水库溃坝洪水计算及影响分析——以礼亨水库为例

杨宝林，邱熠晨

(赣州市水利电力勘测设计研究院，江西 赣州 341000)

为了充分利用水力水能资源、解决人民日益增长的用水需求与供水的矛盾，我国在许多河流上修建了大中小型电站或水库。虽然水库的建成能有效调节水资源时空分布不均，但是大坝受超频率洪水、强震以及其它破坏，存在溃决风险，可能诱发大坝溃决[1]。为提高台风暴雨、水库突发事件等灾害突发事件防范与处置工作，全面提高应对洪涝灾害的快速反应能力，切实做好水库遭遇突发事件的防洪抢险调度和险情抢护工作，政府部门制定防洪抢险应急预案时通常需要对水库大坝溃坝洪水进行分析计算，以最大限度地减少人员伤亡和财产损失，保障城市经济社会安全稳定和可持续发展。礼亨中型水库，位于定南县城上游，与定南县城距离较近，且水库库容较大，大坝一旦发生溃决，将会给定南县城人民生命财产安全带来重大损失，因此，该文通过利用我国中小型水库常用的溃坝模型对礼亨水库进行了溃坝洪水分析计算，并利用arcgis软件进行溃坝洪水对下游的淹没洪水风险图，为当地政府及有关单位制定相关措施提供依据和参考。

1 工程概况

1.1 流域基本情况

礼亨水库位于江西省定南县城西北部距县城3.5 km的东江支流下历水上游，属珠江水系。坝址控制流域面积为34.9 km2，坝址以上主河长为9.5 km，河床比降为9.76‰。流域内山峦重叠，植被较好，地理位置见图1。

1.2 工程基本情况

礼亨水库是一座以供水、灌溉为主，兼有发电和滞洪防洪作用的中型水利枢纽工程。总库容为3 910万m3，水库校核洪水标准P=0.1%，校核洪峰流量为505 m3/s，校核洪水位为279.41 m(黄海标准，下同)；设计洪水标准P=2%，设计洪峰流量为322 m3/s，设计洪水位277.66 m。设计灌溉面积为680 hm2，电站装机为 520 kW。水库枢纽建筑物由大坝、溢洪洞、灌溉及发电引水隧洞等建筑物组成。大坝为砼心墙土坝，坝顶长为165 m，坝顶高程为281.58 m，坝顶宽为6.0 m，最大坝高为30 m。

礼亨水库于1958年动工兴建，1964年基本建成，后经1977年保安加固达到现有工程规模，2004—2008年进行过除险加固，至今已运行55 a，尚未发生历史险情及抢险。礼亨水库设有水雨情观测设施及工情安全监测设施，能对水位、降雨量、坝体、坝基渗流压力进行观测。水库工程管理范围内各建筑物之间及对外交通道路通畅，满足水库日常运行管理和防汛抢险需要。礼亨水库管委会现有管理人员9人，满足工程管理需要。礼亨水库地理位置重要，保护耕地0.67万hm2、人口6.2万，水库一旦失事，将给下游人民的生命财产和国家重要设施造成重大灾害，下游定南县城防洪标准为20年一遇，坝址20年一遇洪峰流量为 253 m3/s，经水库调蓄后泄量为42.8 m3/s。

2 水库溃坝洪水模拟

2.1 大坝溃决分析

礼亨水库大坝为砼心墙土坝，当遭遇超标准洪水漫顶、不可预见的地质、地震灾害导致坝体结构破坏、坝体管涌渗流或防汛调度管理措施不当等因素都可能使水库工程出现重大险情，若抢险保坝措施无效，将导致大坝溃决[2]。

2.2 大坝溃决洪水计算资料与方法

大坝溃决分为局部溃坝和瞬时全溃等情况，国内外对水库大坝溃决最大流量的计算方法包括圣维南法、黄委经验公式法、斯托克法及铁道部科学研究院经验公式法等[3-5]。

1) 溃坝时坝址处最大流量

本次溃坝洪水流量的计算参考《水利水电工程实用水文水力计算》一书中的圣维南法坝体瞬间全垮时的计算公式：

(1)

式中：

QM——溃坝时坝址处最大流量,m3/s；

B——坝址断面的平均宽度,m；

h0——溃坝前的坝前水深,m。

2) 水库下游控制断面溃坝最大流量的计算采用经验公式：

(2)

式中：

Q控M——控制断面处溃坝最大流量,m3/s；

V——水库溃坝时的蓄水库容,m3；

QM——坝址处溃坝最大流量,m3/s；

L——坝址断面至控制断面的距离,m；

vM——洪水期河道断面的最大流速,m/s，无资料地区，山区可取3.0～5.0 m/s。

K——经验系数，一般情况下山区取1.1～1.5。

3) 下游控制断面溃坝洪水到达时间

溃坝之后，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，距坝址愈远，波速削减愈快。黄河水利委员会水利科学研究所根据实验求得溃坝洪水传播时间及概化流量过程线如下[6-7]。

① 洪水起涨时间计算公式

(3)

式中：

L——距坝址距离， m；

H0——坝上游水深，m；

W——可泄库容(可泄总水量)，m3;

h0——溃坝洪水到达前下游计算断面的平均水深，m，即与基流Q相应的平均水深；

K1——系数，为0.65×10-3～0.75×10-3，取平均数为0.70×10-3；

t1——洪水起涨时间，s。

② 下游控制断面最大流量到达时间计算公式

(4)

