梯级水库溃坝风险研究

赵雪莹，王昭升,2，盛金保,2

(1.南京水利科学研究院，南京 210029；2.水利部大坝安全管理中心，南京 210029)

我国是世界上筑坝历史最悠久的国家之一，也是目前修建水库大坝数量最多的国家。水库大坝在降低洪灾发生频率发挥兴利作用的同时也会增加潜在洪灾损失，这是因为大坝的修建会吸引更多的人口以及资产聚集到其保护区域，故而一旦大坝失事，引起的洪水灾害损失将远远大于工程修建前的损失[1]。

1 流域梯级开发风险

梯级开发可通过合理规划流域水库规模，采用科学的联合调度方式，提高水资源利用率，协调水资源在综合利用时出现的矛盾，满足流域内的多目标开发需求，获取最优化的梯级效益；还能发挥梯级水库的防洪效应，利用流域龙头水库，编制合理的防洪调度方式，利用上游水库蓄洪削峰作用提高下游大坝的防洪标准，减小泄洪设施的规模，发挥梯级水库的防洪效应。然而与之相对应，流域梯级开发不可避免的将面临工程安全和管理调度两方面的风险。

1.1 工程安全

我国水利工程建设面临移民安置、生态环境、大坝安全3方面的问题，其中大坝安全对人类生产生活影响最大[2]。超标准洪水、地震等自然因素以及设计缺陷、施工质量不合格、管理不当、人为破坏等人为因素都可能对大坝安全造成威胁，甚至发生溃坝事件。水库溃坝概率低、风险高，溃坝洪水立波推进、流速大、峰量高、破坏力强，对下游人民的生命财产损失带来毁灭性的破坏。

1975年8月河南淮河上游板桥和石漫滩两座大型水库、田岗和竹沟两座中型水库以及石龙山等58座小型水库接连垮坝。这次灾害事故使29个县市的1 100万人口受灾，110 万km2耕地遭受严重水灾，26 000多人丧生，直接经济损失近百亿元。

流域梯级开发的工程安全风险具体表现在以下两方面：①流域梯级大坝之间的安全标准不协调。流域多个水库大坝由多家设计单位分别承担设计任务，不同设计单位对基础资料处理方法可能存在差异，这将使入库洪水造成差异，进而有可能影响到工程防洪安全；同时，目前行业设计标准、规范的制定，也均是将每个水利工程作为独立的个体进行规定，缺少从整体上对流域内水利工程的整体规定，这必将造成各梯级电站之间的安全标准存在不协调的问题，给水利工程的安全带来威胁。②流域大坝群的安全。出于充分开发水力资源的目标，大力推进了流域梯级化开发，但若是其中一座大坝发生溃决，有可能引发下游梯级大坝群的连锁溃坝。这种情况下，下游梯级水库和居民难以做出有效的反应，给他们造成面临极大的潜在风险。值得注意的是，由省级及以下地方政府核准、批复，建于大江大河的支流上的一些中小型水利工程，其设计、施工单位资质较低，工程方案审查、评估不严格。一旦支流上的水库发生连锁溃坝，溃坝洪水经过多次叠加，涌向干流对干流水库造成威胁，进而导致干流上水库出现连锁溃坝的事件。并且现在大江大河上大多水库，规模远远大于板桥和石漫滩水库，连锁溃坝的极端事件一旦发生，溃坝洪水必将所到之处统统摧毁，后果不可想象。

1.2 管理调度

随着水利水电的进一步开发，主要河流上的梯级开发格局已逐渐形成，并出现同一河流跨行业、多业主共同开发的问题。流域水库设计具有多目标开发功能，其分属不同部门监管，而各部门之间职能相互重叠，存在冲突，正由于部门间缺少统一的协调，制约梯级效益在实际应用中的效果；流域开发的主体多元化，同时又缺少流域调度管理的规则、协调和监管，轻则影响流域开发的功能发挥，重则将给流域内工程安全带来潜在风险。

2 梯级水库溃坝风险

梯级流域内的水库溃坝的影响因素复杂，除受大坝自身安全因素影响外，同时也受梯级内其他水库的影响。统计资料分析[3]，漫顶溃坝是主要的溃坝方式，其所占比例约为半数(50.2%)，且漫顶溃坝受外界因素影响较大，在洪水期间发生概率大。故本文分析归纳上游水库出现溃坝险情，由梯级影响引发与之串联的临近下游水库发生漫顶溃坝的可能梯级溃坝原因。

