广西驮英水库施工围堰溃坝洪水分析

蒋月丽，孙旭良，黄武林

（广西水利电力勘测设计研究院有限责任公司，南宁 530023）

0 引言

水库在施工期间，由于遭遇超标准洪水等原因引起围堰溃决，将给下游的防洪安全带来严重威胁，为确保下游防洪安全，应开展水库施工围堰溃坝洪水分析。以驮英水库施工围堰溃坝洪水分析为例，分析计算施工围堰遭遇超标准洪水漫顶造成围堰溃决后洪水的演进过程，研究溃坝洪水对下游造成的影响，为编制水库施工期安全度汛应急预案提供技术参考。

1 工程概况

驮英水库坝址地处广西崇左市宁明县那堪乡垌中村蒲城屯，位于珠江流域西江水系左江支流明江的一级支流公安河上，距那堪乡31 km，距宁明县城115 km，是一座以灌溉、供水为主，兼顾发电等综合利用的大（2）型水库，为广西左江治旱驮英水库及灌区工程供水的龙头水库。水库两侧为中低山峡谷地形，两岸山势陡峭，河流狭窄，地势南高北低，坝址下游过渡为丘陵地形。施工围堰所在河段河谷为“V”型谷，围堰附近无村庄民房，天然河道水面宽33～52 m。围堰建设范围内基岩以粉砂质泥岩、泥质粉砂岩为主，河床部位基岩风化较浅，多为弱～微风化岩体，左岸强风化带下限埋深较浅，右岸弱风化带下限埋深相对较深。

驮英水库导流方式采用施工围堰与坝体部分结合、一次拦断河床，导流隧洞泄流的导流方式。根据施工进度安排，驮英水库施工期为全年，大坝围堰填筑后的第一个汛期（5～10月）利用施工围堰挡水施工，施工围堰坝型为堆石坝，堰顶高程为207 m，防洪标准为10年一遇，相应洪峰流量为2670 m3/s。当汛期出现超10年一遇小于20年一遇洪水时，根据工程布置及现场实际情况，将采取临时增加子堰挡水的措施，将子堰加高至211 m高程，相当于可挡20年一遇洪水，相应洪峰流量为3407 m3/s。

2 溃坝洪水分析

2.1 溃坝洪水分析范围

溃坝洪水分析范围为施工围堰至公安河河口的47 km河道，主要对枯改、岽布、汪迷、岽磨、繁华、邓约、帝也、赖湾、板含、其坤、平高、板晃、毛六、公安圩、垌中村、江叫等16 个距河较近的村屯进行溃坝洪水影响分析。对于明江干流公安河河口以下的沿岸村屯，同样要及时做好预警及避险转移工作。

2.2 溃坝类型分析

根据溃坝过程的时间长短，溃坝类型可分为瞬时溃坝和逐渐溃坝；根据溃坝缺口规模大小，可分为全部溃坝和局部溃坝。对于刚性坝，如重力坝、拱坝、浆砌石坝、支墩坝等，一般是瞬时溃坝，而且多出现局部溃坝；对于散粒坝，如土坝、堆石坝等受水流冲刷，坝体受到破坏，达到溃坝总有一个时间过程，因此可认为是逐渐溃坝类型，但水库在不太长的时间内全部泄空。

驮英施工围堰采用土石围堰，溃坝原因主要为洪水漫顶、基础管涌、渗漏等，属于逐渐溃坝类型，但由于引起溃坝的水流冲击能力极强，从决口开始到基本形成稳定的溃决断面，整个时间过程非常短暂（一般半个小时左右），从安全角度考虑，驮英施工围堰按瞬时全部溃坝处理。

2.3 溃坝洪水计算组合

结合驮英水库施工导流方式及施工安排，溃坝洪水计算组合分3种工况，即：

（1）工况一：当施工围堰遭遇超标准洪水，围堰瞬时全部溃坝。

（2）工况二：当施工围堰加子堰亦无法抵御超标准洪水时，围堰加子堰瞬时全部溃坝。

（3）工况三：当施工围堰加子堰后，由于对施工围堰迎水侧边坡采用风化过渡料斜墙保护，仅子堰发生瞬时局部溃坝。

2.4 坝址处溃坝最大流量计算

根据《水力计算手册（第二版）》（中国水利水电出版社），大坝瞬时全部溃决时，二次抛物线形状河槽坝址处溃坝最大流量QM计算公式为：

式中：QM为流量，m3/s；B为水面宽度，取坝体顶部长度，为180 m；H0为坝前水深，考虑洪水没过堰顶后溃坝，坝前水深为堰顶高程与河底高程之间的高差，m。

2.4.1 工况一（施工围堰瞬时全部溃坝）

施工围堰坝型为散粒体坝，为瞬时全部溃坝，从堰顶高程207 m溃至坝基168 m。经计算，溃坝流量为31 565 m3/s。

驮英水库采用一次拦断河床、隧洞全年导流的导流方式施工，经调洪计算，当遭遇10 年一遇标准设计洪水时，导流洞最大下泄流量为1260 m3/s。因此，从安全角度考虑，溃坝洪峰流量需在计算的溃坝洪峰流量基础上叠加导流洞的最大下泄流量，即施工围堰瞬时全部溃坝洪峰流量为32 825 m3/s。

