富春江水电站水库安全应急预案及溃坝计算

2015-01-16杨彦龙余鸿慧徐兰玉

大坝与安全 2015年3期

沈静，杨彦龙，余鸿慧，徐兰玉

（1.国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，310014；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，310014；3.国网新源控股有限公司富春江水力发电厂，浙江桐庐，311504；4.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏南京，210012）

0 前言

富春江水库位于钱塘江中游浙江省桐庐县富春江上，为钱塘江干流上的一座大型水库，控制流域面积31 645 km2，占钱塘江流域总面积的57.0%，总库容8.65亿m3。富春江大坝距上游新安江大坝约60 km，下游距桐庐县城仅10 km左右，距杭州市约110 km。

富春江水电站位于富春江干流，工程以发电为主，兼有航运、灌溉等综合利用效益。电站主要建筑物有混凝土重力式溢流坝、河床式发电厂房、船闸、鱼道及左、右岸灌溉渠首等。坝顶高程32.2 m，坝顶全长560 m，最大坝高47.7 m。其中溢流坝段长287.3 m，溢流堰顶高程11.6 m，分设17个溢流孔，最大下泄流量34 850 m3/s。工程属二等大（2）型工程，挡水和泄水建筑物为2级，设计洪水重现期为100年，校核洪水重现期为1 000年。

富春江水电站于1958年8月在边勘测、边设计、边施工的情况下动工兴建，期间经历了停工、复工后于1968年12月蓄水，1977年4月5台机组全部投运，2003年新增的6号机组于2006年5月竣工投产。

为了提高应对富春江水库突发事件的能力，做好水库遭遇突发事件时的防洪抢险调度和险情抢护工作，减小遭遇特大洪水、超标准洪水或其他重大险情时对下游和库区造成的灾害或不利影响，最大程度地保障大坝、库区和下游人民群众的生命安全，降低事故造成的损失，有必要结合富春江水电站的实际情况编制水库安全应急预案。笔者就此应急预案的关键内容，对如可能的突发事件以及后果分析、溃坝洪水计算、险情分级与处置等进行了介绍。

1 突发事件分析

1.1 可能突发事件分析

按照水电站的运行特性，富春江水电站的突发事件分为自然灾害、生产安全事故、社会安全事件三类。

1.1.1 自然灾害类

富春江水电站为河床式电站，泄洪闸采用面流消能，大坝结构受溢洪道体型控制，断面肥大，大坝发生重现期100年洪水时上下游水位差约为6.9 m；发生重现期1 000年洪水时为7.2 m，上下游水头差不大。因此遇大洪水时富春江大坝应力、抗滑稳定问题不突出，但是超标准洪水时存在闸门开启故障或漂浮物淤堵的可能，仍存在漫坝或局部结构破坏的可能。

库区降雨汇流快，短时间内能导致水位暴涨，来不及预泄，发生漫坝。

上游新安江、湖南镇水库库容均超过富春江水库。一旦这2个大坝发生溃决，形成短时洪水，富春江大坝可能无法及时下泄，发生漫坝。

大坝未进行抗震设计，发生6度以上地震，大坝可能局部会有损坏，甚至垮坝。

船闸闸墙、闸门也可能因地震、洪水等原因发生垮塌或溃决。

富春江电站的厂坝区域地形复杂，两岸地形陡峭，厂坝区域暴雨洪水可能造成山体滑坡和泥石流等地质灾害的发生，以及水淹厂房。

1.1.2 生产安全事故类

富春江大坝存在船闸水力条件差、厂房尾水管出水口护坦末端淘空、左岸下游护坡镇梁基础较差、帷幕局部存在渗流通道、左岸边坡变形未稳定等方面的隐患，都可能导致大坝结构破坏、基础破坏、闸门破坏、滑坡等一系列险情，严重时可能导致漫坝、局部溃坝等重大险情。

未按照洪水调度原则进行洪水调度导致人为洪水的产生，导致下游城镇不必要地受灾，或洪水漫坝。

因电力供应等原因造成的闸门不能顺利提起或开启过慢而导致洪水漫坝。

上游大体积漂移物撞击大坝或闸门，造成大坝或闸门受损、或堵塞闸门、或闸门损毁洪水自由下泄的突发事件。

1.1.3 社会安全事件类

犯罪分子或恐怖组织可能利用大坝下游存在城镇和大量居民这一点，战争时也可能利用这一点来打击军事力量，对大坝进行破坏活动，造成电站人员伤亡、建筑物损坏等险情，严重时可能局部溃坝。