2.1 大坝工程特征

水库溃坝形成的溃坝洪水与水库的蓄水量、水位库容关系、溃口发展过程等因素有关；下游水库应对上游溃坝事件的非常蓄水能力与水库泄流量、水库水位到坝顶之间库容有关。

(1)水库库容及下泄能力。水库对洪水的调蓄作用是依靠调节库容实现，水库临时将部分洪水拦蓄在水库中，待洪峰过后再放出库水。上游水库库容越大，溃坝洪量越大，下游水库需调蓄的水量越大，下游水库发生漫顶溃坝的风险越大；下游水库库容越大，洪水调蓄能力越强，水库溃坝风险越低。故可以简单地认为流域梯级内，上游水库库容越大，其下游水库发生连锁溃坝的风险越大；下游水库的库容越大，其对上游溃坝洪水的调蓄能力越大，出现连续溃坝的风险相应降低。印度Khadkawasla[4]水库为重力坝在上游水库溃坝时，即使水库立即采用最大能力下泄洪水，但仍出现漫顶，最大漫坝水深2.7 m，4 h后大坝溃决。

水库下泄能力代表其泄洪能力，故水库的下泄能力越强，对入库洪水的调节能力越强，高水位运行时间缩短，故漫顶溃坝的风险相对降低。但若是水库的下泄量大大超过下游河道安全泄量，会给下游区域以及下游水库造成危害。河门水库主坝为均质土坝，总库容560 万m3。1976年10月上游水库泄洪，河门水库库水位居高不下，坝体出现裂缝，水库溃坝。

(2)坝型及溃决形式。不同坝型，其溃决形式不同，通常可分为瞬时溃坝和逐步溃坝两种形式。混凝土坝的溃坝比较突然，一般视混凝土坝溃坝为瞬时溃决，对混凝土拱坝来说可能是瞬时全溃；而混凝土重力坝则可能是某个或几个坝段(横向局部)一溃到底；或上部拱圈或坝段(垂向局部)溃决，见图1。不同于混凝土坝，土石坝的溃决是一个逐步发展的过程。以土石坝漫顶溃坝为例，在漫顶水流的侵蚀下形成溃口，随后溃口在溃决水流作用下不断冲深的同时也逐渐向两侧扩展，直至冲刷停止，如图1所示为土石坝溃口发展的示意图，图1中数字表示溃口发展的顺序。

图1 混凝土坝溃决方式示意图

溃决形式受坝型制约，而溃决形式对溃坝洪水的演进过程有着极大的影响。构建一维河道模型，在入流条件、水库特征条件及最终溃口形态都相同的条件下，分别模拟库水位超过坝顶0.5 m大坝发生瞬时垂向局部全溃和库水漫过坝顶大坝开始逐渐溃坝两种溃坝方式。数值模拟结果(如图2所示)表明相比于瞬间溃决的形式，逐步溃决的溃坝洪水下泄时间持续较长，其溃坝洪峰形成较晚，峰值相对较小。

总结来说，重力坝、拱坝这类坝型通常发生瞬时溃坝，其溃坝洪水洪量集中，洪峰形成早，峰值高，对下游水库安全造成威胁大。

图2 溃决方式对溃坝洪水过程的影响

2.2 梯级应急调度能力

梯级水库应急调度能力包括：流域是否建立联合调度机制，应急调度模式是否科学合理。

已建工程中梯级水库所占比例为48%，在建工程中梯级水库比例达50%。梯级水库中尚有25%左右所在河流未建立防洪联调机制，一旦流域水库出险，极可能因为梯级调度失当，大大增加梯级水库群的系统风险累积效应，加重大坝溃决的损失。

梯级水库应急调度的编制是为了保障大坝突发险情，出现溃决危险时，水库决策者和执行者能及时采取合理、有效的处置措施，从而防止溃坝事故发生或者尽可能减少灾害带来的损失。其应急调度应在可能的条件下(如：紧急泄洪，利用上下游梯级水库调蓄洪水)最大限度地保障大坝安全，达到保坝目标；一旦导致大坝溃决的不利因素脱离可控范围，则尽量延迟溃坝时间，削弱大坝溃坝时的洪水强度，为下游风险区域的人员和财产转移预留时间，以减轻风险区域内基础设施和不动产等资产的损失，最大程度上降低人员伤亡风险和减少社会经济损失。

