山区水库土石坝防洪安全及对策

武 清

(新疆水利水电规划设计管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

自20世纪90年代以来，新疆的水库建设已从平原水库全面转入山区水库建设，目前已形成以当地材料坝为基本坝型，以沥青混凝土心墙堆石坝、混凝土面板堆石坝及粘土心墙砂砾石坝等为主要代表坝型的发展趋势。新疆已建成水库655座，90%以上水库大坝均采用土石坝坝型，土石坝在世界坝工建设中是应用最为广泛和发展最快的一种挡水坝。随着我区坝工技术的快速发展和施工技术水平的不断提高，在高海拔、高严寒以及深厚覆盖层上等恶劣条件下，土石坝建设取得了不断的突破和发展，是我区乃至全国已建或在建水库中坝高最高的坝型。

从防洪和抗震角度看，由于土石坝表面不抗冲，坝体为未胶结砂石料或堆石料填筑而成，一旦遭遇突发性超标准特大洪水或地震等自然灾害时，有可能出现漫顶、塌陷、滑坡和结构破坏等情况，存在导致大坝溃决的重大风险。水库大多位于偏僻的丘陵山区，溃决时水量突然集中宣泄，峰高量大而水势迅猛，且冲积范围大，常造成下游水位暴涨和库水位陡落，能引起库区塌岸和其它损失，更严重的会导致水库下游地区灾害性的后果。

面对当前气候等自然条件变化的特点，以及众多已建中小型水库存在的现实问题和潜在的安全隐患，对新疆山区中小型水库安全性和可靠性进行研究和分析，以期提出相应的解决方案和应对措施，成为保证中小型水库工程建设和安全运行急需解决的关键技术问题。

1 土石坝防洪安全性分析

1.1 工程实例分析

2018年，新疆某水库上游山区发生极端强降雨引发的超标准特大洪水，致使水库在短时间内漫顶和溃决，造成水库管理人员和设施，以及下游两岸巨大的人员和财产损失。水库失事过程中电力线路、场内外交通道路多处被冲毁，坝后管理站房被淹埋。据本次洪水最大洪峰和洪量量值及过程调查成果，与原水库设计洪水成果相差极大，致使水库实际调洪能力严重不足，按此超标洪水量级，泄洪建筑物规模明显偏小，泄洪的安全储备明显不足。紧急情况下放空设施无法开启运行，即便开启由于泄量很小也无法满足水库泄洪放空的实际需求。

该水库坝顶设置有钢筋混凝土防浪墙和20cm厚现浇混凝土路面，防浪墙底部基础在坝顶以下埋深1.5m，坝体下游坡采用一般的碎石护坡。事后残余坝体断面勘察，溃口以外的坝体坝顶防浪墙和混凝土路面起到了很好的防冲保护作用，坝顶以外的下游坝坡则基本被冲毁。根据视频资料显示，从开始漫顶到溃坝持续时间约2h，提前放空水库虽然不能避免此次漫顶溃坝事件的发生，但可增加水库的调洪能力，缩短漫顶的持续时间和减小过坝流量。

水库由于底孔排沙和放空设施常年不用而失效，遭遇突发洪水时库水位急速升高，预警和防范时间很短，来不及应对和采取其它措施库水位即到坝顶，正常操作和人员安全撤离等均不能保证应急预案所规定的时间，从而造成漫顶溃坝失事后人员财产的重大损失。

1.2 入库设计洪水的安全性分析

水文基本资料关系到设计洪水计算方法的选定及成果质量，设计洪水成果是否合理，直接关系到预设水库调洪能力大小及水库今后的防洪安全。

相比河川径流，新疆山溪性河流洪水具有更大的随机性，洪水成因复杂。由于各区域流域下垫面条件的差异性较大，河流的洪水成因呈现多样化分布。2016年8月新疆大青河和阜康白杨河均发生了历史特大洪水，两河实测及调查的最大洪峰流量均超过水库校核洪峰流量。经事后洪水调查，主要为上游暴雨型洪水与堰塞湖溃坝型洪水叠加形成，将该场洪水加入后与原设计成果对比增幅几乎翻倍。