1.2 突发事件后果分析

富春江大坝为重力坝、低水头、坝较长，结构本身安全裕度很高，大坝因洪水而全面溃决的可能性非常小，突发事件的严重后果可能为漫坝或者大坝及船闸闸墙、闸门的局部溃决。

1.2.1 对电站区影响分析

富春江大坝下游为电厂生产基地，基地设防洪水标准按重现期20年考虑，当洪水超过此频率或发生人为洪水等情况下水位超过地面高程，后方生活区将不同程度地被淹。厂房尾水平台高程为21.1 m，高程偏低，当发生超校核洪水（校核洪水位时下游尾水位达到20.65 m）时，厂房将不同程度地被淹。

1.2.2 上游影响分析

富春江水库库区主要涉及兰溪和建德两市，目前库区农田设防标准一般为重现期10年、城镇为重现期20～50年。由于上游城镇防洪标准较低，富春江水库漫坝时库水位抬高，会对上游库区内的城镇带来影响，如可能引发滑坡崩塌，对上游城镇产生不利防洪影响。

1.2.3 下游影响分析

富春江水电站距离桐庐县城仅为10 km，距离富阳约40 km，由于这2个城镇防洪标准较低，富春江洪水下泄主要会对这2个县城城镇、农田造成影响。

桐庐县城的防汛控制站是桐庐水文站，桐庐水文站警戒水位10.7 m，危急水位11.7 m；桐庐水文站水位14.5 m，老城区开始进水；桐庐水文站水位14.7 m，农村堤防大部分失守；桐庐水文站水位15.1 m，江南新区开始进水。桐庐县的农村堤防防洪标准为重现期10～20年。

富阳城区的防汛控制站是富阳水文站，富阳水文站警戒水位7.7 m，危急水位8.7 m。富阳水文站水位9.2 m，部分江心洲被淹没；富阳水文站水位11.5 m，沿江城区开始进水，农村堤防部分失守；富阳水文站水位10.7 m，城区皇天畈堤防外大部分淹没。农村现有防洪工程设施防洪标准参差不齐。农防堤部分为重现期20年或重现期10年，小部分达到或低于重现期5年防洪标准，如大桐洲和新沙堤防。