式中：

K2——系数，等于0.8～1.2; 取K2=1.0；

hM——最大流量时的平均水深，由已求出的最大流量，再由水位流量关系曲线求得；

t2——最大流量到达时间， s。

2.3 计算结果与分析

2.3.1坝址处溃坝最大流量及洪水流量过程线分析

本次以礼亨水库为例，采用不考虑淤积、校核洪水坝体瞬时全垮的最不利工况进行溃坝洪水计算，礼亨水库大坝坝址瞬时全溃洪峰流量计算结果见表2。

表2 礼亨水库大坝坝址瞬时全溃洪峰流量计算成果

坝址洪水流量过程线采用简化的方法，溃坝流量过程可简化为4次抛物线[8]，利用公式5计算得到礼亨水库坝址瞬时全溃洪水流量过程线，成果见表3和图2所示。

图2 礼亨水库坝址瞬时全溃洪水流量过程线示意

表3 礼亨水库坝址瞬时全溃洪水流量过程线成果

(5)

式中：

K——系数，本次取4.5；

W——总库容；其他参数同前。

礼亨水库坝址千年一遇洪水洪峰流量为505 m3/s，而本次计算的瞬时全溃洪峰流量为25 148 m3/s，为千年一遇洪峰流量的49.8倍，礼亨水库一旦发生瞬时全溃洪水，对下游的定南县将造成无法估量的影响。

2.3.2沿程断面溃坝最大流量及溃坝洪水传播时间计算

经分析，水库溃坝决口后下游的沿程溃坝洪水到达中沙村、定南县城、天九镇、桃西村居民点，在这几个重要村的位置上设立最大流量计算断面。

根据公式2，计算得到坝址下游各重要断面的溃坝最大流量(见表4)。

表4 坝址下游各重要断面的溃坝最大流量

根据公式3，溃坝洪水到达重要断面的时间见表5，溃坝洪水最大流量到达重要断面的时间见表6。

表5 坝址下游各重要断面的溃坝洪水到达时间

表6 坝址下游各重要断面的溃坝洪水最大流量到达时间

2.4 溃坝洪水淹没范围分析

本次利用公式2 计算下游各控制断面溃坝最大流量，读取地形图中河流宽度，可以计算各控制断面溃坝最大水深，以基础地形图的原始高程加上水深即为溃坝后洪水位，利用arcgis软件以各控制断面洪水位进行插值[9-11]，将插值后的洪水位数据与原始高程相减，即可得到洪水淹没范围水深。具体计算过程如下。

2.4.1计算参数

1) 计算范围。由于礼亨水库主坝溃坝洪水影响范围未知，为了能够完全囊括溃坝洪水对下游的影响范围，本次计算范围包括定南县城、天九镇。

2) DEM基础数据。采用地理空间数据云的30 m分辨率DEM图。

3) 下游控制断面溃坝最大流量。划定距坝不同里程位置，采用公式2计算。

2.4.2计算结果分析

礼亨水库溃坝对下游的影响范围指校核洪水溃坝后可能涉及的范围，计算表明溃坝后主要淹没的是定南县城，此外，定南县天九镇也受到影响。校核洪水位情况下，礼亨水库坝址断面的平均宽度为165 m，溃坝前的坝前水深为30 m，溃坝洪水下泄流量为 25 148 m3/s。礼亨水库溃坝后的流程：主坝—中沙—定南县城—天九镇。溃坝洪水将使下游地区的铁路、公路中断，淹没下游(坝址至22 km)以上总面积为20.1 km2。最大淹没水深为27 m，主要分布在定南县城。由表5、表6可知，礼亨水库溃坝洪水最大流量 1 h内将到达定南县城，整个时间过程非常短暂，因此，一旦有溃坝迹象，预先采取保坝措施及做好下游群众安全转移非常重要[12]。

礼亨水库溃坝洪水淹没洪水风险示意见图3。

图3 礼亨水库溃坝洪水淹没洪水风险示意

3 结论与建议

3.1 结论

本文采用经验公式对定南县礼亨水库大坝瞬时全溃洪峰流量进行了计算，分析了水库溃坝决口后下游的重要村镇的位置溃坝最大流量及溃坝洪水传播时间，大坝瞬时全溃坝址处洪峰流量为25 148 m3/s，为水库千年一遇校核洪水标准洪峰流量的49.8倍，礼亨水库一旦发生瞬时全溃洪水，对下游的定南县将造成无法估量的影响。为直观体现礼亨水库溃坝后带来的影响，本文利用参数模型计算了校核洪水溃坝情况下最大可能淹没范围、淹没水深等风险指标的空间分布，礼亨水库坝址断面的平均宽度为165 m，溃坝前的坝前水深为30 m，溃坝洪水下泄流量为25 148 m3/s，淹没总面积为20.1 km2，最大淹没水深为27 m，对定南县城的淹没影响较大，礼亨水库溃坝洪水最大流量1 h内将到达定南县城，整个时间过程非常短暂，因此，一旦有溃坝迹象，预先采取保坝措施及做好下游群众安全转移非常重要。

3.2 建议

1) 为减少礼亨水库溃坝对定南县造成的影响，礼亨水库管理部门应加强水库大坝安全监测、巡查，按规定进行大坝定期安全评价，及时消除水库建筑物安全隐患，保证水库建筑物的性态安全，应认真做好水雨情资料收集、洪水预报和洪水调度等工作，为险情的发生争取有利时间。

2) 根据水库安全性态状况、库区及大坝下游社会经济状况的变化，按规定要求对《防洪预案》进行修订，并组织好学习培训和演练，以检验和提高预案的可操作性和时效性。

3) 鉴于流域面积较小，洪水陡涨陡落，洪水预见期短，人员转移宜以就近转移安置为主，如框混结构房屋从低楼层转移至高楼层等。受水库溃坝冲击影响的区域，宜规划为非人口聚集用地，以减轻水库溃坝灾害风险。