上游水库群溃坝对下游水库的影响分析与应对措施

贾鹏生 张国辉 吴 沛 贾大周

（1南阳市水利建筑勘测设计院；2河南灵捷水利勘测设计研究有限公司）

1 水库基本情况及溃坝形式分析

1.1 水库概况

1.1.1 虎山水库

虎山水库总库容9 616万m3，防洪标准为100 a一遇洪水设计，2 000 a一遇洪水校核。水库主要建筑物有主坝、副坝、溢洪道、泄洪洞和输水洞等。主坝为均质土坝，坝顶高程143.60 m。副坝有3处。溢洪道位于大坝右侧，最大下泄流量1 462 m3/s。泄洪洞为深孔式无压拱涵隧洞，最大泄量409 m3/s。水库设计洪水位141.80 m（吴淞高程，下同），洪水洪峰流量为2 599 m3/s；校核洪水位143.15 m，洪水洪峰流量为4 531 m3/s。

1.1.2 刑川水库与烈士陵水库

烈士陵、刑川两座中型水库，距离虎山水库25.70 km，两水库为并联关系。邢川水库流域面积23 km2，总库容1 240万m3；烈士陵水库流域面积17 km2，总库容1 338万m3。两座水库洪水标准均为50 a 一遇设计，1 000 a 一遇校核。两座水库枢纽也都主要由大坝、溢洪道和输水涵管等建筑物组成，且均已完成了除险加固，运行正常。

1.2 溃坝原因与溃坝形式

根据溃坝决口的大小溃坝形式可以分为全溃和局部溃，按溃坝过程时间的长短可以分为瞬时溃和逐渐溃。坝的溃决形式与坝型、基础以及溃坝原因等因素有关。土石坝为安全考虑可按瞬时溃坝考虑。峡谷地区的主坝可能会全部溃决，丘陵区及平原区坝较长，一般只溃主要部分，即横向局部溃坝。刑川水库为粘土心墙坝、烈士陵水库为均质土坝，且大坝均较长，按照“最不利、最可能”原则，结合两水库特点，其溃坝形式均按瞬时横向局部一溃到底分析。

2 溃坝计算与溃坝洪水演进

2.1 刑川、烈士陵水库溃坝洪水计算

2.1.1 溃坝最大流量

上游刑川、烈士陵两座中型水库坝址溃坝最大流量采用肖克列奇经验公式计算，其中土坝的溃决口长度b值根据黄河水利委员会水利科学研究所经验公式。

其中：QM为坝址最大溃坝流量，m3/s；b 为溃坝决口平均宽度，m；W为溃坝时的蓄水量，104m3；B为主坝长度，m；K为溃坝流量经验计算系数，粘土类坝体取0.65，壤土类坝体取1.30；H0为溃坝时水头或最大水深，m；g为重力加速度，取9.80。

2.1.2 溃坝洪水演进

上游两座水库溃决后洪水演进到虎山水库时的最大流量采用计算简便且在国内外广泛应用的李斯特万公式估算。

式中：QL为演进至控制断面最大流量，m3/s；L为控制断面到水库坝址的距离，m；K 为经验系数（山区取1.10～1.50，半山区取1.0，平原取0.80～0.90）；VM为特大洪水最大流速（无资料时：山区取3.00～5.00 m/s，半山区取2.00～3.00 m/s，平原取1.00～2.00 m/s）。根据黄河水利委员会水利科学研究所实测资料分析，山区河道VMK可取7.16，半山区取4.76，平原河道取3.13。

2.1.3 计算结果分析

计算得到刑川、烈士陵水库坝址断面瞬时横向局部一溃到底的洪峰流量分别为11 160 m3/s和18 618 m3/s，传播至虎山水库最大流量分别为1 875 m3/s，2 122 m3/s，详见表1。

表1 坝址溃坝最大流量及演进后最大流量计算成果表

溃坝洪水比一般洪水的传播要快得多，其波速在坝址附近最大，距坝址越远，波速削减愈快。按流速3 m/s 计算，溃坝洪水传播至虎山水库时间为2.40 h。一般来说，溃坝洪水起涨陡，峰值到达快，峰后流量下降比峰前快，将洪水过程概化为三角形，得到溃坝洪水过程的底宽为3.50 h。

2.2 刑川、烈士陵溃坝后虎山水库入库洪水计算

上游水库在发生溃坝之前的洪水为水库的正常下泄，通过调洪演算得到其下泄过程；溃坝发生后期水库泄空以后的洪水为天然洪水过程；上述两个过程与前文计算的溃坝洪水过程组成了上游水库发生溃坝的完整洪水过程，该洪水过程与区间洪水过程进行叠加后即可得到虎山水库入库洪水过程。

