水庫潰壩洪水計算及影響分析
——以禮亨水庫為例

2022-02-12 03:22:18楊寶林邱熠晨

廣東水利水電 2022年1期

楊寶林，邱熠晨

(贛州市水利電力勘測設計研究院，江西贛州 341000)

為了充分利用水力水能資源、解決人民日益增長的用水需求與供水的矛盾，我國在許多河流上修建了大中小型電站或水庫。雖然水庫的建成能有效調節水資源時空分布不均，但是大壩受超頻率洪水、強震以及其它破壞，存在潰決風險，可能誘發大壩潰決[1]。為提高臺風暴雨、水庫突發事件等災害突發事件防范與處置工作，全面提高應對洪澇災害的快速反應能力，切實做好水庫遭遇突發事件的防洪搶險調度和險情搶護工作，政府部門制定防洪搶險應急預案時通常需要對水庫大壩潰壩洪水進行分析計算，以最大限度地減少人員傷亡和財產損失，保障城市經濟社會安全穩定和可持續發展。禮亨中型水庫，位于定南縣城上游，與定南縣城距離較近，且水庫庫容較大，大壩一旦發生潰決，將會給定南縣城人民生命財產安全帶來重大損失，因此，該文通過利用我國中小型水庫常用的潰壩模型對禮亨水庫進行了潰壩洪水分析計算，并利用arcgis軟件進行潰壩洪水對下游的淹沒洪水風險圖，為當地政府及有關單位制定相關措施提供依據和參考。

1 工程概況

1.1 流域基本情況

禮亨水庫位于江西省定南縣城西北部距縣城3.5 km的東江支流下歷水上游，屬珠江水系。壩址控制流域面積為34.9 km2，壩址以上主河長為9.5 km，河床比降為9.76‰。流域內山巒重疊，植被較好，地理位置見圖1。

1.2 工程基本情況

禮亨水庫是一座以供水、灌溉為主，兼有發電和滯洪防洪作用的中型水利樞紐工程。總庫容為3 910萬m3，水庫校核洪水標準P=0.1%，校核洪峰流量為505 m3/s，校核洪水位為279.41 m(黃海標準，下同)；設計洪水標準P=2%，設計洪峰流量為322 m3/s，設計洪水位277.66 m。設計灌溉面積為680 hm2，電站裝機為 520 kW。水庫樞紐建筑物由大壩、溢洪洞、灌溉及發電引水隧洞等建筑物組成。大壩為砼心墻土壩，壩頂長為165 m，壩頂高程為281.58 m，壩頂寬為6.0 m，最大壩高為30 m。

禮亨水庫于1958年動工興建，1964年基本建成，后經1977年保安加固達到現有工程規模，2004—2008年進行過除險加固，至今已運行55 a，尚未發生歷史險情及搶險。禮亨水庫設有水雨情觀測設施及工情安全監測設施，能對水位、降雨量、壩體、壩基滲流壓力進行觀測。水庫工程管理范圍內各建筑物之間及對外交通道路通暢，滿足水庫日常運行管理和防汛搶險需要。禮亨水庫管委會現有管理人員9人，滿足工程管理需要。禮亨水庫地理位置重要，保護耕地0.67萬hm2、人口6.2萬，水庫一旦失事，將給下游人民的生命財產和國家重要設施造成重大災害，下游定南縣城防洪標準為20年一遇，壩址20年一遇洪峰流量為 253 m3/s，經水庫調蓄后泄量為42.8 m3/s。

2 水庫潰壩洪水模擬

2.1 大壩潰決分析

禮亨水庫大壩為砼心墻土壩，當遭遇超標準洪水漫頂、不可預見的地質、地震災害導致壩體結構破壞、壩體管涌滲流或防汛調度管理措施不當等因素都可能使水庫工程出現重大險情，若搶險保壩措施無效，將導致大壩潰決[2]。

2.2 大壩潰決洪水計算資料與方法

大壩潰決分為局部潰壩和瞬時全潰等情況，國內外對水庫大壩潰決最大流量的計算方法包括圣維南法、黃委經驗公式法、斯托克法及鐵道部科學研究院經驗公式法等[3-5]。

1) 潰壩時壩址處最大流量

本次潰壩洪水流量的計算參考《水利水電工程實用水文水力計算》一書中的圣維南法壩體瞬間全垮時的計算公式：

(1)

式中：

QM——潰壩時壩址處最大流量,m3/s；

B——壩址斷面的平均寬度,m；

h0——潰壩前的壩前水深,m。

2) 水庫下游控制斷面潰壩最大流量的計算采用經驗公式：

(2)

式中：

Q控M——控制斷面處潰壩最大流量,m3/s；

V——水庫潰壩時的蓄水庫容,m3；

QM——壩址處潰壩最大流量,m3/s；

L——壩址斷面至控制斷面的距離,m；

vM——洪水期河道斷面的最大流速,m/s，無資料地區，山區可取3.0～5.0 m/s。

K——經驗系數，一般情況下山區取1.1～1.5。

3) 下游控制斷面潰壩洪水到達時間

潰壩之后，潰壩洪水比一般洪水的傳播要快得多，其波速在壩址附近最大，距壩址愈遠，波速削減愈快。黃河水利委員會水利科學研究所根據實驗求得潰壩洪水傳播時間及概化流量過程線如下[6-7]。

① 洪水起漲時間計算公式

(3)

