挂治电站水库溃坝洪水计算及其影响浅析

陈 宏 覃 杰 黑 昭

（湖南五凌电力有限公司 长沙市 410004）

1 电站概况

挂治水电站位于沅水干流上游河段的清水江中下游，在贵州省黔东南苗族侗族自治州锦屏县境内，上距三板溪水电站约18 km，下距锦屏县城约7 km，为沅水梯级规划的第三级，工程以发电为主，兼有改善航运条件等综合利用效益。

挂治水电站枢纽布置由左、右岸混凝土重力坝、河中溢流坝及厂房等水工建筑物组成。5孔开敞式溢流堰布置在河中，厂房坝段布置在右岸滩地，紧邻溢流坝段布置。坝轴线长317.1m，坝顶高程327.00 m，最大坝高44.0m。溢流坝由5孔18m×17.70m（宽×高）溢流闸组成，其中3孔为深孔，2孔为浅孔。

挂治电站枢纽工程属三等中型工程，枢纽建筑物中挡水建筑物、泄水建筑物及发电厂房等建筑物级别均为3级，结构安全级别为Ⅱ级；永久性次要水工建筑物级别为4级，结构安全级别为Ⅲ级；临时建筑物级别为5级，结构安全级别为Ⅲ级。电站为低水头河床式电站，是上游三板溪水电站下游的反调节电站。年平均发电量为4.021亿kW·h，年利用小时数2681h，保证出力42.5MW。正常蓄水位322.00m，相应库容4 184万m3，死水位320.00m，相应库容3 474m3，调节库容710万m3，属径流式电站。

2 大坝溃决分析

2.1 可能导致水库大坝溃决的主要因素

（1）地震灾害，超设计标准地震导致大坝严重裂缝、基础破坏等。

（2）地质条件变化产生严重的大坝裂缝、两坝肩失稳、大坝变位等。

（3）坝址发生严重的山体滑坡、泥石流等，直接冲击损坏大坝。

（4）上游三板溪水库溃坝。

（5）战争或恐怖事件。

2.2 可能发生的水库溃坝形式

水库溃坝的形式按溃坝过程的时间长短，可分为瞬时溃坝和逐渐溃坝；按溃坝溃口大小，可分为全部溃坝和局部溃坝。

挂治水库大坝为混凝土重力坝，在突发情况下，可能发生下列溃坝形式：

（1）超设计标准地震可能引起水库大坝严重裂缝，若为坝体纵向贯穿裂缝，则可能坝体相对滑动，引起的溃坝形式为全部溃坝、局部溃坝和逐渐溃坝，若为坝体横向贯穿裂缝，则引起的溃坝形式为全部溃坝和逐渐溃坝。

（2）超设计标准地震可能引起水库大坝基础破坏、失稳和水工建筑倒塌，则引起的溃坝形式为局部溃坝和瞬间溃坝。

（3）地质条件变化产生严重的大坝裂缝、两坝肩失稳、大坝变位等，引起的溃坝形式为局部溃坝、瞬时溃坝和逐渐溃坝。

（4）坝址发生严重的山体滑坡、泥石流等，直接冲击大坝，造成大坝坝体损坏，引起的溃坝形式为局部溃坝、瞬时溃坝和逐渐溃坝。

（5）战争和恐怖事件带来的炸弹或炸药直接作用于坝体，引发坝体溃决，引起的溃坝形式为局部溃坝、瞬时溃坝和逐渐溃坝。

2.3 溃坝洪水计算

2.3.1 坝址最大流量估算

挂治水库大坝为混凝土重力坝，超标洪水漫坝一般不会引起溃坝情况，溃坝主要风险由地震、战争、地质灾害等突发因素引起，本次计算采用较为极端的局部瞬间溃坝，溃决的坝段宽度取主坝长的40%。采用肖克列奇经验公式进行计算：

式中Qmax——坝址最大流量（m3/s）；

B——主坝长度（m）；

B——溃口宽度（m）；

H0——溃坝前上游水深（m）；

G——重力加速度（9.8m/s2）。

溃坝坝前上游水深H0为水库最大坝高H减去坝前淤深和库水位距坝顶的距离。按照正常水位计算挂治水库大坝溃坝洪水流量，挂治水库主坝B为317.1m,溃坝前上游水深H0为39m，则坝址最大洪水流量Qmax为36 022m3/s。

