高坝水库放空要求及设施设计研究

周建平，杜效鹄，周兴波

(1.中国电力建设股份有限公司，北京 100048；2.水电水利规划设计总院，北京 100120；3.国家能源水电工程技术研发中心，北京 100120)

1 问题提出

水库大坝是国家重要的基础设施，高坝大库在统筹发展和安全战略中具有无可替代的作用。积极有序地建设高坝水库符合中国基本国情，已成为水利、电力基础设施建设中不可或缺的重要组成部分[1]。然而，水库大坝，特别是高坝水库一旦失事溃决，库水失控下泄将导致下游梯级坝群的连锁反应，次生灾害往往超出想象，不可承受[2]。

在国家总体安全观、应急管理体系和能力现代化的要求下，梯级水库群尤其是高坝水库在发挥巨大综合效益的同时，其应急放空能力亦已成为社会各界关心的热点问题。一方面，水库放空设施应用不乏成功经验。2018年11月，为应对金沙江上游白格堰塞湖33 900 m3/s的溃决洪峰和5.3亿m3的水量，下游梨园水电站紧急降低库水位，腾出3亿m3库容成功拦蓄溃堰洪水，洪峰流量由入库的7190 m3/s削减至出库的4500 m3/s，大大减轻了下游各梯级水库的防洪压力[3-5]。奥地利高200 m的科尔布赖恩拱坝，首次蓄水即发生坝体和坝基开裂，导致严重渗漏；此后10余年，对坝体坝基进行多方案补强加固，其中4次利用放空设施紧急放空水库，为大坝抢险加固创造了必要条件[6]。另一方面，水库放空设施也有反面教训。一些高坝未设置放空设施，成为加固处理的制约因素。始建于伪满时期的丰满老坝，因诸多先天缺陷，修修补补几十年，仍被评定为“病坝”。在全面治理方案论证阶段，其中一个方案就是降低水位形成干地施工条件，但由于未设置放空设施，库水位降低困难，不得不选择重建方案。湖南东江水库，虽然设置了放空设施，但由于放空设施的设计施工存在缺陷，加上运行维护不当，反倒成了安全隐患而被迫封堵。

为构建“系统完备、安全可靠、高效使用、绿色智能”的现代化基础设施体系，提升水库大坝灾害防御和应急能力，根据流域水库群系统风险防控要求，开展高坝水库放空能力要求和设施设计研究意义重大。

2 水库放空有关概念

2.1 水库放空的定义、目的及分类本文定义的水库放空，是指为工程检修、应急抢险等特定目的，在既定条件下将库水位人为降低到设定高程的过程。水库放空的目的：(1)为消除工程缺陷或安全隐患创造施工条件；(2)为降低坝上水压力防止发生事故；(3)为腾出库容迎峰滞洪，减轻下游防洪压力。根据放空的目的和功能要求，水库放空可分为检修放空和应急放空。检修放空是在非汛期实施有计划的工程及设备维护，是工程运行的一种正常工况。应急放空又可分为内因和外因两类。内因所致的应急放空是由于工程自身原因，必须降低库水位防止事态恶化。例如大坝渗漏异常增大，需要降低渗压；或者坝体变形异常需要降低水压。外因所致的应急放空是由于工程外部原因，如地震、上游堰塞湖或水库失事、可能的战争或恐袭等外部事件，需要降低库水位控制风险。应急放空属于水库大坝运行中的非正常工况。

从放空的目的和功能来看，水库放空设施既包括正常运用和非常运用的泄水建筑物，也包括紧急工况和极端工况泄放库水、降低库水位的其他建筑物。本文将所有能够过水泄流、控制水库水位的通道，统称为放空设施。一般情况下，水库放空可利用溢洪道、泄洪洞、坝身或岸边孔洞等永久泄水建筑物，紧急情况也可利用引水发电系统、交通洞、船闸，或紧急打通的其他泄水通道，诸如架设虹吸管、大容量水泵等。

