毛滩河水库溃坝洪水分析及对策研究

王维东

(湖北省利川市水利水电工程质量监督站，湖北 利川 445400)

0 引 言

溃坝洪水分析是溃坝应急管理中的一项重要工作，根据大量坝体溃决实践经验分析发现，不同坝型的坝体溃决方式有较大差异，如：拱坝、混凝土重力坝等刚性坝，往往是瞬时溃决，并伴有局部溃决情况；土坝、堆石坝等散粒体坝，耐冲蚀能力差，一旦洪水漫过坝顶会出现冲坑，随着洪水作用时间的延长，冲坑规模扩大、坝体稳定性变差，最终导致局部溃决，并且在短时间内迅速扩大。对此，必须科学开展水库溃坝洪水分析，并做好相关调度应急管理工作研究。

1 水库溃坝洪水特点

1.1 溃坝洪水特点

溃坝洪水破坏力巨大，根据大量的教训总结分析显示，溃坝洪水特点包括如下几点：

1)溃坝洪水是一种非恒定流不连续波运动；

2)溃坝洪水突发性强，较难准确预测，溃坝的发生、溃坝洪水的形成往往是在几分钟至几个小时内；

3)溃坝洪水峰高量大、变化急剧，最高可达暴雨洪水数倍乃至数十倍；

4)溃坝洪水在初始阶段常以立波形式向下游急速推进，水流破坏性强。

1.2 溃坝洪水分析内容

溃坝洪水分析是溃坝应急管理工作的基础，具体分析内容如下：

1)溃坝机理研究：采取物理试验、大坝安全鉴定、现场核查等方法，分析大坝溃决的发生、发展过程。

2)溃口洪水数值模拟：计算溃口形状演变、溃坝坝址流量、水位过程线，溃口包括瞬时溃决、逐渐溃决两种。

3)溃坝洪水演进数值模拟：计算洪水向下游演进各时刻水深、流速、淹没历时，对洪水演进问题，一、二维溃坝问题分别采用圣维南方程、浅水方程描述。

4)溃坝洪水演进可视化技术：将溃坝数值模拟结果利用计算机直观展现，如可利用GIS技术动态仿真演示洪水淹没过程。

2 毛滩河水库溃坝洪水分析

2.1 水库概况

毛滩河水利水电枢纽工程属小(1)型水库，大坝为混凝土拱坝，坝址控制流域面积253.5km2，多年平均流量8.43m3/s。水库正常蓄水位505m，校核洪水位506.83m，设计洪水位505.04m，死水位为500m，总库容170.6万m3，调节库容48.4万m3。

2.2 突发性洪水溃坝分析

本工程可能导致水库溃坝因素为超标准洪水，具体分析如下。

2.2.1 水库溃坝形式

该工程坝体为混凝土拱坝，为刚性坝，稳定性较好。从溃坝时间上来看，刚性坝发生溃坝的时间很短，几乎为瞬间完成，因此，该工程坝体溃坝形式为瞬间溃坝。根据坝型的特点分析，及刚性坝失事经验，溃坝时以整个大坝溃到坝基为主。因此，经过分析，本工程溃坝形式为瞬间全部溃坝。

2.2.2 溃坝洪水及其演进计算

根据圣维南公式计算如下：

1)坝址处溃坝最大流量计算：

全部溃坝：

(1)

局部溃坝：

Qm=0.9B1/4b3/4H03/2

(2)

2)溃坝最大流量向下游演算：

(3)

式中：Qm为坝址处溃坝最大流量，m3/s；B为溃坝时沿坝前水面宽度或坝顶长度，m；b为局部溃决口宽度，m；h为溃决后剩余坝高，若未剩余h=0；H0为水头，溃坝前上下游水位差，m；H为坝高，m；Qxm为演进至下游某处溃坝最大流量，m3/s；W为水库溃坝时的库容，m3；L为下游某处距坝址的距离，m；V为河道洪水期断面平均流速，取4.0 m/s；K为经验系数，取1.1。

3)溃坝洪水传播时间计算

采用黄河水利委员会水利科学研究所实验求得的溃坝洪水传播时间计算公式，最大流量到达时间计算如下：

(4)

式中：K2为系数，等于0.8-1.2，本工程K2取1.0；hM为下库河道水深，m；H0为下游断面水深，m；W为溃坝库容，m3；t2为最大流量到达时间，s。

4)溃坝洪水水位计算

各控制断面水位根据洪水流量采用水力学公式计算：

(5)

式中：Qn为演进至下游某处的溃坝最大流量，m3/s；A为过水面积，m2；R为水力半径，m；J为河床比降；n为河道糙率。

毛滩河水库总库容为192万m3。本次演进流量计算断面布置在集中居民点附近，毛滩河水库坝下溃坝洪峰流量见表1，经计算得溃坝坝址Qmax=38805m3/s；下游影响范围断面演进流量、溃坝计算成果见表2、3。

表1 毛滩河水库溃坝洪水计算表

表2 毛滩河水库溃坝流量 m3/s，m

表3 毛滩河水库大坝溃坝洪水计算成果表(坝顶高程瞬时全溃)

