西泌河水库溃坝洪水预测分析

王 维

（贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002）

0 引言

水库是我国防洪广泛采用的工程措施之一。在防洪区上游河道适当位置兴建能调蓄洪水的综合利用水库，利用水库库容拦蓄洪水，削减进入下游河道的洪峰流量，达到减免洪水灾害的目的。一旦发生超标准洪水、地震、地质灾害、上游大体积漂移物的撞击、战争、恐怖事件、工程隐患等突发事件就可能引起水库溃坝，严重威胁到下游周边人员的生命财产安全。本文对西泌河水库的溃坝洪水进行预测，模拟水库溃坝洪水过程，分析对下游防洪对象的影响，。

1 水库概况

西泌河水库工程位于贵州省晴隆县西泌河下游，是一座具有供水、灌溉及发电等综合利用的中型水库，工程等别为Ⅲ等，水库挡水坝为3级。死水位670 m，死库容为402万m3，水库正常蓄水位为690 m，正常蓄水位以下对应的库容为1395万m3，兴利库容993万m3，设计洪水位691.26 m，校核洪水位694.36 m，总库容1715万m3，电站装机容量8 MW。

西泌河水库属于碾压混凝土重力坝。在基岩稳固的前提下，抗震能力较高，安全稳定性较强，一般不会发生溃坝。但如果出现特大洪水、战争等突发事件，水库可能发生漫坝、溃坝洪水。混凝土坝一般溃决时间较短，因此可能出现瞬时全溃的形式。

2 溃坝洪水计算

西泌河水库总库容1715万m3，坝顶长度为148 m；最大坝高88 m，溃坝前的坝前水深H0=校核洪水位-河底高程＝694.36-629.5＝64.86 m；断面形状为矩形，断面系数m取1.0。

2.1 溃坝洪水水位确定

选择校核洪水位为溃坝时洪水水位，即694.36 m。

2.2 计算水库超标洪水时大坝可能溃口宽度

1）根据铁道科学研究院推荐的经验公式估算。计算公式为：

式中：b为溃坝决口宽度，m；W为水库总库容，m3；B为坝顶长度，m；H为最大坝高，m；K为经验系数，该水库为混凝土坝，取K=1.19。

代入相关数据计算出b=146.7 m。

2）根据黄河水利委员会经验公式估算：

式中：K取0.65。

代入相关数据计算出b=136.9 m。

综上所述，即西泌河水库溃坝决口宽度为146.7 m，当发生重大险情时西泌河水库极可能发生全溃坝。

2.3 洪水计算

1）坝体瞬间全垮时

采用规范《水库大坝安全管理应急预案编制导则》（SL/Z 720-2015）中推荐的混凝土坝瞬时全溃公式，计算西泌河水库溃坝时坝址处的最大流量。溃坝时坝址处的最大流量计算公式：

