頂。

在工況一中，硬梁包的庫容小于大崗山的庫容，故硬梁包潰壩時大崗山不潰；長河壩的庫容比黃金坪大得多且潰前水位高，即使兩壩距離較長，使洪水損失一部分水量，但由于黃金坪的庫容和自身泄水量太小，長河壩潰壩洪水到達黃金坪時迅速使其漫頂潰壩；由于瀑布溝庫容很大，泄流能力大，而龍頭石、老鷹巖庫容小且潰前水位低，故龍頭石、老鷹巖潰壩均不會導致瀑布溝潰壩。

綜上可知，起潰水位和庫容是影響梯級水庫連潰的關鍵因素，起潰水位越高、潰壩流量越大，則下游水庫潰壩風險越大。

從計算分析結果來看，潰壩時間長短主要與庫容大小有關。瀑布溝庫容遠大于其下游深溪溝和枕頭壩的庫容，當瀑布溝潰壩時，其釋放的巨大水量導致深溪溝與枕頭壩的潰壩持續時間長。對于上游庫容遠大于下游庫容的“上大下小型”水電樞紐群，上游大庫容大壩潰壩后對下游小庫容大壩造成的災害是巨大的。相反的，當上游大壩庫容遠小于下游大壩庫容，也就是“上小下大型”梯級水電樞紐群的上游大壩潰壩后，下游大壩由于庫容大，可以阻擋上游小庫容的潰壩洪水，這時利于梯級水電樞紐群的連潰被阻斷，這種情況下大庫容大壩被稱為流域的控制性大壩。如瀘定大壩、大崗山大壩和瀑布溝大壩等，當上游發生特大洪水時，這些大壩可以攔截上游潰壩洪水，對下游梯級起到一定的保護作用。

從表2可見，極端工況二中上游潰壩對下游各大壩影響較小。僅當長河壩（土石壩）潰壩時，潰壩水量巨大，會導致下游所有大壩均漫頂；而重力壩和拱壩（即混凝土壩）潰壩時，對下游產生的影響較小，只有少數大壩出現漫頂情況。由此看出，土石壩潰壩造成的后果比混凝土壩僅漫頂的后果嚴重得多。

極端工況二中，由于重力壩、拱壩漫頂但不潰決，壩頂堰流流量較潰壩流量小得多，大大減輕下游生命財產的損失，如瀘定、大崗山、瀑布溝水庫抵擋上游潰壩洪水的作用均十分顯著，具有更好的抗洪能力。

綜上可見，當大壩處于健康運行狀態下，流域梯級水庫發生連潰的風險取決于庫容、大壩間的距離、起潰水位與壩型。當重力壩和拱壩較多時，流域發生連潰的風險大大降低。因此在地質條件合適時，從減輕梯級水庫連潰災害的角度出發，宜盡量選用重力壩、拱壩。

圖4為極端工況一下，各潰壩壩址處的最大流量。峰值出現在長河壩，這是因為猴子巖和長河壩庫容較大，潰壩流量很大的緣故；大崗山出現第二個峰值，這是因為大崗山壩很高；龍頭石、深溪溝、枕頭壩和龔嘴單獨潰壩的流量遠小于上游大壩發生連潰時的潰壩流量，這是因為上游大壩連潰的巨大流量遠大于小庫單獨潰壩流量。

圖5為極端工況二下，各潰壩壩址處的最大流量。長河壩庫容較大且土石壩潰壩流量很大，導致其潰壩時下游流量迅猛增大；其余大壩均為混凝土壩，漫頂的堰流流量小得多。

由此可見，極端工況一是比工況二更危險的狀況。

基于本文研究結果和內容分析，從建設與運行管理兩方面對梯級水電樞紐群的風險防控提出如下相關建議：

梯級水電樞紐群建設方面：①相比重力壩和拱壩，土石壩的潰壩風險更高，在地質條件允許的情況下，建議梯級水電樞紐群優先選擇重力壩或拱壩；②上游庫容大、下游庫容小的情況下，上游潰壩產生的風險損失較上下游庫容相當或下游庫容大于上游庫容的情況嚴重，建議在水文地質條件允許的情況下優先選擇“上小下大”的梯級電站庫容布局；③大壩泄洪能力的大小對于大壩應對超標準洪水或上游潰壩洪水的能力至關重要，建議在梯級水電樞紐群建設中提高泄洪洞或溢洪道的設計標準，加強泄洪能力的建設。

梯級水電樞紐群運行管理方面：①病險大壩發生潰壩比健康大壩發生潰壩的后果嚴重得多，建議加強對大壩的監測與檢測，及時有效開展病險水庫治理；②建議以流域為單位開展梯級大壩連潰風險分析，制定應急預案，降低風險損失；③建議劃定大壩下游洪水淹沒風險區域，針對性地制定應急逃生和應急避險方案。

4結論

本文研究了兩種極端工況下的梯級水庫連潰風險，采用經驗公式計算潰壩流量過程和洪水傳播過程，據此分析了大渡河干流梯級大壩的連潰情況，得出以下結論：

（1）工況一的影響因素主要是庫容、水庫間距和起潰水位，起潰水位越高、潰口流量越大；庫容越大，潰口流量歷時越長，具有持續性破壞作用。工況二的影響因素主要是壩型、庫容、水庫間距離和起潰水位，混凝土壩漫頂流量較潰壩流量小，漫頂流量持續時間長。對于大渡河干流，瀘定、大崗山、瀑布溝等大壩具有阻擋上游潰壩洪水的能力，可提高下游大壩的安全性。

（2）梯級水電樞紐群中各大壩的安全與上游大壩安全性緊密相關，在規劃設計上下游大壩的距離、庫容時要考慮連潰風險。大壩建成運行后，需定期對大壩進行監測，及時發現并修復大壩病險問題。從梯級水電樞紐群安全運行角度來看，“上小下大型”梯級電站布局和以重力壩、拱壩為主的壩型選擇將有效降低梯級水電樞紐群發生大壩連潰的風險。

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（編輯：胡旭東）