河流出山口上下游洪水系列往往缺乏一致性，缺乏考证期长的历史洪水资料。气候变化对工程场址局地暴雨可能产生的影响，流域下垫面变化对产汇流条件的影响，坝址上游建设调蓄工程可能溃坝对水库入库洪水带来的不利因素，都将对入库设计洪水成果的安全性产生很大影响。在新疆很多中小河流设计依据站位置较为偏低，位于出山口后的冲洪积扇径流和洪水散失区，在这样的河流上开展工程设计，应充分重视设计依据站的洪水还原问题。

水文站通常具有雨量观测资料，加上气象部门气象台站的雨量观测资料，故雨量观测资料比流量资料要丰富，有利于采用设计暴雨推算工程场址的设计洪水。因此，相当多的中小型水利水电工程的设计洪水，是通过设计暴雨洪水计算途径所获得。采用推理公式推算设计暴雨洪水，因存在参数选择合理性的验证，暴雨设计洪水成果的精度难以评判。对设计暴雨洪水计算而言，新疆地区尚缺有关土壤下渗强度、暴雨衰减指数等方面的查算图表。采用图集中流域调蓄经验单位线法进行设计暴雨洪水计算虽然简便，但适用区域较窄，仅在天山北坡一带含冰川补给的中等流域比较适用，扩展到其它地区时，从工程实践情况分析，成果普遍偏小，设计采用不安全。

库区上游泥石流的调查和分析，对于暴雨洪水可能产生的附加量以及对工程的影响也是水库工程设计中需要高度关注的问题。

1.3 泥砂淤积和防沙调度对防洪安全的影响

新疆地处内陆干旱区，有570余条河流，多是山溪性多泥沙河流，具有含沙量大、泥沙粒径粗等特点，特别是洪水期，水流含沙量高达7～14kg/m3。由于高含沙量导致的水库淤积，极大地影响了水库工程的使用寿命。已建成的470余座中小型水库中，由于库容淤积严重，使用年限大大缩短。克孜尔水库由于泥沙淤积严重，使用年限较设计使用年限缩短近10年。头屯河水库、三屯河水库、红山水库以及阿湖水库等，由于库盘淤积非常严重，致使水库在汛期不得不降低汛限水位或放空水库冲砂运行，甚至造成水库防洪能力严重不足，影响了水库效益的正常发挥及自身的防洪安全。

底孔长期不泄洪或排沙以及高水位运行，水库相当于一个大的沉沙池，大部分泥沙都可能淤积在库内，造成水库淤积年年增加。随着水库不断淤积，上游河床原有纵坡逐年变缓，会加剧淤积的进一步发展和扩展，使淤积更加严重。

新疆某水库设计时预留30年淤积库容105万m3作为死库容，但溃坝后实际测量对比分析发现，水库运行不到10年库盘内泥沙淤积约227万m3，已接近正常蓄水位库容的一半，还不包括由于溃坝泄空水库导致的库内淤积量的减少。由此说明，位于多泥沙河流的山区水库，由于长期不排沙或无有效的排沙措施和排沙调度，必将会带来水库运行期间的大量淤积，从而降低水库的实际调洪能力。

入库泥沙分析计算成果直接关系到水库的淤积计算、防沙调度、合理的使用年限以及使用期内的兴利调节和调洪能力，进而影响水库的防洪安全。因此泥沙成果及合理性分析，也是决定水库防洪安全的重要因素。

1.4 运行调度对水库防洪安全的影响

新疆某水库由于导流放空底孔设计流量很小，不具有冲沙、泄洪以及紧急情况下放空或提前预泄的功能，加上长期不开启运行，进口或已淤堵，闸门当时已无法开启，造成了水库在汛期根本无法实施有效的防洪调度和应急管理。

一些工程将底孔作为泄洪的安全储备，但在设计洪水工况下调洪和运行时不参与泄洪，导致管理人员放松警惕，在来洪水时经常性不需做调度和闸门开启运用，虽然便于管理，但也带来隐患，以至于底孔闸门长期不操作运行。当发生超标准洪水时，泄洪底孔闸门往往无法开启或来不及开启，造成泄洪的安全储备形同虚设。

2 山区水库提高防洪安全性的对策措施

2.1 设计洪水成果的合理性分析及安全性评价

新疆多数中小河流无实测洪水资料，或水文系列短，在此类河流工程设计实践中较多采用方法是根据参证站设计洪水和坝址历史洪水调查评价成果，采用地区综合法、洪水模数法和水文比拟法，根据设计暴雨推求设计洪峰流量和时段洪量，根据参证站实测典型洪水过程线，采用同频率或同倍比放大法推求设计洪水过程线。

