大連市朱隈水庫超標準洪水應急方案的探討

宋憲武 葉青 大連市水利建筑設計院 116021

大連市朱隈水庫超標準洪水應急方案的探討

宋憲武 葉青 大連市水利建筑設計院 116021

朱隈水庫位于大連市莊河西支流上，是一座大（2）型水庫，主壩為黏土心墻壩，水庫下游河道穿越城市區(qū)。超標準洪水應急預案以保證主壩安全為前提，同時考慮盡量減少因提前啟動而造成的水庫經(jīng)濟效益損失。本文對朱隈水庫的超標準洪水進行了分析計算，介紹了潰壩決口寬度的計算方法，并且對擬定的不同啟動水位方案進行了潰壩調(diào)洪計算，選擇了合理的潰壩時機。最后介紹了潰壩結(jié)構(gòu)設計。

超標準洪水；應急方案；潰壩；決口寬度；設計

Excess of the standards flood; Emergency plan; Dam-break；Burst width; Design

1 前言

朱隈水庫位于大連市莊河西支流上，水庫壩址以上流域面積260.1km2，水庫總庫容1.66億m3，水庫下游河道穿越大連莊河市，城市人口18萬人，如果發(fā)生超標準洪水導致水庫大壩潰壩后將對下游廣大人民造成巨大的生命財產(chǎn)損失。因此對朱隈水庫的超標準洪水進行分析計算，提出適度可行的超標準洪水應急方案是十分必要的。

2 工程概況

朱隈水庫建于1958年3月，1993年進行水庫除險加固。水庫總庫容16562萬m3，為大（2）型水庫，主壩為黏土心墻土壩，最大壩高19.50m。水庫共有四座副壩，副壩均為風化砂均質(zhì)壩，水庫除險加固時一、二、三副壩采用鏈條機開槽鋪土工膜防滲，現(xiàn)狀水庫大壩特征值見表1。溢洪道為明渠引水式，閘室為平底無坎寬頂堰，堰頂高程37.50m，堰上設三扇弧形鋼閘門，每孔閘門凈寬7.0m，總凈寬21.0m。

朱隈水庫死水位為31.45m，正常高水位為43.26m，防洪限制水位為42.94m，設計洪水標準為100年一遇，設計洪水位44. 31m，校核洪水標準為2000年一遇，校核洪水位45.86m。

朱隈水庫一、二副壩相距較近，潰壩水流容易引起相鄰副壩的壩腳沖刷，三副壩所處位置相對獨立，影響范圍內(nèi)沒有重要建筑物，因此確定三副壩為潰壩首選，根據(jù)三副壩壩型及地形、地貌和地質(zhì)等特點，采取在三副壩上增設閘門的方案，在超標準洪水發(fā)生后，水位超過現(xiàn)有校核洪水位繼續(xù)上升到某個擬定危險高程時，啟動應急預案，即開啟三副壩閘門，通過自潰泄流來降低水庫超標準洪水水位，以確保水庫主壩的安全。

3 超標準洪水應急方案

3.1 水庫現(xiàn)狀超標準洪水分析

朱隈水庫溢洪道凈寬21.0m，堰頂高程37.50m，有閘門控制，起調(diào)水位即為汛期防洪限制水位42.94m，在整個調(diào)洪過程中保持庫水位不低于起調(diào)水位，即當來水小于起調(diào)水位時閘門全開時的泄量時，用閘門控制泄量，使水位保持不變。水庫現(xiàn)狀發(fā)生超標準洪水時的調(diào)洪成果見表2，5000年一遇洪水最高水位為46.19m，10000年一遇洪水最高水位為46.43m。

表1 水庫大壩主要特性表

根據(jù)《碾壓式土石壩設計規(guī)范》，壩頂超高y=R+e+A，其中R為波浪爬高，e為風壅水面高度，A為安全加高。在超標準洪水的情況下可不計入安全加高，即最高洪水位加波浪爬高和風壅水面高度應小于現(xiàn)有防浪墻頂高程。經(jīng)過計算當最高洪水位為46.25m時，壩頂超高為1.24m，低于現(xiàn)有防浪墻頂高程47.50m。由調(diào)洪成果可知當水庫遭遇10000年一遇洪水時，最高水位46.43m加上壩頂超高后超過的防浪墻頂，越浪將造成壩體破壞，因此必須采取措施將超標準洪水的最高洪水位控制在46.25m以內(nèi)。

表2 水庫現(xiàn)狀超標準洪水調(diào)洪成果表

3.2 潰壩決口寬度

由于潰壩水流沖擊能力極強，從決口開始到基本形成最終穩(wěn)定斷面時為止，為時甚短，一般半小時左右，為安全計可考慮按瞬時潰壩處理。峽谷區(qū)的土壩可能全部潰決，丘陵區(qū)或平原區(qū)的壩體較長，一般只潰主要部分，即橫向局部潰壩。土壩抗沖能力很差，已有實際資料證明決口沖刷到基礎甚至形成局部沖刷坑。根據(jù)黃河水利委員會水利科學研究所實際資料分析求得的土壩潰壩決口寬度計算公式為：

