钦寸水库施工期溃坝洪水模拟

2019-01-16孙浙英林日练张真奇

水利规划与设计 2018年12期

王霞，孙浙英，林日练，张真奇

(浙江省水利水电勘测设计院，浙江杭州 310002)

1 概况

钦寸水库位于浙江省绍兴市新昌县境内，是一座以供水、防洪为主，兼顾下游灌溉和发电的综合利用水利工程，水库坝址以上集水面积316km2。坝址地处曹娥江主要支流黄泽江上的钦寸村附近。水库建成后总库容2.44亿m3，正常库容1.77亿m3，防洪库容6205万m3，电站总装机容量为2.75MW。水库建成后供下游近4万人的生活生产用水以及嵊州浦口工业开发区用水，防洪保护人口约34万、保护农田约19万亩，灌溉受益面积约2万亩。钦寸水库上游牛头潭溪上已建有巧英水库。

钦寸水库建成后防洪保护范围分为两部分：直接保护水库下游至黄泽江河口，主要有新昌的大明市、嵊州的黄泽镇、以及浦口三江街道部分；间接防护曹娥江干流嵊州城区以下到出口段[1]。但是，水库施工期超标准洪水导致的溃坝洪水将给下游地区和施工临时坝体带来潜在风险[2- 3]。自19世纪以来，国内外学者分别从理论分析、物理模型试验、数值模拟、溃坝洪水演进模型研究、历史资料统计分析等方面对溃坝问题进行了系统研究[4]。其中，物理模型试验和数值模拟是近几十年来应用较多的研究方式。然而，溃坝洪水的物理模型试验耗资高，且操作上具有一定的技术难度，因而目前数值模拟在溃坝洪水演进方面是较常用的研究手段。溃坝的速度和程度决定了溃坝洪水的大小和传播速度，从而影响了溃坝洪水的影响范围和程度[5]。构建合理的溃坝洪水演进数学模型，计算溃坝洪水的淹没范围、水深和到达时间等要素，能为建立溃坝风险图和评估溃坝损失提供科学依据，对水库和堤防失事影响做出定量估算[6]。

2 施工期溃坝洪水计算

2.1 上游已建水库情况

钦寸水库上游的巧英水库，1980年建设完工，集水面积46km2，是一座以灌溉为主、结合发电、防洪的中型水库，水库总库容0.28亿m3，正常库容0.20亿m3。钦寸水库入库洪水为巧英水库洪水调节后的出库洪水与巧英～钦寸区间天然洪水的叠加。

2.2 施工期分析

2.2.1 导流标准

由于坝址处洪枯流量相差较大，非汛期20年一遇洪峰流量为364m3/s，台汛期20年一遇洪峰流量为2028m3/s。如采用全年施工，导流费用将很高，因此拦河坝施工围堰采用土石混合结构，选择非汛期10月16日—翌年4月15日6个月为围堰挡水时段。

工程上游围堰拟采用土石围堰，一旦失事可能导致整个工期延迟等严重后果，故导流建筑物洪水标准重现期取上限值，为非汛期20年一遇。

堆石坝体施工期临时度汛洪水标准：坝前拦洪库容小于0.1亿m3，采用50年一遇，梅汛期、台汛期相应的洪峰流量分别为782m3/s、2641m3/s；坝前拦洪库容在1.0～0.1亿m3之间，采用100年一遇，梅汛期、台汛期相应的洪峰流量分别为892m3/s、2982m3/s；坝前拦洪库容大于1.0亿m3，采用200年一遇，梅汛期、台汛期相应的洪峰流量分别为997m3/s、3375m3/s。导流隧洞封堵后，坝体度汛洪水标准采用200年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核。

表1 钦寸水库施工期各阶段施工导流方式表

2.2.2 导流方式

采用“一次围堰断流、隧洞导流”的方式，即非汛期天然来水由右岸导流隧洞导流，上游围堰挡水。汛期天然来水由坝体临时断面挡水，导流隧洞泄流。施工期各阶段施工导流方式见表1中。

2.3 施工期溃坝洪水计算

钦寸水库施工期间较不利的工况为台汛期天然来水由坝体临时断面挡水，导流隧洞泄流。本文分析该阶段的溃坝洪水计算。

2.3.1 抢险和溃坝的边界条件

若超标准洪水发生，当水位超过坝顶高度时，洪水漫过坝顶，坝顶全断面过流，有可能导致溃坝。

台汛期，坝顶高程92m，坝顶净宽266.1m；溢洪道开挖底高程86m，溢洪道净宽60m。当水位超过86m时，溢洪道过流；当水位超过坝顶高程，即92m时，洪水漫过坝顶，坝顶全断面和溢洪道均过流，当水位超过坝顶高程大于1m，可能导致溃坝。

台汛期52m起调(空库起调，坝底高程52m)，当水库水位低于86m时，均由导流洞下泄。

当水位超过溢洪道开挖底高程时，洪水由溢洪道和导流洞下泄；若遇超标准洪水，且水位超过92m时，洪水漫坝，过坝水流由导流洞、溢洪道和坝顶自由下泄。

坝体施工期间，台汛期遇2000年一遇洪水时，最高水位为93.00m，超过坝顶高程1m，因此坝体台汛期遇到2000年一遇及2000年一遇以上洪水时可能发生溃坝。

2.3.2 可能发生的水库溃坝形式

钦寸水库大坝为混凝土面板堆石坝，导致堆石坝溃决的原因主要是洪水漫顶、基础管涌和渗漏等，其中以洪水漫顶较为常见，破坏程度取决于漫坝流量和漫坝持续时间。

溃口尺寸主要指可能的口门形状、溃口深度和溃口宽度，口门形状可近似为矩形或梯形。口门最终尺寸应根据堰塞坝体物质组成、结构、地质条件综合拟定。口门从初始口门形态逐步发展至最终口门形态的过程可近似按线性化处理。考虑堆石坝决口的初始位置大都发生在坝体中部，溃口形状多呈V型。堆石坝的溃决属于逐渐溃坝类型。由于引起溃坝的水流冲击能力很强，从决口开始时刻到基本形成稳定的溃决断面时，整个时间过程相对较短。堆石坝的决口处可能将形成局部冲刷坑甚至冲刷到坝的基础。可能发生的水库溃坝形式按坝体全溃、坝体2/3溃、坝体1/2溃、坝体1/3溃考虑。

