欽寸水庫施工期潰壩洪水模擬

王 霞，孫浙英，林日練，張真奇

(浙江省水利水電勘測設計院，浙江 杭州 310002)

1 概況

欽寸水庫位于浙江省紹興市新昌縣境內，是一座以供水、防洪為主，兼顧下游灌溉和發電的綜合利用水利工程，水庫壩址以上集水面積316km2。壩址地處曹娥江主要支流黃澤江上的欽寸村附近。水庫建成后總庫容2.44億m3，正常庫容1.77億m3，防洪庫容6205萬m3，電站總裝機容量為2.75MW。水庫建成后供下游近4萬人的生活生產用水以及嵊州浦口工業開發區用水，防洪保護人口約34萬、保護農田約19萬畝，灌溉受益面積約2萬畝。欽寸水庫上游牛頭潭溪上已建有巧英水庫。

欽寸水庫建成后防洪保護范圍分為兩部分：直接保護水庫下游至黃澤江河口，主要有新昌的大明市、嵊州的黃澤鎮、以及浦口三江街道部分；間接防護曹娥江干流嵊州城區以下到出口段[1]。但是，水庫施工期超標準洪水導致的潰壩洪水將給下游地區和施工臨時壩體帶來潛在風險[2- 3]。自19世紀以來，國內外學者分別從理論分析、物理模型試驗、數值模擬、潰壩洪水演進模型研究、歷史資料統計分析等方面對潰壩問題進行了系統研究[4]。其中，物理模型試驗和數值模擬是近幾十年來應用較多的研究方式。然而，潰壩洪水的物理模型試驗耗資高，且操作上具有一定的技術難度，因而目前數值模擬在潰壩洪水演進方面是較常用的研究手段。潰壩的速度和程度決定了潰壩洪水的大小和傳播速度，從而影響了潰壩洪水的影響范圍和程度[5]。構建合理的潰壩洪水演進數學模型，計算潰壩洪水的淹沒范圍、水深和到達時間等要素，能為建立潰壩風險圖和評估潰壩損失提供科學依據，對水庫和堤防失事影響做出定量估算[6]。

2 施工期潰壩洪水計算

2.1 上游已建水庫情況

欽寸水庫上游的巧英水庫，1980年建設完工，集水面積46km2，是一座以灌溉為主、結合發電、防洪的中型水庫，水庫總庫容0.28億m3，正常庫容0.20億m3。欽寸水庫入庫洪水為巧英水庫洪水調節后的出庫洪水與巧英～欽寸區間天然洪水的疊加。

2.2 施工期分析

2.2.1 導流標準

由于壩址處洪枯流量相差較大，非汛期20年一遇洪峰流量為364m3/s，臺汛期20年一遇洪峰流量為2028m3/s。如采用全年施工，導流費用將很高，因此攔河壩施工圍堰采用土石混合結構，選擇非汛期10月16日—翌年4月15日6個月為圍堰擋水時段。

工程上游圍堰擬采用土石圍堰，一旦失事可能導致整個工期延遲等嚴重后果，故導流建筑物洪水標準重現期取上限值，為非汛期20年一遇。

堆石壩體施工期臨時度汛洪水標準：壩前攔洪庫容小于0.1億m3，采用50年一遇，梅汛期、臺汛期相應的洪峰流量分別為782m3/s、2641m3/s；壩前攔洪庫容在1.0～0.1億m3之間，采用100年一遇，梅汛期、臺汛期相應的洪峰流量分別為892m3/s、2982m3/s；壩前攔洪庫容大于1.0億m3，采用200年一遇，梅汛期、臺汛期相應的洪峰流量分別為997m3/s、3375m3/s。導流隧洞封堵后，壩體度汛洪水標準采用200年一遇洪水設計，500年一遇洪水校核。

表1 欽寸水庫施工期各階段施工導流方式表

2.2.2 導流方式

采用“一次圍堰斷流、隧洞導流”的方式，即非汛期天然來水由右岸導流隧洞導流，上游圍堰擋水。汛期天然來水由壩體臨時斷面擋水，導流隧洞泄流。施工期各階段施工導流方式見表1中。