式中：b ——潰壩決口平均寬度（m）；

W——潰壩時蓄水量（萬m3）；

B——潰壩時沿壩前水面寬度或壩頂長度（m）；

H——潰壩時水頭或潰壩時壩前水深（m）；

k——與壩體土質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，粘土約為0.65，壤土約為1.3。

通過計算，三副壩在洪水沖刷下決口寬度為80.0m，根據(jù)地形、地質(zhì)條件推斷平均底高程將達到42.00m。

3.3 潰壩啟動水位的確定

水庫選擇合理的潰壩時機非常關(guān)鍵，首先要以保證主壩安全為前提，同時還要盡量減少因提前啟動而造成的水庫經(jīng)濟效益損失。

朱隈水庫潰壩啟動水位的確定是通過對擬定的不同啟動水位方案進行調(diào)洪計算，得出相應的最高洪水位，然后判斷選擇合理的潰壩啟動水位。

潰壩洪水調(diào)節(jié)計算原則如下：

a、當來水小于起調(diào)水位時閘門全開的泄量時，用閘門控制泄量，使水位保持不變。

b、當水庫來水大于泄流能力時，閘門全開泄流，水位達到潰壩啟動水位時提起三副壩自潰式閘門，并認為在1小時內(nèi)三副壩在洪水沖刷下形成80.0m寬、平均底高程達到42.00m的缺口。

調(diào)洪采用如下公式：

圖1 涵閘平面布置圖

圖2 涵閘縱剖面圖

Q1、Q2——分別為計算時段初、末的入庫流量（m3/s）；

q1、q2——分別為計算時段初、末的溢洪道下泄流量（m3/s）；

q′1、q′2——分別為計算時段初、末的潰壩下泄流量（m3/s）；

Δ t——計算時段的時間間隔（s）；

三副壩潰壩后的泄流量采用《水力計算手冊》中寬頂堰計算公式：

式中：m——流量系數(shù)，取0.34；

b——潰壩決口寬度，取80m；

朱隈水庫10000年一遇洪水潰壩調(diào)洪計算成果見表3，當潰壩啟動水位設定在46.20m時最高洪水位為46.25m，滿足水庫主壩安全要求，而且最大程度地保證了水庫經(jīng)濟效益。

表3 潰壩啟動調(diào)洪計算成果表

4 潰壩結(jié)構(gòu)設計

由于三副壩是為風化砂均質(zhì)壩，在開閘泄洪之后將很快形成沖刷缺口，設計采用新建三個獨立涵閘控制，各閘軸線間隔25.0m，布置在三副壩壩高較高的位置。閘門孔寬度0.60m，閘底板高程為潰壩啟動水位46.20m，閘室及涵洞蓋板頂高程與壩頂高程一致為47.50m。 閘室采用整體式砼結(jié)構(gòu)，涵洞及進出口采用漿砌石結(jié)構(gòu)。涵閘進口采用與原壩面一致的300mm厚干砌石護底，為了加快潰壩速度，閘室下游涵洞至出口采用風化砂回填夯實，不做防沖護底。閘門選用60mm厚松木閘門，閘門側(cè)面和底面采用Ⅰ型橡膠止水，人工啟閉。涵閘平面布置及縱剖面見圖1、圖2。

5 結(jié)語

朱隈水庫下游河道穿越城市區(qū)，如果發(fā)生超標準洪水導致水庫大壩潰壩后果將不堪設想，因此提出可行的超標準洪水應急預案是十分必要的。但是在保證主壩安全的前提下，還要盡量選擇合理的潰壩時機，以減少因提前啟動潰壩而造成的水庫經(jīng)濟效益損失。本文以最高洪水位加波浪爬高不超過防浪墻頂高程為控制條件，確定了潰壩啟動水位。潰壩決口寬度的計算方法是建立在實際資料分析總結(jié)基礎上的經(jīng)驗公式，因此在潰壩涵閘的布置上考慮擴大其影響范圍，在壩體上設三座涵閘，間距25.0m，以達到理論計算的決口寬度和潰壩泄流量，保證潰壩方案達到理想的效果。

[1]武漢水利電力學院水力學教研室.水力計算手冊[Z].北京：水利電力出版社.1983.

[2]SL274-2001，碾壓式土石壩設計規(guī)范[s]

A discussion on excess of the standards flood emergency plan of Dalian Zhuwei reservoir

SONG Xianwu YE Qing Dalian design institute of water conservancy & construction, Dalian 116021Liaoning

TV651.1+5

B

宋憲武（1968—），男，遼寧大連人，高級工程師，從事水利設計工作。