1.3 可能突发事件排序

对可能发生的突发事件排序后，结果如下：

（1）发生库岸崩坍和山体滑坡等地质灾害、上游大体积漂浮物、沉船的可能性较大。

（2）其次为因大坝质量问题、工程缺陷及隐患而导致的滑坡、裂缝，进而导致的溃坝，工程运行调度、工程处理中的事故等导致的人为洪水等重大险情发生的可能性。

（3）发生超标准大洪水、上游水库大坝溃决、大地震、战争或恐怖袭击、人为破坏的可能性较小。

2 险情分级及处置

2.1 险情分级

2.1.1 一般事件

出现下列情况之一的为Ⅳ级事件，即一般事件：

（1）富春江水电站入库洪峰流量达到12 000 m3/s（相当于约重现期3年）及以上；

（2）闸门前发生杂物壅堵，或启闭设备故障，影响个别闸门的正常启闭及正常泄流；

（3）近坝库岸边坡出现小范围滑坡，但对大坝安全运行没有影响；

（4）运行事故引发的险情（如一路控制电源断路、坝顶桥坍塌等情况）；

（5）大坝轻度损坏；

（6）水库遭遇洪水时下泄洪水对下游乡镇、企事业居民生命财产、重要基础设施安全可能有不利影响；

（7）水库出现局部一般险情，且工程险情可控制；

（8）发生事故，未直接对水体造成污染，对饮用水源地暂不构成威胁的；

（9）国家应急管理部门、气象、防指等发布直接影响钱塘江流域富春江大坝以上地区的洪涝台灾害Ⅳ级预警（响应）。

2.1.2 较大事件

出现以下情况之一的为Ⅲ级事件，即较大事件：

（1）富春江水电站入库流量达到13 000 m3/s（相当于约重现期5年），洪水预报流量达到15 000 m3/s（相当于约重现期10年），并将继续增大；

（2）多处闸门不能及时提起泄洪；

（3）近坝库岸边坡出现较大滑坡，对大坝安全运行不产生大的影响；

（4）汛期由于运行事故出现的较大险情（如供应电站厂房、大坝启闭机房的两路电源同时断路）；

（5）生活区普遍进水；

（6）影响富春江水库安全的小型水库溃坝；

（7）大坝损坏严重；

（8）水库遭遇洪水时下泄洪水对下游乡镇、企事业居民生命财产构成威胁，或对重要基础设施可能造成破坏；

（9）水库出现险情，但工程抢险条件较好，险情可控制；

（10）发生事故，已造成水源地周边水体轻微污染，但污染未进入保护区，暂不影响水源地取水；

（11）国家应急管理部门、气象、防指等发布直接影响钱塘江流域富春江大坝以上地区的洪涝台灾害Ⅲ级预警（响应）。

2.1.3 重大事件

出现以下情况之一的为Ⅱ级事件，即重大事件：

（1）富春江水电站入库流量达到15 000 m3/s，洪水预报流量达到17 000 m3/s（相当于约重现期20年），并将继续增大；

（2）多处闸门无法提起进行泄洪，可能漫坝；

（3）上游除新安江、湖南镇以外的大中型水库溃坝；

（4）大坝损坏非常严重，但还不至于引发垮坝情况。

（5）厂房内机组及附属设备严重受损；

（6）水库下泄洪水对下游乡镇、企事业居民生命财产构成较大威胁，或可能对重要基础设施造成较大破坏；

（7）水库出现重大工程险情，但具备一定的抢险条件，工程险情在可控制范围内，一般不会造成溃坝险情；

（8）国家确定为重大水污染的事件，造成水库、河流等水源地周边水体严重污染，对饮用水源地构成严重威胁；

（9）国家应急管理部门、气象、防指等发布直接影响钱塘江流域富春江大坝以上地区的洪涝台灾害Ⅱ级预警（响应）。

2.1.4 特别重大事件

出现以下情况之一的为Ⅰ级事件，即特别重大事件：

（1）富春江水电站入库流量达到17 000 m3/s，洪水预报流量达到20 000 m3/s（相当于约重现期50年），并将继续增大；

（2）因闸门无法开启、库区大型滑坡等原因造成的漫坝；

（3）新安江或湖南镇大坝溃坝；

（4）因大地震、恐怖袭击等原因造成的富春江大坝或船闸闸墙、闸门局部溃决；

（5）水淹厂房；

（6）水库下泄洪水对下游乡镇、企事业居民生命财产可能构成极大威胁，或可能对重要基础设施造成巨大破坏；

（7）水库发生溃坝险情，或发生重大工程险情，抢险工作十分困难，极易造成溃坝险情；

（8）国家确定为特别重大水污染的事件；根据水污染危害程度、恢复整治能力和社会影响等综合因素，研究确定为特别重大水污染事件；

（9）国家应急管理部门、气象、防指等发布直接影响钱塘江流域富春江大坝以上地区的洪涝台灾害Ⅰ级预警（响应）。

2.1.5 等级调整

当水库安全突发事件所产生的严重程度、影响范围和发展趋势发生变化时，应根据严重程度和发展趋势，适时调整（降低或提高）事件等级。

（1）当满足Ⅳ级事件条件，按Ⅳ级事件的应急响应进行险情抢护；

当满足Ⅲ级事件条件，按Ⅲ级事件的应急响应进行险情抢护；

当满足Ⅱ级事件条件，按Ⅱ级事件的应急响应进行险情抢护；

当满足Ⅰ级事件条件，按Ⅰ级事件的应急响应进行险情抢护。

（2）确认洪水消退，水位低于坝顶高程，入库洪峰流量减小至17 000 m3/s及以下；或其他Ⅰ级事件情况解决，Ⅰ级事件解除，按Ⅱ级事件的应急响应进行险情抢护；或库水已放空，险情解除。

当入库流量下降到15 000 m3/s以下，天气转好，汛情稳定，或其他Ⅱ级事件情况解决，Ⅱ级事件可解除，或转入Ⅲ级事件状态。

当入库流量下降到13 000 m3/s以下，天气转好，汛情稳定，或其他Ⅲ级事件情况解决，Ⅲ级事件可解除，或转入Ⅳ级事件状态。

当入库流量下降到12 000 m3/s以下，天气转好，汛情稳定，或其他Ⅳ级事件情况解决，Ⅳ级事件警报可以解除。

2.2 应急启动

（1）当水库出现Ⅳ、Ⅲ级、Ⅱ级中厂房内机组及附属设备严重受损、Ⅰ级中水淹厂房事件时，由富春江水电厂启动相应等级应急预案，可会商启动，上报浙江省防汛防台抗旱指挥部及其他相关主管部门。

