三河口水利枢纽上游围堰工程溃坝风险分析

党　力

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001)



三河口水利枢纽上游围堰工程溃坝风险分析

党力

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001)

三河口水利枢纽工程导流标准为10 a一遇，相应的上游围堰采用土石围堰，10 a一遇设计标准，在施工期挡水运行。子午河为季节性河流，夏季易发生暴雨，具有历时短，强度大的特点，如发生超标洪水，存在溃决的风险，溃决洪水具有历时段、洪峰流量大的特点，对上游围堰以下河段分布的部分城镇带来一定影响。根据围堰的坝体的材料和特点，拟定溃决方式为逐渐溃决进行溃坝洪水计算，根据河道特性进行沿程洪水演进分析，结合演进分析对下游村镇洪泛区进行普查，根据溃坝洪水对下游群众的生命安全是否造成灾害确定溃坝洪水范围。通过对该工程溃坝洪水风险分析，如发生溃坝，会对下游的城镇和群众造成一定的损失和影响，并提出加强水情测报、保证工程质量以及下游群众撤离方案等防止和减小溃坝影响的措施，同时建议应将围堰工程溃坝影响分析纳入施工专业导截流方案比选的一个条件。

围堰；溃坝；溃口；洪峰流量；演进分析；洪泛区

引汉济渭工程等别为Ⅰ等工程，工程规模为大(一)型，三河口水利枢纽为引汉济渭工程的两个水源之一，是整个调水工程的调蓄中枢。工程枢纽主要由大坝、坝身泄洪放空系统、坝后供水系统、生态基流放水管等组成。其中，该工程施工总工期54个月，施工导流采用河道一次断流、隧洞导流方式，根据导流方案规划，2016年、2017年围堰挡水度汛，设计洪水标准为10 a一遇洪水，相应洪峰流量为2 640 m3/s。上游围堰作为临时建筑物，按照Ⅳ级建筑物设计，采用土石围堰型式，围堰轴线处河床地面高程约为526 m，堰顶高程569.0 m，围堰高度约为42.8 m，蓄水水位567.11 m，对应库容为4 357万 m3。

图1　上游围堰横剖面

该工程位于汉江上游北岸的一级支流子午河段，夏季易发生暴雨，具有历时短，强度大的特点，如发生超标准洪水，上游围堰存在溃决的风险，溃决洪水对上游围堰以下河段分布的部分城镇带来一定影响。根据以上特点，围堰溃坝影响主要针对下游群众的生命安全进行分析，主要解决问题是：(1)对溃坝风险进行管控；(2)确定对下游受到溃坝洪水威胁影响的范围；③为防汛预案提供依据。

1　上游围堰溃坝分析方法和标准选择

1.1溃坝分析方法

水库大坝的溃决型式很多，主要取决于坝体材料和大坝结构。重力坝、拱坝、浆砌石坝和支墩坝等刚性坝体一般为瞬时溃决，堆石坝、土石坝等散粒体坝一般为逐渐溃决。该工程上游围堰采用土石挡水围堰，其主要溃决方式为逐渐溃决，所以，本次主要针对逐渐溃决情况下上游围堰出流过程介绍。

鉴于该工程上游围堰基本资料与坝址下游子午河两岸地形资料比较齐全，且精度较高，本次主要采用能够反映实际情况变化影响和预测分析洪水风险特征的水力学法。

1.2标准选择

溃坝失事的原因很多，例如地震破坏；超过设计标准的暴雨洪水漫顶冲蚀破坏；渗流变形破坏；坍塌、滑坡事故；施工质量差等原因，根据该工程上游围堰的型式分析，可能出现的溃坝的原因：(1)标准内洪水，因结构问题发生溃坝；(2)超标准洪水，漫顶冲蚀破坏发生溃坝。本次主要介绍因超标洪水，引起漫顶冲蚀破坏造成溃坝。其中，上游围堰设计洪水标准为10 a一遇，下游城镇的防洪标准为20 a一遇，所以，选择漫顶冲蚀造成溃坝的洪水标准为20 a一遇。

2　上游围堰溃坝分析

根据该工程上游围堰结构设计，堰体顶高程为569.0 m，在高程535.0 m以下均布置有混凝土防渗墙，所以本次计算拟定上游围堰溃坝底高程为535.0 m。根据上游围堰库容曲线查的，上游围堰水位569.0 m，库容为4 880万 m3，上游围堰水位535.0 m，库容为70万 m3。所以20 a一遇洪水标准引起漫顶冲蚀破坏造成溃坝有效下泄库容为4 810万 m3；10 a一遇洪水标准发生溃坝有效下泄库容为4 286.9万 m3。

2.1溃坝洪水计算

2.1.1溃口宽度确定

逐渐溃坝的计算，实质上是解决溃口宽度大小的计算，当溃口大小确定后，即可采用局部溃坝公式计算溃决流量的大小。根据经验，溃口平均宽度分别采用铁道部科学研究院公式、黄河水利委员会公式和中国水利水电科学研究院陆吉康公式估算。通过公式对上游围堰下游河谷形状、下游河道条件等方面的适应性比较，其中，铁科院法与黄委会法的公式形式基本一致，均考虑了坝体土质、坝顶长度、溃坝库容和坝前水深共计4个参数，然而陆吉康法则未考虑水库的坝顶长度。该工程上游围堰为土石围堰，采用土工布防渗，因此该工程上游围堰溃口宽度采用铁科院法计算成果。