泄水建筑物和放空设施虽然从功能上都是为泄水而设计，但是它们体现枢纽工程的两种不同的能力。前者反映的是洪水情况下的泄流能力，后者体现的是水库降水位的能力。泄流能力是控制洪水风险累积，而放空能力不仅要求控制洪水风险，而且还要减轻洪水风险所造成的损害。因此，放空能力要求更高。水库放空能力以放空水头比、放空库容比、放空时间、库水位降速等参数进行综合评估。

2.2 水库放空能力评价指标为研究水库放空能力，已有文献[7-8]提出了水库放空系数、放空水头比、放空库容比等指标，进一步厘清指标的含义如下：

放空水头比ηH：最低泄水通道底板高程至最高洪水位(一般取校核洪水位)的垂直距离H1与最大水深H的比值，即ηH=H1/H，与文献[7]定义的放空系数含义一致，如图1所示。

图1 水库放空指标的定义

放空库容比ηV：最低泄水通道底板高程以上库容V1与总库容V的比值，即ηV=V1/V，如图1所示。

库水位降速Dr：库水位单位时间下降的幅度，一般以d计。对应正常蓄水位和常遇洪水来水情况，国际大坝委员会(ICOLD)推荐库水位初始降速(Dr0)不小于1 m/d。

美国垦务局根据潜在后果严重程度和大坝的风险等级对水库水位降速和放空时间做出了规定，详见表2。此外，欣克斯(Hinks)总结工程经验[9]，提出库水位初始(24 h)降速Dr0(mm/d)按下式计算：

表2 美国垦务局水库应急放空时间要求 (单位：d)

Dr0=300+5H+8640Q10/a

(1)

式中：H为坝高，m；Q10为典型年超过10%天数的入库流量，m3/s；a为水库面积，104m2。针对英国大部分地区(除威尔士、苏格兰西部等之外)，欣克斯建议Q10典型值可近似为0.035 m3/(s·km2)，式(1)也可转换为下式：

Dr0=300+5H+300A/a

(2)

式中A为流域面积，km2。

三个指标从不同维度反映枢纽的应急放空能力。放空水头比体现了可以降低水头的幅度，主要反映解除工程自身风险的能力。放空库容比是指能够腾出库容的比例，主要反映工程消纳流域洪水风险的能力。库水位降速反映应急响应的速度，高水位情况下，降速较快，随着水位降低，降速降低，降水位的速率受到来水流量、泄流水头、可利用泄水设施等多种因素影响。

我国西南某工程最大坝高315 m，正常蓄水位2895 m，校核洪水位2896.42 m，水库总库容38亿m3，设置3条溢洪洞、1条泄洪洞、两层放空洞[10]。溢洪道堰顶高程2873m。泄洪洞进口底板高程2827 m，开启水位为2896.42 m。第一层放空洞进口底板高程2784 m，开启水位为2856 m。第二层放空洞进口底板高程2745 m，开启水位为2817 m。水库放空过程中，先开启表孔3条溢洪洞及1条泄洪洞进行泄水，待水位降至2856 m水位时，开启第一层放空洞，与泄洪洞同时进行泄水；当水位降低到2817 m水位时，开启第二层放空洞，与第一层放空洞同时进行泄水；当水位降至最低平衡水位2780.31 m/2754.32 m(汛期/枯期)时，完成水库放空。水位降至第一层放空洞底板高程2784 m时，放空库容29.69亿m3，放空率79%。降至第二层放空洞最低平衡水位2754.32 m(枯期)时，放空库容33.22亿m3，放空率87%。应急放空时，汛期最大月均入库流量1460 m3/s，出库流量为5300 m3/s(20年一遇)时，放空平衡水位为2780.31 m，水位平均降幅2.06～6.93 m/d。检修放空时，枯期月平均入库流量279 m3/s，出库流量为3690 m3/s(5年一遇)时，放空平衡水位为2754.32 m，水位平均降幅3.52～9.89 m/d。放空库水位降速过程曲线、放空水位与出库流量关系曲线分别见图2、图3。

图2 放空水位降速过程曲线

图3 放空库水位与出库流量关系曲线

据此，该工程放空水头比ηH=(2896.42-2745)/(2896.42-2592)=49.7%，放空库容比ηV=(38-4.96)/38=86.9%。20年一遇洪水条件下，应急放空库水位平均降速为6.87 m/d，库水位初始降速8.28 m/d。