2.3 施工期潰壩洪水計算

欽寸水庫施工期間較不利的工況為臺汛期天然來水由壩體臨時斷面擋水，導流隧洞泄流。本文分析該階段的潰壩洪水計算。

2.3.1 搶險和潰壩的邊界條件

若超標準洪水發生，當水位超過壩頂高度時，洪水漫過壩頂，壩頂全斷面過流，有可能導致潰壩。

臺汛期，壩頂高程92m，壩頂凈寬266.1m；溢洪道開挖底高程86m，溢洪道凈寬60m。當水位超過86m時，溢洪道過流；當水位超過壩頂高程，即92m時，洪水漫過壩頂，壩頂全斷面和溢洪道均過流，當水位超過壩頂高程大于1m，可能導致潰壩。

臺汛期52m起調(空庫起調，壩底高程52m)，當水庫水位低于86m時，均由導流洞下泄。

當水位超過溢洪道開挖底高程時，洪水由溢洪道和導流洞下泄；若遇超標準洪水，且水位超過92m時，洪水漫壩，過壩水流由導流洞、溢洪道和壩頂自由下泄。

壩體施工期間，臺汛期遇2000年一遇洪水時，最高水位為93.00m，超過壩頂高程1m，因此壩體臺汛期遇到2000年一遇及2000年一遇以上洪水時可能發生潰壩。

2.3.2 可能發生的水庫潰壩形式

欽寸水庫大壩為混凝土面板堆石壩，導致堆石壩潰決的原因主要是洪水漫頂、基礎管涌和滲漏等，其中以洪水漫頂較為常見，破壞程度取決于漫壩流量和漫壩持續時間。

潰口尺寸主要指可能的口門形狀、潰口深度和潰口寬度，口門形狀可近似為矩形或梯形。口門最終尺寸應根據堰塞壩體物質組成、結構、地質條件綜合擬定。口門從初始口門形態逐步發展至最終口門形態的過程可近似按線性化處理。考慮堆石壩決口的初始位置大都發生在壩體中部，潰口形狀多呈V型。堆石壩的潰決屬于逐漸潰壩類型。由于引起潰壩的水流沖擊能力很強，從決口開始時刻到基本形成穩定的潰決斷面時，整個時間過程相對較短。堆石壩的決口處可能將形成局部沖刷坑甚至沖刷到壩的基礎。可能發生的水庫潰壩形式按壩體全潰、壩體2/3潰、壩體1/2潰、壩體1/3潰考慮。

根據有關統計資料，大壩失事時間可從數分鐘到數小時，破壞程度取決于壩高、筑壩材料、材料密實度以及水流漫壩的程度(水量和歷時)而異。堆石壩的潰決歷時一般約為0～3h，本次分析從安全角度出發，可能發生的水庫潰壩歷時按各種不利情況，0.1h、0.25h、0.5h、0.75h、1h分別分析。

2.3.3 潰壩洪水計算方法

計算采用美國國家氣象局編制的潰壩洪水預報模型DAMBRK。模型根據流體力學理論計算潰壩洪水過程和向下游河道的演進。該模型通過調洪演算法或水力學動力演算法計算水庫中水位的變化和入庫流量對水位的影響。用近似的寬頂堰流公式計算潰壩洪水過程，并以非恒定方程組的加權四點隱式有限差分法計算潰壩洪水向下游的演進過程，求得所選取的需要計算的下游沿程斷面的最高水位、峰現時間、最大波速和出流過程等[8]。

圖1 欽寸水庫下游河道斷面平面布置圖

2.3.4 計算條件

2.3.4.1 潰壩洪水分析

計算參數選擇：假定水庫遭遇超標準洪水(臺汛期0.05%)漫壩失事為前提條件計算。按此，壩體潰決的各種可能方案計算參數見表2。

表2 施工期潰壩計算參數表

注：壩體全潰潰口底高程按壩底高程52m。

欽寸水庫下游河道斷面平面布置圖如圖1所示。

通過計算分析，當欽寸水庫臺汛期遭遇超標準的P=0.05%洪水時，如遇壩體全潰工況，欽寸水庫壩址處最大流量達到70156m3/s，壩址至下游21572m處沿程水面線，如圖2所示。