在设计洪水相关分析中，设计站与参证站的流域面积、高程和位置、下垫面及产汇流条件、洪水成因等与工程所在流域的相似性，以及相同流域上下游条件的一致性，是工程设计洪水分析计算需要重点关注和研究的内容。

开展工程所在流域的历史洪水调查及成果的合理性分析，是无洪水实测资料地区设计洪水成果计算分析的重要依据。在工程场址历史洪水调查中对重现期的论证至关重要，调查断面最好与拟建坝址断面相应，对于距离坝址断面较远的调查断面勘测的历史洪水，若考虑坦化和衰减则应极其慎重，对径流汇集区或坡陡流急的山区则不宜考虑。应尽可能开展时段洪量的调查，同时要注意实测断面河床冲淤变化对调查洪水计算成果的影响。

另外需要重点关注的是，山溪性河流一般山洪沟发育，复杂地形地貌的下垫面条件，造成了洪水成因的多样化和复杂性。因此，除应按规范对设计洪水成果进行合理性和安全性评价、论证校核标准修正的必要性外，针对山溪性河流的特点，应充分利用遥感资料进行排查，并通过调查确定工程以上流域现存的堰塞湖数量、分布情况及容积等，估算其溃决洪水。

临近流域由于建设跨流域引水工程，也会对工程所在流域形成汇流通道，在冲洪积扇河段修建水库工程，还应分析相邻流域或洪沟洪水漫流可能汇入本流域的区间洪水和叠加组成。本文提及的工程案例，即存在相邻流域洪水汇流的条件和影响。

山区及偏远地区山溪性河流修建水库工程，因实测资料匮乏，应对运行过程中实测资料的收集及历史洪水调查进行持续关注，根据新的资料条件对原水库设计洪水成果进行复核，如有必要应适时调整和降低汛限水位运行。

2.2 洪水标准及保坝洪水的设置

无资料地区的山区小型水库，局地暴雨多发区，或上游有水库、下游有重要设施的工程，设计洪水及校核洪水标准宜取规范规定的上限，校核洪水洪峰流量成果也可按规范加大15%～20%。

对于既无实测资料也无历史调查洪水成果，或调查资料可靠性差、上游有存在溃坝风险的水库或跨流域引调水工程、采用暴雨图集推算的设计洪水成果的河流上建设水库工程，经过论证必要时可设置保坝洪水，或增加防止洪水漫坝的非常泄洪设施，加大泄洪建筑物的安全储备。

为了增加安全性，避免闸门因突发事件而打不开的情况发生，在水库调洪演算时，应复核底孔不泄洪而只有表孔按最大设计流量泄洪的运行工况下，发生校核洪水时水位不超过坝顶的保坝要求。

对于早期修建的土石坝，应结合区域降雨、径流条件，每隔5～10年进行洪水复核分析，当出现洪水偏小情况时，应及时采取补救措施，确保工程的安全运行。

2.3 泄洪建筑物的设置及其规模

同时设置表孔和底孔两种泄洪方式是必要的，低坝宜设置表孔和底孔两个泄洪设施，高坝宜表、中、底孔均设。对于泄洪建筑物分散布置或管理不便的水库工程，表孔宜采用开敞式无闸控制泄洪方式，且采用溢洪道的型式。宜尽量利用岩质岸坡或自然冲沟开挖布置溢洪道，以增加超泄和抗冲刷能力。泄洪底孔需兼做水库的放空设施，高坝可结合底、中孔根据不同的水位来安排不同的预泄和放空设施。

底孔在防洪调度时可设定一定的限泄流量，需满足水库提前预泄或放空的功能要求。同时在汛期低水位或空库条件下，利用洪水可实现低水位集中冲沙排沙的防沙调度，防止底孔长期不运用而导致进口被淤堵的可能，同时可排沙减淤，延长工程的使用寿命。因此泄洪底孔的泄流规模不宜过小，一方面可参与水库的防洪、防沙调度，另一方面也可作为水库泄洪的安全储备来考虑，以增加防洪调度的安全性和灵活性。底孔参与泄洪有利于放空设施的经常性开启和排沙调度运行。