河北省岗南水库位于滹沱河干流中游，其总库容15.71 亿m3，滹沱河中下游出口处建设黄壁庄水库，总库容12.1 亿m3。通过对岗南水库与其下游的黄壁庄水库进行溃坝联合应急调度调洪计算[5]。假设岗南水库在非汛期出现险情溃坝，其溃坝洪水即为黄壁庄水库入库洪水。分别模拟岗南水库溃坝前无预泄、预泄1 h 、预泄3 h等不同预泄情况进行调洪计算。模拟结果(见表1)得到上游岗南水库溃坝前预泄时间越长，下游黄壁庄水库最高库水位越低、最大出库流量越小，出库流量大于河道安全泄量的历时也越短，不仅更能保障黄壁庄水库大坝安全，也有利于减轻下游河道的洪水灾害。

表1 不同预泄情况下岗南水库溃坝后应急调度调洪结果

由表1还可以得知，应急调度方案的选择也与大坝安全的风险有关。在上游水库采用相同预泄方式是，下游水库采用调度规则泄洪或是最大泄流能力泄洪的调度方式，将取得不同的效果。按调度规则泄洪，能控制水库的下泄流量，出库流量大于河道安全泄量的历时也越短，有利于减轻下游河道的洪水灾害，但是该调度方法调洪历史长，会对水库自身安全带来风险。

2.3 流域地形因素

前面从梯级大坝工程特点方面总结梯级水库的风险，除工程因素，流域的地形特征(如河道坡度、水库间距、河道特征等)也会对梯级水库风险有所影响。

(1)河道坡度和水库间距。溃坝洪水对下游的危害来自其两方面：水量和动能[6]。水库蓄水量以及流域入流条件决定洪量的大小，溃坝坝前水深和流域地形条件会影响洪水动能的大小。在水库间距相同的条件下，河道坡度越大，上下游水库落差大，上游水库具有的势能多，转化为动能后，溃坝洪水流速快，到达下游水库所需时间短；同理，在水库坡度相同的条件下，水库间距越大，水库间的落差大，溃坝洪水到达下游时的流速快，对下游的威胁大。

(2)河谷断面特征。下游平原水库溃坝，溃坝洪水使得河道水位抬升，漫溢出河道，这固然会对河道两岸的平原带来灾害，但同时河道两岸的洪泛平原起到了分洪的作用，减少了河道内的洪水量，减小了河道水位的抬升幅度，减少了下游水库的入库洪水量，对保障下游水库的安全，降低连锁溃坝风险是有利的；与其相反，流域河道上游水库溃坝，由于河道狭窄，河道水位涨幅迅速，并且两岸岩壁陡峭，溃坝洪水拘束在河道内没有分流路径，造成洪水流速快，水位抬升幅度大，水量集中的特点，给下游水库的安全带来较大风险。

3 结 语

不可否认，梯级开发在流域防洪与资源利用上为人类带来了益处，但目前梯级开发在流域管理不协调以及梯级库群的工程安全性两方面存在一定的隐患，一定程度上增加了梯级开发的溃坝风险。由于梯级水库溃坝影响因素较为复杂，本文主要考虑溃坝洪水造成下游水库库水位升高，导致其出现漫顶进而发生溃坝。然而，溃坝洪水波的动水压力作用也可能造成大坝坝体失稳破坏，其破坏机理和溃坝模式，还需进一步研究。

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[1] 王立辉．溃坝水流数值模拟与溃坝风险分析研究[D]．南京：南京水利科学研究院，2006.

[2] 杜景灿. 水电建设直面三大问题[J]. 中国投资，2009,(6):98-99.

[3] 李 雷. 大坝风险评价与风险管理[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

[4] 傅忠友,张士辰.基于工程实例的重力坝溃决模式和溃决路径分析[J].水利水电技术,2010,41(9):57-60,71.

[5] 王 冰.梯级水库联合防洪应急调度模式及其风险评估[C]∥ 天津大学第二届博士生学术论坛----建筑工程论坛论文集，2009.

[6] 许唯临.梯级库群的连锁溃决[M].北京：中国水利水电出版社,2013.