式中：

L——距壩址距離， m；

H0——壩上游水深，m；

W——可泄庫容(可泄總水量)，m3;

h0——潰壩洪水到達前下游計算斷面的平均水深，m，即與基流Q相應的平均水深；

K1——系數，為0.65×10-3～0.75×10-3，取平均數為0.70×10-3；

t1——洪水起漲時間，s。

② 下游控制斷面最大流量到達時間計算公式

(4)

式中：

K2——系數，等于0.8～1.2; 取K2=1.0；

hM——最大流量時的平均水深，由已求出的最大流量，再由水位流量關系曲線求得；

t2——最大流量到達時間， s。

2.3 計算結果與分析

2.3.1壩址處潰壩最大流量及洪水流量過程線分析

本次以禮亨水庫為例，采用不考慮淤積、校核洪水壩體瞬時全垮的最不利工況進行潰壩洪水計算，禮亨水庫大壩壩址瞬時全潰洪峰流量計算結果見表2。

表2 禮亨水庫大壩壩址瞬時全潰洪峰流量計算成果

壩址洪水流量過程線采用簡化的方法，潰壩流量過程可簡化為4次拋物線[8]，利用公式5計算得到禮亨水庫壩址瞬時全潰洪水流量過程線，成果見表3和圖2所示。

圖2 禮亨水庫壩址瞬時全潰洪水流量過程線示意

表3 禮亨水庫壩址瞬時全潰洪水流量過程線成果

(5)

式中：

K——系數，本次取4.5；

W——總庫容；其他參數同前。

禮亨水庫壩址千年一遇洪水洪峰流量為505 m3/s，而本次計算的瞬時全潰洪峰流量為25 148 m3/s，為千年一遇洪峰流量的49.8倍，禮亨水庫一旦發生瞬時全潰洪水，對下游的定南縣將造成無法估量的影響。

2.3.2沿程斷面潰壩最大流量及潰壩洪水傳播時間計算

經分析，水庫潰壩決口后下游的沿程潰壩洪水到達中沙村、定南縣城、天九鎮、桃西村居民點，在這幾個重要村的位置上設立最大流量計算斷面。

根據公式2，計算得到壩址下游各重要斷面的潰壩最大流量(見表4)。

表4 壩址下游各重要斷面的潰壩最大流量

根據公式3，潰壩洪水到達重要斷面的時間見表5，潰壩洪水最大流量到達重要斷面的時間見表6。

表5 壩址下游各重要斷面的潰壩洪水到達時間

表6 壩址下游各重要斷面的潰壩洪水最大流量到達時間

2.4 潰壩洪水淹沒范圍分析

本次利用公式2 計算下游各控制斷面潰壩最大流量，讀取地形圖中河流寬度，可以計算各控制斷面潰壩最大水深，以基礎地形圖的原始高程加上水深即為潰壩后洪水位，利用arcgis軟件以各控制斷面洪水位進行插值[9-11]，將插值后的洪水位數據與原始高程相減，即可得到洪水淹沒范圍水深。具體計算過程如下。

2.4.1計算參數

1) 計算范圍。由于禮亨水庫主壩潰壩洪水影響范圍未知，為了能夠完全囊括潰壩洪水對下游的影響范圍，本次計算范圍包括定南縣城、天九鎮。

2) DEM基礎數據。采用地理空間數據云的30 m分辨率DEM圖。

3) 下游控制斷面潰壩最大流量。劃定距壩不同里程位置，采用公式2計算。

2.4.2計算結果分析

禮亨水庫潰壩對下游的影響范圍指校核洪水潰壩后可能涉及的范圍，計算表明潰壩后主要淹沒的是定南縣城，此外，定南縣天九鎮也受到影響。校核洪水位情況下，禮亨水庫壩址斷面的平均寬度為165 m，潰壩前的壩前水深為30 m，潰壩洪水下泄流量為 25 148 m3/s。禮亨水庫潰壩后的流程：主壩—中沙—定南縣城—天九鎮。潰壩洪水將使下游地區的鐵路、公路中斷，淹沒下游(壩址至22 km)以上總面積為20.1 km2。最大淹沒水深為27 m，主要分布在定南縣城。由表5、表6可知，禮亨水庫潰壩洪水最大流量 1 h內將到達定南縣城，整個時間過程非常短暫，因此，一旦有潰壩跡象，預先采取保壩措施及做好下游群眾安全轉移非常重要[12]。

禮亨水庫潰壩洪水淹沒洪水風險示意見圖3。

圖3 禮亨水庫潰壩洪水淹沒洪水風險示意

3 結論與建議

3.1 結論

本文采用經驗公式對定南縣禮亨水庫大壩瞬時全潰洪峰流量進行了計算，分析了水庫潰壩決口后下游的重要村鎮的位置潰壩最大流量及潰壩洪水傳播時間，大壩瞬時全潰壩址處洪峰流量為25 148 m3/s，為水庫千年一遇校核洪水標準洪峰流量的49.8倍，禮亨水庫一旦發生瞬時全潰洪水，對下游的定南縣將造成無法估量的影響。為直觀體現禮亨水庫潰壩后帶來的影響，本文利用參數模型計算了校核洪水潰壩情況下最大可能淹沒范圍、淹沒水深等風險指標的空間分布，禮亨水庫壩址斷面的平均寬度為165 m，潰壩前的壩前水深為30 m，潰壩洪水下泄流量為25 148 m3/s，淹沒總面積為20.1 km2，最大淹沒水深為27 m，對定南縣城的淹沒影響較大，禮亨水庫潰壩洪水最大流量1 h內將到達定南縣城，整個時間過程非常短暫，因此，一旦有潰壩跡象，預先采取保壩措施及做好下游群眾安全轉移非常重要。