（2）当水库出现Ⅱ级（除厂房内机组及附属设备项外）、Ⅰ级（除厂房内机组及附属设备项外）事件时，由富春江水电厂立即向浙江省防汛防台抗旱指挥部报告，由浙江省防汛防台抗旱指挥部根据《浙江省防汛防台抗旱应急预案》宣布启动相应等级应急预案，富春江水电厂启动电厂相应等级的应急预案，同时报告国家能源局浙江监管办公室、国网新源控股有限公司等相关主管单位部门。

（3）特殊情况下富春江水电厂可先直接启动相应等级应急预案，并及时报告。

2.3 应急结束

以“谁启动，谁结束”原则结束本预案。结束应急预案的决策机构为应急指挥部。富春江水库入库流量降至12 000 m3/s以下，并在短时间没有回升的可能，并且经气象部门发布预告近期没有较大降雨，或水库、大坝险情基本得到控制，经过专家认定没有恶化可能时，具备了结束的条件。

2.4 应急处置

2.4.1 险情与应急处置情况报告

2.4.1.1 险情上报

上报内容：雨量、入库流量、上下游水位、下泄流量、险情预评估、抢护措施等。

上报单位为：浙江省人民政府防汛防台抗旱指挥部、杭州市人民政府防汛抗旱指挥部、桐庐县人民政府防汛抗旱指挥部、国网新源控股有限公司，联络方式为电邮和传真。

频次：按当年防汛部门及上级主管机关要求的时间、项目、段次和标准，及时准确向有关部门发报水雨情。出现险情时，还需同时上报险情预评估、抢护措施等。

2.4.1.2 上下游险情处理

当洪水标准超过上下游城镇防洪标准时，应通知上下游城镇相关区域进行撤离。通知方式为由电厂通知省、市及各县人民政府防汛抗旱指挥部，由防汛抗旱指挥部通知城镇政府部门，政府部门再根据洪水情况确定撤离区域。

2.4.1.3 电厂险情处理

通过对库区雨量、流量及水位的监测来预测洪水的级别；对大坝变形、扬压力及渗漏量监测资料进行分析以及对大坝、库区进行巡视检查，必要时进行特种检查，评估大坝的工作状态。

2.4.1.4 应急处置情况报告

应急处置方案应征得浙江省人民政府防汛防台抗旱指挥部或其他主管部门同意后组织实施，处置情况随时报告。特殊情况可先实施后及时报告。

2.4.2 应急抢险

富春江水库工程如果发现工程险情，应进行工程抢护。针对不同的工程险情，采取不同的工程措施。

人员应急转移情况如下。

2.4.2.1 生活区应急转移

厂内各区域地面高程见表1。根据计算，如果下泄流量超过13 000 m3/s，则汽车队、水工楼等区域将要进水；超过23 100 m3/s，生活区域可能普遍进水。

生活区应急转移主要方案如下：需要住户搬迁或转移时，一律由经营副厂长组织安排。遭遇较大险情时，生活区人员立即转移至上、下游高高程安全地带或左右岸山坡上；可能遭受水淹的生产区域的设备材料转移，由该生产区域的公司部门负责搬迁，综合公司汽车队给予配合；遭受水淹区域的电源由综合公司负责切断，重要抢险场所架设临时电源；生活物品供应，生活公司要及早做好统一安排。

表1 富春江电站各区域地面高程Table 1 Ground elevation of each component of Fuchunjiang power station

2.4.2.2 厂房、厂区及大坝应急转移

当发生主厂房进水时，为保证人员安全，厂房内所有人员迅速从楼道经厂房门口，从1号岗哨对面的左上坝公路小门向左岸山坡上撤离。当大坝有漫顶的可能时，所有非生产人员服从统一指挥撤离到左岸、右岸山坡等安全地带，抢险人员做好临时围堰等工程防御措施后，也撤离至左岸、右岸山坡。当发生一级险情时，所有抢险人员及其他低高程位置的避难人员全部向山坡等高高程安全地带撤离。