圖2 臺汛期壩址流量最大時刻沿程水面線

壩址處水位在入庫洪水洪峰來臨前后達到最高。壩址下游最高水位比壩址處最高水位有明顯降低，潰壩洪水在陡降的過程中容易形成非恒定的不連續波。潰壩洪水從壩址處涌出，向下游演進，沿程各行洪斷面的峰現時間不同，沿程水面線按各斷面出現的最高水位繪制，壩址至下游21572m處的沿程水面線，如圖3所示。

圖3 臺汛期沿程最高水位水面線

欽寸水庫壩址處臺汛期各工況洪水計算成果見表3。

表3 欽寸水庫壩址處潰壩洪水計算成果表

壩址最不利情況為：臺汛期上游有(P=0.02%)洪水潰壩，壩體全潰，潰壩時間0.1h，最大洪水流量達到70200m3/s。

2.3.4.2 潰壩洪水淹沒范圍及嚴重程度分析

(1)洪水對庫區的危害

當遭遇超標準洪水時，將會造成67m水位以上高程區域淹沒。一旦水庫潰壩，將造成上游水位急劇下降，破壞庫岸原有穩定結構，對上游庫岸造成破壞性影響。

(2)洪水對下游的危害

洪水對下游的危害主要涉及水庫下游的新昌縣大明市、嵊州市黃澤鎮、以及嵊州市浦口三江街道部分等鄉鎮。

當欽寸水庫施工期遭遇超標準洪水時，臺汛期發生漫壩潰決時壩址及下游特征斷面的洪峰流量和最高水位見表4—5。

表4 欽寸水庫施工期潰壩流量計算成果表

表5 欽寸水庫施工期潰壩后下游沿程最高洪水位表

若欽寸水庫施工期壩體潰決，以計算分析中最惡劣的工況：臺汛期發生P=0.05%洪水，壩體全潰，潰決歷時0.1h向下游演進，分析如下：

壩址至新昌縣大明市鎮為峽谷地帶，河道坡降很大，潰壩洪水傳播很快，將給下游以毀滅性打擊。新昌縣大明市的洪峰流量將達到50378m3/s，是目前河道安全泄流的32倍左右，洪水位將達51.01m，水深達到8.09m，最高水位超過堤頂高程5.85m。

嵊州黃澤鎮地勢開闊，洪峰流量將達到22740m3/s，是目前河道安全泄流的14倍左右，洪水位將達32.94m，水深達到6.97m，最高水位超過堤頂高程3.27m。

黃澤鎮下游浦口三江街道河道右岸有湛頭滯洪區，滯洪區總面積7.44km2，滯洪區內滯洪面積為5.76km2。滯洪區22m時對應滯洪容積3515萬m3，滯洪區23m時對應滯洪容積4109萬m3，湛頭滯洪區的堤防工程作為嵊州市主城區和浦口副城區的一部分，其防洪標準為50年一遇，滯洪區內保護圩堤內重要村莊的防洪標準為20年一遇。模型計算時考慮湛頭滯洪區的滯洪作用，洪峰流量為18090m3/s，是目前河道安全泄流的11倍左右，洪水位將達23.45m，水深達到10.17m，最高水位超過堤頂高程0.41m。因此，欽寸水庫下游新昌縣大明市和嵊州市黃澤鎮兩岸村莊將受到滅頂之災，至嵊州市浦口三江街道附近，最高洪水位超過堤頂高程的高度已降至0.5m以下，周圍村莊受到的影響較上游大大降低。

3 結論

通過水庫施工期潰壩洪水模擬分析，選取各施工階段中可能遭遇的最不利情況，分析最不利情況發生在主汛期臺汛期，壩體處于施工填筑階段，溢洪道已建成，利用導流洞泄洪。當預計欽寸水庫施工期遭遇超標準洪水，應提前啟動應急響應，組織人力物力，將庫區及沿岸可能受災群眾轉移，最大限度減輕災害帶來的損失。

施工期水庫潰壩洪水的模擬，因不同水庫壩型、施工方式、施工度汛階段、水庫上下游影響范圍可能不同，需針對不同情況擬定多種可能的潰壩方案[9]。

由于施工期潰壩洪水災害的應急性，建立快捷可靠的區域潰壩洪水預報系統將是未來應該著重考慮的[10]。