根据有关统计资料，大坝失事时间可从数分钟到数小时，破坏程度取决于坝高、筑坝材料、材料密实度以及水流漫坝的程度(水量和历时)而异。堆石坝的溃决历时一般约为0～3h，本次分析从安全角度出发，可能发生的水库溃坝历时按各种不利情况，0.1h、0.25h、0.5h、0.75h、1h分别分析。

2.3.3 溃坝洪水计算方法

计算采用美国国家气象局编制的溃坝洪水预报模型DAMBRK。模型根据流体力学理论计算溃坝洪水过程和向下游河道的演进。该模型通过调洪演算法或水力学动力演算法计算水库中水位的变化和入库流量对水位的影响。用近似的宽顶堰流公式计算溃坝洪水过程，并以非恒定方程组的加权四点隐式有限差分法计算溃坝洪水向下游的演进过程，求得所选取的需要计算的下游沿程断面的最高水位、峰现时间、最大波速和出流过程等[8]。

图1 钦寸水库下游河道断面平面布置图

2.3.4 计算条件

2.3.4.1 溃坝洪水分析

计算参数选择：假定水库遭遇超标准洪水(台汛期0.05%)漫坝失事为前提条件计算。按此，坝体溃决的各种可能方案计算参数见表2。

表2 施工期溃坝计算参数表

注：坝体全溃溃口底高程按坝底高程52m。

钦寸水库下游河道断面平面布置图如图1所示。

通过计算分析，当钦寸水库台汛期遭遇超标准的P=0.05%洪水时，如遇坝体全溃工况，钦寸水库坝址处最大流量达到70156m3/s，坝址至下游21572m处沿程水面线，如图2所示。

图2 台汛期坝址流量最大时刻沿程水面线

坝址处水位在入库洪水洪峰来临前后达到最高。坝址下游最高水位比坝址处最高水位有明显降低，溃坝洪水在陡降的过程中容易形成非恒定的不连续波。溃坝洪水从坝址处涌出，向下游演进，沿程各行洪断面的峰现时间不同，沿程水面线按各断面出现的最高水位绘制，坝址至下游21572m处的沿程水面线，如图3所示。

图3 台汛期沿程最高水位水面线

钦寸水库坝址处台汛期各工况洪水计算成果见表3。

表3 钦寸水库坝址处溃坝洪水计算成果表

坝址最不利情况为：台汛期上游有(P=0.02%)洪水溃坝，坝体全溃，溃坝时间0.1h，最大洪水流量达到70200m3/s。

2.3.4.2 溃坝洪水淹没范围及严重程度分析

(1)洪水对库区的危害

当遭遇超标准洪水时，将会造成67m水位以上高程区域淹没。一旦水库溃坝，将造成上游水位急剧下降，破坏库岸原有稳定结构，对上游库岸造成破坏性影响。

(2)洪水对下游的危害

洪水对下游的危害主要涉及水库下游的新昌县大明市、嵊州市黄泽镇、以及嵊州市浦口三江街道部分等乡镇。

当钦寸水库施工期遭遇超标准洪水时，台汛期发生漫坝溃决时坝址及下游特征断面的洪峰流量和最高水位见表4—5。

表4 钦寸水库施工期溃坝流量计算成果表

表5 钦寸水库施工期溃坝后下游沿程最高洪水位表

若钦寸水库施工期坝体溃决，以计算分析中最恶劣的工况：台汛期发生P=0.05%洪水，坝体全溃，溃决历时0.1h向下游演进，分析如下：

坝址至新昌县大明市镇为峡谷地带，河道坡降很大，溃坝洪水传播很快，将给下游以毁灭性打击。新昌县大明市的洪峰流量将达到50378m3/s，是目前河道安全泄流的32倍左右，洪水位将达51.01m，水深达到8.09m，最高水位超过堤顶高程5.85m。

嵊州黄泽镇地势开阔，洪峰流量将达到22740m3/s，是目前河道安全泄流的14倍左右，洪水位将达32.94m，水深达到6.97m，最高水位超过堤顶高程3.27m。

黄泽镇下游浦口三江街道河道右岸有湛头滞洪区，滞洪区总面积7.44km2，滞洪区内滞洪面积为5.76km2。滞洪区22m时对应滞洪容积3515万m3，滞洪区23m时对应滞洪容积4109万m3，湛头滞洪区的堤防工程作为嵊州市主城区和浦口副城区的一部分，其防洪标准为50年一遇，滞洪区内保护圩堤内重要村庄的防洪标准为20年一遇。模型计算时考虑湛头滞洪区的滞洪作用，洪峰流量为18090m3/s，是目前河道安全泄流的11倍左右，洪水位将达23.45m，水深达到10.17m，最高水位超过堤顶高程0.41m。因此，钦寸水库下游新昌县大明市和嵊州市黄泽镇两岸村庄将受到灭顶之灾，至嵊州市浦口三江街道附近，最高洪水位超过堤顶高程的高度已降至0.5m以下，周围村庄受到的影响较上游大大降低。