大坝右侧工作人员撤退路线：右岸坝内→右岸山坡坡顶；大坝左侧厂区撤退路线：左侧厂房内、厂区、开关站→左岸山坡坡顶，见图1。

当发生紧急情况如上游入库流量过大，下游水位升高过快，有些人员不能及时按照设计线路安全转移时，应立即自行转移至两岸地势较高处，以确保个人的人身安全为首要目的。

图1 富春江电站人员撤退示意图Fig.1 Diagram of evacuation for Fuchunjiang power station

2.4.2.3 上游应急转移

当遭遇超过重现期20年的大洪水时，兰溪市回水高度超过31.14 m（重现期10年回水高度），市内富春江库区农防工程保护区内的3.6万人需转移。当遭遇超过重现期50年的大洪水时，兰溪市城区防洪堤内将全部被淹，18.2万人需转移。

梅城镇属于建德市，位于富春江水库库区内，人口3万人。富春江水库建设时，为保护古城、减少移民而采用建防洪堤方式未被迁移。防洪堤堤顶高程为30.5 m（黄海），另加防浪墙1.2 m。当水位超过31.7 m时，3万人口需全部转移。

2.4.2.4 下游应急转移

富春江电站下游2 km处为杭新景高速富春江大桥，大洪水时，洪水本身及泄洪均对大桥有一定影响，需封闭大桥。对下游的桐庐、富阳2县市，不同程度的下泄流量及水文站水位引发的下游需转移人口也不同。

桐庐县因为富春江洪水而被淹没农田及需要转移人口情况见表2。

富阳县因为富春江洪水而被淹没农田及需要转移人口情况见表3。

表2 桐庐县淹没农田及需要转移人口情况表Table 2 Flooded fields and evacuated population of Tonglu county

表3 富阳县淹没农田及需要转移人口情况表Table 3 Flooded fields and evacuated population of Fuyang county

3 应急构成单位及组织机构

应急组织应由当地政府、水行政主管部门、能源监管机构、行业主管部门和业主、水库管理单位等组成。视突发事件类型、级别及影响程度，成立相应应急指挥机构。发生特定突发事件时，首先由富春江水力发电厂组织应急响应，在超出电厂响应能力范畴时，及时通知上下游政府机构，启动社会应急响应。

当富春江水库发生Ⅰ级水淹厂房、Ⅱ级厂房内机组及附属设备严重受损、Ⅲ级、Ⅳ级事件时，由富春江水电厂自行成立应急指挥部，并及时报告。

当富春江水库发生Ⅰ级（除厂房内机组及附属设备项外）、Ⅱ级（除厂房内机组及附属设备项外）突发事件时，应立即报告并由地方政府成立富春江水库大坝突发事件应急指挥部（简称“应急指挥部”），由地方行政首长作为应急指挥部的指挥长。

应急指挥部成员单位由以上规定的相关单位组成。应急指挥部可设在现场，也可设在地方政府指定的其他办公场所。

4 溃坝洪水计算

采用MIKE11软件中美国国家气象局编制的溃坝洪水预报模型DAMBRK模型。一维溃坝洪水基本方程组可用圣维南方程组描述，其连续性方程为：

运动方程为：

式中：x——流程，m；

Q——流量，m3/s；

Z——水位，m；

g——重力加速度；

B——河宽，m；

t——时间，s；

ql——侧向单位长度注入流量，m2/s；

A——过水断面面积，m2；

R——断面水力半径，m；

β——动能修正系数；

n——糙率系数。

取相对合理的较不利溃决方式进行计算，即取最大坝高的1个或2个坝段溃决，以及船闸发生溃决。又分析了最不利的溢流坝段全部溃决的情况，此时水库已预泄至溢洪闸堰顶高程11.60 m。

根据溃口形态及溃决时库水位，拟定本次溃坝洪水模拟的计算工况，溃坝计算工况见表4。

各计算工况溃坝洪峰、坝下水位及水库放空时间见表5。

5 结语

本应急预案针对富春江大坝实际情况，对富春江大坝可能面临的突发事件进行了深入的分析，进行了溃坝洪水计算，并指出可能的后果，使大坝运行管理人员非常清楚大坝可能遇到的险情；在此基础上进行了险情分级，使运行管理人员清楚不同突发事件发生时应采取的应急程序及响应；提出的具体处置方案，有效地指导了抢险、救援及转移工作。