3 国内外水库放空的要求

3.1 国外水库放空要求目前，美国、英国、法国、德国、澳大利亚等对水库放空均有较长时间的深入研究，普遍认为水库设置放空设施是必要的，但尚未形成统一的放空标准。尽管如此，考虑水库大坝检查、维护、检修、拆除以及应急管理的需求，一些国家和地区组织也提出了相关的技术规定，详见表1[11-19]。

表1 部分国家或地区水库大坝放空要求

国际上对水库放空的要求，一是体现了风险防控的理念，与潜在后果和风险等级挂钩；二是要尽可能降低库水位。例如降到汛期自然河道水位或者10%库容所对应的水位。风险防控的理念在我国也逐渐被行业所采纳，但是水位降至原始河床水位的规定只能适应于低坝小库。对于高坝水库，既不可能也不现实，大多数情况下更无必要。

3.2 国内水库放空要求我国大坝枢纽工程设置放空设施一方面为工程安全留有余地，满足检修或补强加固的要求，另一方面是防灾减灾，满足公共安全需要。我国对水库降低水位或放空设施设置的有关规定详见表3[20-26]。

表3 我国设计规范对水库放空设施或降低库水位建筑物的设计要求

我国对水库放空设施的设计要求更多体现了“综合因素”，包括工程重要性、地震危险性和坝址地质条件的复杂性。此外，坝型不同要求也不同。如混凝土拱坝不需要放空。总体来看，设置放空设施还是侧重于工程本身安全。同时，我国放空设施设计也体现了强烈的坝工发展历史背景。新中国成立初期，高坝枢纽等重要工程都考虑人防因素，防止战争引发的次生灾变。例如，针对丰满水电站，周恩来总理指示增加应急泄洪洞，以备在战争预兆前紧急降低水位，或者其他泄洪设施损坏后也可应急放空。后来国际紧张局势缓解，应急泄洪洞改成了三期电站。著名的三峡工程，在论证阶段人防也是一个很重要的考虑因素。

1984年颁布的《碾压式土石坝设计规范》(SDJ 218—1984)1.0.6规定：“为保证水库运行安全和满足人防要求，建议设置必要的排砂和泄水底孔，并宜优先考虑改建导流建筑物的方案”。此时明显考虑了人防因素的放空。此后，要求有所变化。2007年，电力行业《碾压式土石坝设计规范》(DL/T 5395—2007)修订，对放空设施的要求具体为：“枢纽中的泄水建筑物应能满足工程需要的运用条件和要求。建筑物运用应灵活可靠，其泄洪能力应满足宣泄设计洪水、校核洪水要求，并应满足水库排沙、排污和排冰的要求。宜研究设置放空设施的必要性”。水利行业还对是否设置放空设施增加了一些限定条件。如2001年发布的《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2001)3.2.3规定：“设计烈度为8度、9度的地区或1级、2级土石坝，应论证是否设泄水孔”。可以看出，这期间的设计要求倾向于宽松。

汶川地震后，高坝大库放空降水位的重要性再次受到重视。2020年修订后的(SL 274—2020)3.2.4规定：“对地震设计烈度为Ⅶ度及其以上的土石坝，应研究尽快降低库水位的措施。”3.2.5条强制性规定：“设计烈度为Ⅷ度、Ⅸ度的土石坝或1级、2级高坝应论证设置放空设施。”2021年，能源行业新修订后的《碾压式土石坝设计规范》(NB/T 10872—2021)、《混凝土面板堆石坝设计规范》(NB/T 10871—2021)均明确提出了设置放空设施或降低水库水位的要求。

从长期运行和工程全生命期视角来看，变化的气候和地质环境以及极端条件导致建筑材料性能劣化和工程结构性能演化，风险增加。对于混凝土坝而言，长期循环加载卸载和周期性环境变量，坝体内的细微裂缝可能发展成宏观裂缝，坝体缺陷可能转化为隐患。同样，止水等材料的老化造成渗漏。这些缺陷和隐患的处理都需降水位。当地材料坝虽然适应环境的能力较强，但防渗系统是致命弱点，处理坝体坝基渗漏，防止管涌流土等，也需降低或放空水库。所以，设置放空设施是工程全生命期风险管理和隐患治理的客观需要。