泄洪设施和通道的畅通也是保证遭遇突发性洪水时防洪安全的重要因素，对不同泄量和水位下的流态变化，泄洪通道的实际泄洪能力需经过认真分析，必要时应结合模型试验来验证和调整，应保证溢洪道的水流处于非淹没和急流运行状况。避免较大漂浮物对泄洪建筑物进口堵塞的风险。

在无增加泄洪设施的条件下，低坝在坝顶及后坝坡相应位置可采取相应的防护措施，使洪水漫坝时在预设的防护段下泄，以抗冲刷和缩短水库漫坝的持续时间，避免由于短历时、强降雨或突发洪水而引发不必要的溃坝风险。

对水库放空设施工作闸门和启闭设施的管理和检查必须按操作规程，保证其可经常性操作运行，并防止进口被淤堵的情况发生。

2.4 确保水库具有相应的调洪能力

(1)要充分利用洪水对库盘采取异重流、高渠冲沙或低水位大流量集中冲沙等多种排沙方式。高水位对处于调洪库容、尤其是库尾的推移质泥砂排沙效果不明显，只有低水位或空库条件下，排沙减淤效果明显。因此，底孔设计流量宜满足造床流量或常遇洪水要求。

(2)水库的淤积与预期合理的使用年限有密切关系，在对水库不同时期的淤积库容计算时，要对其淤积形态，淤积后的库容曲线等作出合理的预测，结合底孔排沙设施的布置和水库排沙调度运行，以及运行管理的强化和执行，确保水库兴利和防洪切实发挥作用。

(3)早期高坝一般施工期及后期沉降量可达坝高的0.6%～1%，目前一般可控制在0.5%左右。但在水库坝工设计时，仍应充分考虑坝体沉降而导致的超高不足。对于库区存在滑坡或泥石流等地质灾害的工程，设置坝顶超高也应考虑上述因素可能带来的不利影响。

2.5 调度运行及应急管理措施

(1)加强防洪调度及应急管理，提高监测预警的可靠性，增加管理人员及下游河道两岸人员的防洪意识，加大水雨情测报系统的投入与建设，保证防洪抢险物资与应急部队的调运。

(2)坝顶宽度宜适当加大，满足紧急情况下应急抢险的要求，交通道路设施应安全可靠，并形成闭合环路，且不与泄洪设施或泄洪通道交叉布置，以保证抢险和撤离路线的安全顺畅。

(3)制定不同阶段的汛限水位，汛期采用汛限水位动态控制运用方式，可充分利用初汛、汛末洪水相对较小的规律，按汛限水位运行以缓解供需矛盾；利用主汛期洪水较大的规律降低汛限水位以减轻水库和下游的防洪压力，同时也便于水库汛期实施低水位冲淤排沙，便于管理和灵活调度。

(4)水情自动测报系统的建设，是对水情的提前预报，是增加预警时间和提前采取措施必不可少的重要手段。对此，加强水库防洪调度及应急管理，确保水雨情自动测报系统和备用电源等应急管理设施等配备以及设施的安全，增加管理单位的应急处突能力至关重要。

(5)对于处在人口稠密及工况企业密集区域上游的山区水库，应增加水库的泄洪和调洪能力，设置多种泄洪通道及必要的安全储备，有利于加大水库防洪调度的灵活性及安全性，对遭遇超标准突发性洪水时，增加预警和应急反应时间，防止大坝漫顶和溃决的风险防控和应急管理，以及延长工程的使用寿命，都具有实际意义和效果。

3 结论

流域发生异常特大暴雨，山体发生大面积滑坡或泥石流等自然灾害，上游发生垮坝时，因入库流量超过水库设计标准，或水库突然淤积导致库水位异常升高，会对土石坝防洪的安全性带来影响，严重时可能破坏大坝的稳定性甚至造成洪水漫坝等灾害性后果。

从增加山区水库土石坝防洪的安全性分析，除提高设计洪水成果的可靠性及水库设防标准、加大保坝校核洪峰流量外，采取加强水库入库洪水的预测和研判，增设底孔泄洪建筑物并加大泄洪规模，实施汛期汛限水位的动态管理及提前预警、预泄，保证其防洪和排沙的灵活调度，确保水库的调洪能力等应对措施是必要的，在技术上是容易实现的。同时，加大突发事件的应急调度和管理，从而降低水库溃坝的风险，也是各级管理部门需要高度重视的问题。