式中：Qm为溃坝时坝址处最大流量，m3/s；m为断面形状系数；B为坝址断面的长度，m；H0为溃坝前的坝前水深，m。

将各参数带入到公式中，得出：Qm＝8/27×148×9.80.5×64.861.5＝71708 m3/s。

当坝体瞬时全垮时，坝址处的最大流量为71708 m3/s。

2）坝体瞬间垮掉部分（按溃1/2计）且一部分到河床底部时

采用肖克利契公式计算该种情况，公式如下：

式中：Qm为溃坝时坝址处最大流量，m3/s；H0为溃坝前的坝前水深，m；b为缺口平均宽度，m；B为坝顶长度，m。

将各参数带入到公式中，得出：Qm＝0.9×（148/74）0.25×74×64.861.5＝41371 m3/s。

3）坝体瞬间垮掉部分（按溃1/2计）且未到河床底部时

采用肖克利契公式计算该种情况，溃坝后坝体剩余平均高度取最大坝高一半（44 m），公式如下：

式中：Qm为溃坝时坝址处最大流量，m3/s；H0为溃坝前的坝前水深，m；h’为溃坝后坝体剩余平均高度，m；B为坝顶长度，m。

将各参数带入到公式中，得出：Qm＝0.9×（64.86-44）2/（64.86-0.827）×148×64.860.5＝7290 m3/s。

三种不同溃决情况下西泌河水库坝址断面溃坝的最大流量成果见表1。

表1 西泌河水库坝址断面溃坝最大流量成果表

西泌河水库溃坝决口宽度为146.7 m，当发生重大险情时西泌河水库极可能发生全溃坝的形式。由表1可知，坝体瞬间全垮的情况条件最恶劣。

3 沿程各断面最大流量计算

西泌河水库坝址至汇口的各断面溃坝最大流量，可采用国内外广泛使用的李斯特万公式从坝址节点演进至各断面计算，公式如下：

式中：QLmax为溃坝最大流量演进至距坝址为L处时，在该处出现的最大流量，m3/s；W为水库溃坝时的蓄水库容，m3，1715万m3；为坝址处的溃坝最大流量（瞬间全跨时），71708 m3/s；L为控制断面距坝址的距离，m；v为河道洪水期断面的最大平均流速；无资料时，山区可取3.0 m/s～5.0 m/s；K为经验系数；山区可取1.1～1.5。

黄河水利委员会水利科学研究院根据实际资料统计分析给出山区河道、半山区河道和平原河道的vK值，本计算部分采用其推荐的山区河道vK=5.2。

根据计算西泌河水库溃坝洪水到达下游各断面的最大流量，计算结果见表2。

表2 西泌河水库溃坝时下游各断面最大流量成果表

4 溃坝洪水沿程水面线

X9汇口断面水位流量关系成果见表3。

表3 X9断面水位～流量关系成果表

本次溃坝洪水水面线计算选择X9断面作为起始断面，根据河道纵横断面资料和X9断面水位流量关系，X9断面起调水位为587.20 m。以伯努利方程为计算依据往上游逐一试算，推求各断面的水面相应高程，连接各水面高程点即为溃坝洪水水面线。西泌河水库溃坝洪水水面线计算成果见表4、图 1。

表4 西泌河水库溃坝洪水水面线计算成果表

表5 各计算断面溃坝洪水起涨时间及洪峰流量到达时间

图1 西泌河水库溃坝洪水沿程水面线

5 溃坝洪水传播时间

根据黄河水利委员会黄河水利科学研究院实验得出的溃坝洪水传播公式，可计算出洪水起涨时间t1，计算公式如下：

式中：t1为洪水起涨时间，s；k1为系数，等于 0.65×10-3～0.75×10-3，取平均数为0.70×10-3；L为控制断面到坝址的距离，m；W为可泄库容，1715万m3；H0为溃坝前的坝前水深，m，以校核洪水位高计算，为64.86 m；h0为下游计算断面在溃坝洪水到达前的平均水深，m。

根据以上公式计算水库下游各计算断面溃坝洪水起涨时间，计算结果见表5。

西泌河水库一旦发生溃坝，坝址洪峰流量将达到71708 m3/s。经计算，西泌河水库溃坝洪水将在约2 s后传播到坝后移民复建小桥，水位为634.21 m；在约256 s后传播到捞寨，水位为614.37 m；在约933 s后传播到枪寨，水位为600.98 m；在约1174 s后传播到上规模，水位为593.54 m；在约1719 s后传播到公路桥，水位为587.20 m。若西泌河水库发生溃坝，X2断面处水电站将受到严重破坏；X9断面（即汇口）左岸的土地、桥梁等均将受到严重破坏。其余河段的农村居住地均在675 m高程以上，远高于溃坝洪水水面线。水库溃坝洪水风险图见图2。

图2 西泌河水库溃坝洪水风险图

6 结语

根据西泌河水库坝址下游相应横断面等数据，对洪水漫顶造成的溃坝洪水进行模拟推演，西泌河水库一旦发生溃坝，坝址洪峰流量将达到71708 m3/s。溃坝洪水将在约2 s后传播到坝后移民复建小桥，水位为634.21 m；在约256 s后传播到捞寨，水位为614.37 m；在约933 s后传播到枪寨，水位为600.98 m；在约1174 s后传播到上规模，水位为593.54 m；在约1719 s后传播到公路桥，水位为587.20 m。X2断面处水电站将受到严重破坏；X9断面（即汇口）左岸的土地、桥梁等均将受到严重破坏。

由于溃坝洪水带来的危害巨大，因此，保证水库的正常运行至关重要。对溃坝洪水风险评估提供预测，为事故早期预警提供信息，为下游防洪抢险工作提供决策，对防灾、保护人民生命财产安全等具有十分重要的意义。