当前，立足新发展阶段，我们需要重新审视后建坝时代的大坝风险防控和安全管理，防止高坝水库极端灾变是关系国家防灾减灾工作的头等大事。放空能力是枢纽工程应急能力的重要指标，而放空设施是流域系统风险防控的重要安全设施。不同目的的水库放空具有不同的设计要求。对检修放空，工程设计应初拟检修放空计划，通常安排在枯水期放水，降低库水位至能够满足水下探测、检查和修补的要求；放空水位太高可能增加水下作业难度，而水位太低可能导致较大经济损失，故需要系统分析论证，进而确定水库检修放空水位。对内因所致的应急放空，汛期险情处置难度大，对此应研究制定应急放空预案，目标是降低库水位，防止事态恶化，解除溃坝风险，最大限度降低灾害损失。对外因所致的应急放空，具有调节能力的水库，能够起到截断风险传导的作用，应急预案需要研究流域梯级水库群的应急联合调度，制定水库放空方案，提前腾空库容，为拦蓄即将到来的异常洪水做好准备，减轻下游地区的防洪压力。

4 我国高坝水库放空能力分析

在文献[7-8]的基础上，进一步分析我国部分高坝水库在非汛期的放空水头比、放空库容比和库水下降平均速率，成果详见表4。坝高、库容与库水位下降平均速率的散点关系分别见图4和图5。

分析表4和图4、图5可见，我国高坝水库放空指标具有以下特点：

图4 坝高与库水下降速率关系

图5 库容与库水下降速率关系

表4 部分高坝水库放空能力分析

(1)放空水头比介于17.5%～71.8%，其均值为42.7%。也就是可放空水头占正常蓄水位至坝基高程垂直距离的42%。其中，13座堆石坝放空水头比均值约46.3%，8座混凝土拱坝放空水头比均值约40.2%，4座混凝土重力坝放空水头比均值约36.2%。

(2)放空库容比介于47.2%～99.2%，其均值为81.7%。也就是可放空的库容占总库容的82%左右。其中，13座堆石坝放空库容均值约79.3%，8座混凝土拱坝放空库容比均值约84.6%，4座混凝土重力坝放空库容比均值约83.4%。

(3)放空时间介于7.2～123 d，其均值为42.7 d。其中，13座堆石坝放空时间均值约42.9 d，8座混凝土拱坝放空时间均值约42.4 d，4座混凝土重力坝放空时间均值约42.4 d。

(4)库水降速介于0.71～9.03 m/d，其均值为3.0 m/d。其中，13座堆石坝库水下降速率均值约3.0 m/d，8座混凝土拱坝库水下降速率均值约3.4 m/d，4座混凝土重力坝库水下降速率均值约2.8 m/d。

不同坝型的放空水头比、放空库容比、放空时间和库水降速对比见图6所示。

图6 不同坝型的放空能力指标对比

高坝水库放空能力主要受水库总库容、放空水位、泄水建筑物泄流能力等设计指标影响，同时也受河流形态、河谷形状和库盆特点等因素的影响。从工程实践看，我国高坝水库放空能力大部分仅按照检修要求进行设计，放空时段设定在枯水期，因库容、枯水期入库流量的差异较大，水库放空时间差别较大。同时，受低高程泄水孔闸门工作水头限制，坝越高放空后剩余水头越高、剩余库容越大。

高坝水库库容越大，放空水位越低，深孔设置的技术难度越大，放空所需要的时间越长。糯扎渡水电站水库总库容237亿m3，放空库容比达84.4%，但放空时间达102 d；龙滩电站水库总库容273亿m3，放空库容比85.7%，放空时间123 d。对于高坝水库虽放空时间长，降低水压的效率却不明显，但腾出库容应对上游洪水，对流域系统风险防控作用很大。

河谷性状和库盆特点决定了库容和水位关系，影响水库放空能力。整体而言，较宽阔的U型河谷，放空库容相对较小，放空较快；而窄高的Ⅴ型水库，放空库容相对较大，放空时间较长。如“大肚子”的三峡水库，总库容450.4亿m3，放空时间仅10 d；而窄河谷的锦屏一级电站水库79.9亿m3，放空时间需70 d。