表1　上游围堰溃口宽度计算成果表

2.1.2溃坝洪水流量计算确定

根据确定的溃口宽度，采用肖克利契公式、美国水道试验站公式和黄河水利委员会公式分别进行计算：

表2　上游围堰最大溃坝流量计算成果表

从表2可以看出，三种方法的计算结果相差不大，其中水道试验站公式和黄委会公式形式基本一致，而肖克利契公式未考虑溃口宽度。综合考虑，因此本次最大溃坝流量采用黄委会公式的计算成果。

2.2溃坝洪水演进分析

溃坝洪水主要危害下游，所以溃坝洪水达到下游各断面的洪峰流量和到达时间是大家关切的问题。

2.2.1下游断面选择

该工程上游围堰至入汉江口河道长约50 km，沿河道在1:10 000图上剖取河道断面，断面间距3 km左右，同时考虑河道形状、河势及河道周边集镇等因素，共布设27个断面，最末端断面为子午河入汉江口处。同时，根据在上游围堰以下河段涉及到城镇、人口密集区域等敏感河段选取7个位置进行实测水文大断面，进行洪水演进分析。

2.2.2溃坝下游洪水演进计算

(1)溃坝洪水演进至下游洪峰流量可以用任何非恒定流解法向下游推演，求得任何断面的流量过程和水位过程线。但因溃坝波为单波，峰形尖瘦，向下游演进时，水流受河槽调蓄作用，流量过程线尖峰部位很快坦化，所以，一般采用黄河水利委员会经验公式进行计算：

(2)各典型断面的水位流量关系采用曼宁公式Q=R2/3J1/2A/n计算，得到河道各典型断面的水位流量关系曲线，根据水位流量曲线，对应各断面的洪峰流量确定各断面的溃坝洪水水位。

(3)溃坝洪水传播快，尤其以坝址附近波速最大，破坏力强，但随着坝址远近的变化，消减很快，冲刷破坏力减弱，本次计算根据黄河水利委员会科研所实验求得溃坝洪水传播时间的经验公式计算。

2.3溃坝洪水影响范围确定

上游围堰溃坝为概率事件，是对该风险的预估分析。如坝体溃决，溃坝洪水的主要特点是：水库拦截形成的水体突然泄放，对下游形成涌波，洪流巨浪，虽然洪峰历时短，但洪量巨大，对下游群众的生命财产危害是极其严重的，所以溃坝洪水对下游城镇的影响主要从群众的生命安全出发，溃坝洪水的影响范围确定依据为是否对下游群众造成灾害确定。

表3　上游围堰溃坝洪水计算表

根据以上原则，统计溃坝洪水演进至城镇1～城镇6的洪峰流量、洪水历时和溃坝洪水水位，同时对以上6个村镇进行现状调查，主要包括各个村镇现状地坪高程、人口以及房屋等情况。通过表4可以看出，根据溃坝洪水演进分析成果、各水文断面水位和现状调查请况，确定洪泛区的范围。在确定的洪泛区范围内，对涉及到的村镇以及零星群众进行实际普查，对重点区域如撤离安置点等的高程进行测量，以确保溃坝洪水的影响范围科学、合理，确保下游群众在突发情况下的生命安全。

3　结语

对于大型水利枢纽工程，其临时建筑物的规模也相对较大，在施工期的安全问题尤为重要，直接影响工程的顺利进行，科学合理的对溃坝风险进行预先评估，是工程在汛期制定度汛防洪预案的重要依据。所以，通过以上分析，如果发生超标准洪水或结构破坏，该工程上游围堰存在溃决的风险，会对下游的城镇和群众造成一定的损失和影响，因此关于溃坝的防止和减小影响的措施，总结以下三个方面：

(1)提高风险防范意识，在上游围堰运行期间，特别是在汛期，及时与水文站、气象部门及当地加强联系，及时收集水情、气象预报，密切关注河水水位和流量变化情况，进行快速洪水预报，发布洪水预警。

(2)保证施工质量，配备观测设备，对上游围堰进行日常性观测监视，发现渗漏、沉陷、裂缝、位移等，及时通报并及时提出并实施处理措施；

(3)上游围堰设计水位为567.11 m，堰顶高程为569.0 m，在上游围堰运行期间，汛期需对上游围堰水位进行实时观测，结合水情预报，如预报洪峰流量大于10 a一遇标准，同时上游围堰水位大于567.11 m，即通知地方政府组织群众撤离至预定安全位置。

同时，在工程设计的前期阶段，应将围堰的溃坝影响分析纳入施工专业导截流方案比选的一个条件。

2016-06-14

党力(1984-)，男，陕西合阳人，工程师，主要从事水工设计方面工作。

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