2.3.2 水库溃坝最大流量沿程演进估算

溃坝洪水演算采用国内外广泛采用的李斯特万计算公式：

式中Qn——溃坝演进到下游某处的溃坝最大流量（m3/s）；

W——水库溃坝时的库容（m3）；

Qm——坝址处最大流量（m3/s）；

L——下游某处距坝址的距离（m）；

V——河道洪水期断面平均流速，有资料的取最大实测值，无资料山区（5.0～3.0）m3/s ，山丘区取（3.0～2.0）m3/s ，平原区取（2.0～1.0）m3/s，本次计算采用5.0m3/s；

K——经验系数，山区1.5～1.1，山丘区取1.0，平原区取0.9～0.8，本次计算中采用1.0。

2.3.3 溃坝流量过程线估算

式中T——溃坝洪水历时（s）；

表1 挂治电厂溃坝时下游各重要城镇最大洪水流量

W——溃坝洪量（m3）；

Qm——溃坝最大流量（m3/s）；

Q0——溃坝时入库流量（m3/s）。

溃坝流量过程线与溃坝最大流量Qm（m3/s），溃坝时入库流量Q0（m3/s）、下游水位及溃坝洪量有关，其线型类似于4次抛物线，即：

式中Qt——t时刻的流量（m3/s）；

Q0——入库流量（m3/s）；

T——溃坝洪水总历时（s）。

因入库流量Q0相对于出库流量Qt来说极小，本次计算中忽略不计。坝址溃坝流量过程线（见表2和图1）

表2 坝址溃坝流量过程

图1 挂治电厂坝址溃坝洪水过程曲线

2.4 水库溃坝影响范围的估算

根据表1及挂治电厂水库下游各处历史水文资料可知，电厂溃坝洪水影响重点为锦屏县城（三江镇），根据水库下游锦屏水文站历年综合水位～流量关系曲线图（图2），可估算出锦屏县城的过流面积。再根据锦屏县城地形等高线图估算该处的洪水淹没边界，从而得出水库溃坝影响范围。

图2 锦屏水文站历年综合水位～流量关系曲线图

2.4.1 水库溃坝洪水对下游防洪工程、重要保护目标造成破坏程度和影响范围（图3）

图3 挂治电厂溃坝洪水对锦屏县城的影响范围

（1）挂治水库溃坝洪水的影响范围。影响范围：锦屏县城（重点）、茅坪镇、坌处镇、远口镇、白市镇和白市水电站。

（2）重要保护目标。影响范围内的党政机关、学校、医院等重点部门和重点单位；供水、供气、供电等生命线工程设施；人员聚集集中的城镇。溃坝洪水将对以上重要目标造成较大的影响，尤其是锦屏县城。

（3）影响范围内的人口等社会经济情况。挂治水库下游影响范围内城镇主要包括：锦屏县城、茅坪镇、坌处镇、远口镇、白市镇等。尤其锦屏县城，锦屏县城所在地——三江镇是锦屏县政治、经济、文化和交通中心，也是全县经济贸易集散地。地区范围包括县城的风雨桥、码头、步行街、飞山4个社区，赤溪坪、排洞、圭腮及龙塘4个村委会。全镇国土总面积130 km2，人口3.22万，其中城区面积15.12 km2，人口2.01万。

2.4.2 水库溃坝对上游可能引发滑坡崩塌的地点、范围和危害程度

水库大坝溃坝后，水库水量急剧下泄，库水位迅速下降，原水库正常蓄水时库区形成的新的平衡立即遭到破坏，这时水库周边坡体内含水量及地下水位发生巨大改变，将破坏坡体的稳定性，导致斜坡蠕变，发生滑坡灾害。

挂治水库库区左岸边坡多为缓坡，较为稳定，但近几年来因库区居民在左岸大量修建民居，山体破坏较多，存在滑坡灾害风险；而右岸边坡一般较陡，部分局部地区坡脚较大地段，因构造发育、岩体风化较深，稳定性较差，发生滑坡灾害可能性较大。但因水库库区地貌形态为中低山丘陵区，总体地形较低缓，山体滑坡范围较小，影响不大。因此，溃坝发生时，两岸居民应及早撤离，库区右岸沿江公路及时封闭，禁止车辆通行。

3 结 语

经计算，挂治电站大坝在正常蓄水位322 m时发生局部瞬间溃决，其坝址处洪峰流量为36 022 m3/s，至下游锦屏县城最大洪水为19 980m3/s，远超过锦屏县城现有防洪标准11 600 m3/s，将会给当地造成极大的影响和损失。因此，一旦挂治电厂水库大坝发生工程险情，必须立即启动相关防汛应急预案，切实做好水库的防洪抢险调度和险情抢护工作，最大程度地保障人民群众生命安全，减少损失。