因此，工程设计和流域梯级水库群应急管理中，应通过枢纽工程水库特征和放空能力的分析评价，赋予其能力相匹配的防灾减灾和应急功能，可以提高流域梯级系统应对突发极端事件的能力。

5 放空设施设计与启用条件

水库放空设施设计研究需要基于水库放空目的，考虑水库放空时来水条件、技术经济指标、启动条件、应对突发事件的类型和风险等级等因素，通过多方案的研究比较和分析论证，择优选择放空设施设计方案。工程运行中，放空设施的启用，调度和调控优化需要基于应急预案所设定的情景，基于现场的实际情况，实时推演预测，跟踪分析评估和做出合理的决策，以最大限度减少和避免灾害损失。

5.1 放空入库流量检修放空通常是有计划的。可根据检修要求和水库蓄水安排，分析确定放空时间、放空速率和放空水位。放空入库流量可采用检修时段相应的5年一遇或10年一遇洪水流量过程。应急放空具有很大的不确定性，受强震、暴雨洪水或坝体异常现象等影响，需要及时予以响应。2014年8月云南鲁甸地震，牛栏江天花板水电站为应对地震形成的红石岩堰塞湖，20 h内就将库水位降低近50 m，剩余库容仅为正常蓄水位相应库容的1/10。制定应急放空预案可采用汛期来水作为包络线，通常采用汛期常遇洪水、或5年一遇洪水流量过程线进行分析，必要时，再按10年一遇洪水复核。

5.2 放空指标确定水库放空指标包括放空水头比、放空库容比、放空历时和库水位降速等。综合能力评估体现在限定时间能否将库水位降低至目标水位。专项能力评估是考察限定时间库水位降低的幅度，或限定时间可腾出的库容。应对不同突发事件应采用不同的指标进行评估。对检修放空，满足检修要求按计划放空即可；对于应急放空，一方面为满足应急要求尽可能快速降低库水位、腾出库容，另一方面还要根据边坡和建筑物的稳定情况控制水位下降速率。应急放空指标选取是一项基于突发事态控制与潜在附加损失的风险决策。

内因所致的应急放空的目标是降低水位，释放水压或水推力。对于大坝受损承载力降低的情况，可考虑库水位与水推力的关系，逐级降低水推力20%、30%、50%进行分析，确定相应的放空水位。外因所致应急放空的目的是腾出库容，拦洪错峰。腾库启动时间和腾出库容的大小，应按照洪水演进和梯级水库群应急联合调度分析确定。既要兜住上游入库洪水防止漫坝，又要控制下泄流量满足流域公共安全要求。

5.3 放空启动条件检修放空启动条件可根据检修计划安排，综合考虑库水位变化、时间段来选定。应急放空往往是险情应对措施，通常按照应急预案设定条件启动水库放空。换言之，工程设计中研究水库放空就是为应急预案编制提供技术支持，应急预案为工程运行中遭遇突发事件进行风险处置并确定与险情相适应的放空启动条件提供指导。若出现较大险情，库水位高且来流量较大，库水位持续上涨，严重影响大坝正常运行，或非正常泄水可能造成较大社会环境等影响，则需启动应急放空程序并跟进评估。若出现重特大险情，大坝工作性态持续恶化，可能漫坝或溃坝，则需立即启动水库放空，增大放空水库力度，同时为减轻下游损失，还要相应启动下游应急转移和抢险救灾措施。

5.4 分级决策模式水库应急放空启动主要针对非常或极端状况下保证工程自身安全和公共安全。非常或极端状况往往是针对超设计预期的突发事件。由于意外事件的突发性，灾变演化的复杂性和处置的紧迫性，决策偏差将导致不堪设想的严重后果。因此，传统的“预测-应对”的决策模式难以应对复杂多变的突发事件，需要向“情景-应对”的决策模式转化。也就是对已发生的或者可能发生的事件进行分析、推演、归纳，总结其演化规律，构建出不同阶段的应急场景，根据应急活动、孕灾环境和承灾体等要素，开展监测分析、跟踪评估和实时调度。降水位和腾库容是不同应急场景下的目标，泄水放空是应急活动。应急调度需要对孕灾环境和承灾体的影响程度采取不同的调度形式。放空设施设计和调度运用要考虑分级调度下孕灾环境和承灾体之间的平衡。