3.3 水库溃坝洪水的危害分析

3.3.1 对下游防洪工程、重要保护目标的影响

水库下游有长顺电站水库，为中型水库，总库容6833万m3，毛滩河水库总库容为192万m3，毛滩河水库溃坝洪水对长顺电站水库大坝的影响微小，主要影响范围涉及1个钟台村。坝址下泄洪水影响范围情况见表4-6。

表4 不同频率下泄洪水撤离住户调查统计表

表5 10a一遇洪水泄洪影响区撤离高程

表6 100a一遇洪水泄洪影响区撤离高程和撤离对象

3.3.2 对上游可能滑坡崩塌位置的影响

毛滩河水库坝顶右侧有山上掉落的裸石，因此存在发生山体滑坡的可能，其他地段可能引发局部、零星、小范围坍岸和崩塌造成堰塞湖。

4 毛滩河水库溃坝调度应急管理工作

4.1 应急组织体系框架

毛滩河水库应急组织和执行，由当地政府湖北省利川市人民政府、文斗乡政府、水库水行政主管部门利川市水利局、水库管理单位及其它相关部门组成。Ⅰ级响应应急指挥系统一般由分管水利的利川市分管水利副市长担任指挥长，市政府公安局、水利局领导任副指挥长，其他部门担任成员。Ⅱ级响应应急指挥系统由湖北源泰水电开发有限公司董事长担任，公司相关成员组成。如下图1所示即为利川市应急预案框图。

图1 利川市应急预案框图

4.2 抢险调度工作

洪水抢险应根据雨情和库水位变化情况，在毛滩河水库防汛抢险应急指挥部及利川市防汛抗旱指挥部的统一领导下，采取不同的应急措施。当毛滩河水库遇超过水库校核洪水、水库出险等情况的调度原则、调度方式、应急措施如下：

1)当水库遭遇30a一遇洪水时坝前水位且有上涨趋势、同时来水流量加大，应及时向下游可能受到洪水威胁的居民发出洪水警报，启动相应应急预案，密切关注坝前洪水位变化情况。

2)当毛滩河水库遭遇超标准洪水时，要立即根据毛滩河水库水位情况，按泄洪操作规程要求进行泄洪，以减小大坝失事造成的溃坝洪水淹没影响。

3)出现水库大坝枢纽工程险情征兆时，根据毛滩河水库水位情况，按操作规程开启放水设施要求进行泄洪。控制库水位在正常蓄水位505.00m以下，必要时降至死水位500.00m以下甚至放空，毛滩河水库抢险调度以确保水库大坝枢纽工程本身的安全，并以尽量削减下游洪峰为原则。

4)当毛滩河水库大坝枢纽工程出现险情时，由湖北源泰水电开发有限公司应急指挥部会商后，制订水库抢险调度方案，经指挥部批准后执行，并做好人员、财产转移工作。

4.3 应急管理工作

根据毛滩河电站工程特点以及水库突发事件可能带来的危害，为加强应急管理工作，设立毛滩河电站应急抢险指挥部。毛滩河水库Ⅰ级突发事件应急抢险指挥部成员与利川市防汛抗旱指挥部成员一致，Ⅱ级突发事件应急抢险指挥部成员为湖北源泰水电开发有限公司防汛应急抢险指挥部。

1)应急抢险

根据前行水库出现的不同原因、部位科学制定抢险措施，具体要点包括：一是做好天气及洪水预报，气象部门加强灾害性天气监测、预报工作，做好水情监测科学预测洪水发生与变化；二是一旦遭遇超标准洪水，要立即根据毛滩河水库水位情况，按泄洪操作规程要求进行泄洪，以减小大坝失事造成的溃坝洪水淹没影响。

2)应急监测与巡查

毛滩河水库入库洪水量级超过30a一遇标准后，立即增加大坝监测与巡查频率，大坝表面每小时观测1次，输泄水建筑物、闸门、启闭设备、电源每日检查4次，并做好相关记录，具体监测与巡查内容如下：

①坝顶相邻两坝段间是否存在不均匀位移或沉陷，伸缩缝、两岸边坡接缝开合情况，大坝有无裂缝和渗漏压力过大。

②溢洪道裂缝、变形、剥蚀情况，放水竖井稳定情况，大坝漏洞、位移情况，坝体渗水出流等情况。

③两岸边坡是否稳定，防汛公路是否畅通。

④启闭设备是否正常。

3)水库下游应急撤离

毛滩河水库下游为重点转移对象。当毛滩河水库下泄流量超过下游河道安全泄量时，由毛滩河水库通知市防洪办、文斗乡人民政府，由文斗乡人民政府通知下游管辖社区和村社，按“安全转移预案”做好人员、财产转移工作。

撤离方案程序如下：水库大坝险情失控→利川市人民政府发出警报→利川市人民政府文斗乡人民政府协调实施→转移方案→民政、农业、交通等部门协作→遵照原则、实施转移→安全安置。

5 结 语

综上所述，水库是作为流域防洪防汛设施，发挥着重要的洪水调度管理作用。一旦水库大坝溃决，将形成极具破坏性的溃坝洪水，威胁周边群众生命财产安全。为提高我国水库安全管理水平，落实洪水调度、应急管理工作十分重要，切实增强水库对突发事件的应对能力，保证区域安全稳定发展。