上游水库与区间洪水组合方式为：上游水库与虎山水库发生同频率洪水，区间发生相应洪水。区间洪水过程采用推理公式法计算，并按相应洪水的洪量进行修正。

按最不利情况，刑川、烈士陵水库同时溃坝情况下，虎山水库1 000 a一遇洪峰流量为5 929 m3/s，2 000 a一遇洪峰流量为6 687 m3/s，较不考虑两水库影响的洪峰流量大61%～63%。

3 考虑上游水库溃坝的虎山水库调洪演算

调洪演算计算原则：水库调洪演算自139.50 m起调，该水位下泄洪洞闸门开启可下泄358 m3/s，由泄洪闸控制按来水量下泄，保持兴利水位；当入库流量≥358 m3/s时，泄洪闸全部开启泄洪，同时溢洪道开始参与泄洪，泄流量自溢洪道底部139.50 m计，水库下泄流量为泄洪洞和溢洪道二者下泄流量之和。

从调洪演算结果来看，考虑上游两个水库影响但均未发生溃坝的情况，其洪峰和洪量均小于天然情况，调洪演算水位也低于按天然洪水调洪演算结果。

在考虑溃坝后，由于洪峰和洪量均有较大增长，调洪演算水位有较大增加，最不利情况2 000 a 一遇洪水两个水库均溃坝的情形，校核水位相比天然洪水情况增加了0.89 m，已超过现状坝顶高程0.34 m(143.60 m)；2 000 a 一遇洪水发生一个水库溃坝(烈士陵)的情况，此时校核水位增加0.44 m，库水位143.49 m，未超过现状坝顶高程，考虑波浪爬高（1.31 m）和安全加高后（0.40 m），需要的坝顶高程145.20 m，高于现状防浪墙顶高程0.20 m。

4 上游水库溃坝可能性分析及应对措施

4.1 邢川、烈士陵水库遇超标准洪水溃坝可能性分析

刑川水库2 000 a 一遇水位比1 000 a 一遇校核水位高0.21 m，考虑坝顶超高后，刑川水库坝顶高程能够满足2 000 a一遇洪水要求，且根据刑川水库洪水调度原则，当发生接近1 000 a 一遇校核洪水时，在入库流量＞188 m3/s 时，水库提前全开闸门泄洪，可进一步降低最高库水位。

烈士陵水库2 000 a 一遇水位比1 000 a 一遇校核水位高0.23 m，考虑坝顶超高后，烈士陵水库坝顶高程仅差0.08 m 即满足2 000 a 一遇洪水要求，由于现状溢洪道是在原溢洪道基础增设4 m高的连接土坝段缩窄而来，可以通过扒开一部分连接坝段，扩宽溢洪道加大泄量等紧急措施来避免溃决。

4.2 应对上游水库溃坝的措施

4.2.1 加强监测及联合调度

建议虎山水库与上游刑川、烈士陵水库所在的防汛指挥部门对接并建立联动机制，尤其在汛期要加强对上游两座中型水库来水、水位、下泄量、险情等状况的实时监测，及早掌握上游水情、工情，为虎山水库防汛调度提供有力支撑。当上游水库预报可能发生超标准洪水出现险情时，及时将信息传递至虎山水库管理单位，虎山水库提前开启闸门泄洪，及早腾出库容来应对。

4.2.2 加强虎山水库防汛准备

建议加强水库自身运行状况监测，定期排查并消除工程隐患，石料和编织袋等防汛物资设施按储备定额备足备齐，为迎战大洪水做好充分的准备。汛期24 h 专人值守，定期进行防汛演练。

4.2.3 3#副坝的应急措施

3#副坝为2004 年除险加固原主溢洪道基础上封堵而建，在遇紧急情况下，可炸开3#副坝加大泄量降低库水位，以保主坝安全。

5 结论与建议

①由于在虎山水库历次设计中均未考虑溃坝洪水，且溃坝影响因素复杂，相关问题还处于研究阶段，故在虎山水库近期的除险加固工程设计水库规模仍建议以不考虑上游水库影响的洪水为依据确定，考虑上游溃坝洪水的计算结果可作为“考虑上游水库失事对设计水库的影响”分析的参考。除险加固设计中坝顶高程144.00 m，防浪墙顶高程145.20 m，在坝顶高程上适当留有余地是较为适宜的。②我国水库众多，分布情况也较为复杂，洪水标准和工程状况差异较大，溃坝虽然是一种极端情况，有关计算也尚在研究之中，但在工程设计及运行管理中对上游水库尤其是水库群的溃坝影响应引起足够重视，按照“最不利、最可能”原则合理确定计算工况，进行溃坝洪水分析，并据此提出合理可行的工程及非工程应对措施。③建议加强虎山水库水情自动测报系统建设，以及时掌握流域雨情、工情，尤其是上游两座中型水库的运行状态。鉴于上游两个中型水库位于湖北省，建议由河南、湖北两省防汛主管部门建立虎山水库与上游两座中型水库的防汛联动机制。同时，要建立洪水预警机制，制定超标准洪水应急预案，备足防汛物资，做好防汛演练。