(1)非常工况以校核入库洪水为基准，满足降水位或腾库容为目标，确定参与放空的泄水建筑物的规模、型式及布置，大坝、各类泄水建筑物和泄水设施要满足正常使用的承载能力要求，以此来构建非常状况的应急场景。应急调度以尽可能减小下游损失为目标，确定闸门开启顺序、开启孔数及开度等。此外，还需应用数字化、智能化、虚拟现实等现代信息技术，建立流域梯级水库群联合调度系统，通过电子沙盘、桌面推演和数字模拟，在流域尺度下开展放空设施启用和优化运行调度。

(2)当入库来水大于校核洪水且判断有增大趋势，此时既要考虑工程安全，又要考虑公共安全，既要防止溃坝，又要避免下游灾害损失。在险情处置初期以满足公共安全进行应急调度，为下游人员撤离预留时间；随着事态发展，例如库水位持续上涨或大坝性态有恶化迹象，那就需要加大水库放空力度，保证工程安全，避免出现漫坝或溃坝。按照流域应急管理要求，保持与地方政府和相关部门的紧密联系，实时跟踪分析评估工程所处风险等级、应急调度情况及其变化趋势。合理的应急调度能够确保水库大坝安全，并实现人员零伤亡且最大限度地减轻灾害损失。

(3)当遭遇超强地震、上游出现溃坝或者滑坡堵江形成堰塞湖，若库水位持续上升即将漫顶或可能导致溃坝的情况，此种情况为极端状况。极端状况的首要目标是保坝，必须启动所有放空设施，包括泄水建筑物以及非常规的泄水措施，控制库水位上升或迅速降低库水位。在此种极端状况下，非常规泄洪引起下游的潜在损失会很大，但必须认识到溃坝造成的损失会更大。工程安全是公共安全的前提。大坝等挡水建筑物整体按照极限使用状态控制，局部允许损坏，泄水设施允许损坏或损毁。极端情况下的水库放空设施除泄水建筑物外，可以是引水发电系统、船闸或升船机系统，也可以是应急重启的导流洞、人工爆破形成的应急溢洪道等。

6 结论

防止高坝水库极端灾变是我国防灾减灾工作的头等大事，放空设施是流域系统风险防控的重要安全设施，然而，目前我国对高坝水库枢纽工程设置放空设施缺乏强制性规定，对放空能力、库水位降速和放空时间等指标更缺乏具体的强制性参数要求。本文针对高坝水库提出水库放空有关概念，梳理相关指标，系统分析国内外水库放空设施工程经验和设置要求，选取我国典型高坝水库分析其放空能力，并就放空设施设置和启用的相关问题进行了探讨。主要结论如下：

(1)高坝水库放空设施可以弥补梯级开发规划、工程勘察设计和联合调度运用可能存在的短板，放空能力提升有助于提高水库群应对流域系统突发事件的能力。高坝大库放空能力主要取决于总库容、放空水位、坝型等设计指标，也受河流形态、河谷形状和库盆特点等因素影响。

(2)放空设施设计考虑的因素包括来水选择、放空指标、启动条件以及“情景-应对”的决策模式。对于每座大坝，可根据其在流域中的功能要求、水库调节能力、应急放空目的和要求，确定与之相适宜的放空设施设计方案；运行过程中，则需要根据应急放空预案和实际险情，实施分级应急调度。

(3)水库大坝设置放空设施应基于工程安全观、系统观念和科学方法论，不是仅仅就放空水位、腾空库容、放空时间、降水位速率对放空设施布置和设计画一条红线。放空设施的工程应用是对现有工程设计和运行管理的补充完善，本文可进一步增强水库大坝的应急能力和防灾减灾作用。

致谢：本文研究工作得到了中国电建集团贵阳勘测设计研究院专家团队的大力支持，谨向湛正刚总工、程瑞琳、孙卫等致谢。