2.4.2 工况二（施工围堰加子堰瞬时全部溃坝）

施工围堰加子堰发生瞬时全部溃坝时，从子堰堰顶高程211 m溃至坝基168 m。经计算，溃坝流量为36 544 m3/s。

经调洪计算，当遭遇20 年一遇标准设计洪水时，导流洞最大下泄流量为1374 m3/s。从安全角度考虑，叠加导流洞的最大下泄流量，施工围堰加子堰瞬时全部溃坝洪峰流量为37 918 m3/s。

2.4.3 工况三（子堰瞬时全部溃坝）

施工围堰加子堰后，遭遇超20 年一遇标准洪水，仅子堰发生全部溃决时，从子堰堰顶高程211 m溃至施工围堰堰顶高程207 m。经计算，溃坝流量为1037 m3/s。

经调洪计算，当遭遇20 年一遇标准设计洪水时，导流洞最大下泄流量为1374 m3/s。从安全角度考虑，叠加导流洞的最大下泄流量，子堰瞬时局部溃坝洪峰流量为2411 m3/s。

2.5 溃坝洪水向下游演进计算

要评估溃坝对下游的影响，必须进行洪水演进计算，除了可使用近似公式外，常使用数值解法，本次采用数值解法进行溃坝洪水演进研究。

2.5.1 溃坝流量过程线

坝址溃坝洪水过程线采用概化典型流量过程线法推求，根据《水力计算手册》，瞬时溃坝流量过程线与最大流量QM、溃坝前下泄流量Q0及溃坝可泄库容W（简称溃坝库容）有关。其线形可概化为四次抛物线，也可概化为2.5次抛物线，即溃坝初期时刻，流量突增到QM，紧接着流量迅速下降，形成下凹的曲线，最后趋近于原下泄流量Q0。考虑到工程上多用四次抛物线来概化流量过程线，本次采用四次抛物线来概化流量过程线。坝址洪峰流量过程线计算成果表见表1。

（1）根据QM及W初步确定泄空时间T。T=KW/QM，K 为系数，对于四次抛物线来说，K 一般为4～5，本次取5。

（2）根据工程布置，导流隧洞与水工永久泄洪洞结合布置，前期作为临时导流隧洞，后期改建成永久泄洪洞，经调洪计算导流洞下泄流量即为Q0。根据T、QM、Q0和表2的四次抛物线初步确定溃坝洪峰过程线。

（3）验算，根据初步定的T值，坝址流量过程线与Q=Q0直线之间的水量不等于溃坝库容，则需对T值进行调整。

驮英坝址距公安河河口115 km，区间集水面积439 km2，占公安河流域总面积1038 km2的42.3%，故溃坝洪水向下游演进分析需考虑区间洪水。坝址流量过程线采用四次抛物线来概化流量过程线，叠加公安河驮英坝址至河口区间来水过程，经计算坝址流量过程线见表1、图1。

表1 坝址洪峰流量过程线（考虑区间来水过程）计算成果表

图1 驮英施工围堰坝址洪峰过程线

2.5.2 溃坝洪水向下游演进分析

（1）演进计算方法。以坝址处流量过程线为上边界条件，采用MIKE11软件，通过非恒定流解法向下游推演，求得坝址下游各断面的流量过程线、水位过程线，同时计算出下游洪峰到达的时间。

MIKE11 推求水面线的基本原理程如下：①控制方程组一维水动力学模型控制方程为Saint－Ve⁃nant方程组

式中：x为距离，m；t为时间，s；A为过水断面面积，m2；Q 为流量，m3/s；h 为水位，m；g 为重力加速度，m/s2。②方程组的离散利用Abbott 六点隐式格式离散上述控制方程组，该离散格式在每一个网格节点并不同时计算水位和流量，而是按顺序交替计算水位和流量，分别称为h点和Q点（见图2）。该格式为无条件稳定，可以在相当大的Courant 数下保持计算稳定，可以取较长的时间步长以节省计算时间。

图2 Abott格式水位点、流量点交替布置图

（2）演进计算。以坝址处流量过程线为上边界条件，公安河最下游枯改村断面水位流量关系成果为下边界，河道糙率取0.045，采用MIKE11软件，通过非恒定流解法向下游推演，求得坝址下游至公安河河口河段两岸各村屯的流量演进过程线、水位演进过程线，同时计算出洪峰到达下游各断面的时间。计算成果见表2、图3。

表2 驮英水库施工围堰溃坝流量向下游演进计算成果表

187 193 197 199 142.0 140.0 140.0 137.5 5.69 7.27 7.00 9.32岽磨汪迷岽布枯改驮英1坝00址m下游0.010江叫5.65垌中村7.58公安村11.913毛六13.818板晃16.133平高17.033 37 918其板坤含12 93..24 45 28赖湾28.983帝也29.985邓约32.093繁华35.8173岽磨38.5178汪迷41.8185岽布44.2188枯改47.2190驮英1坝00址m下游0.015江叫5.627垌中村7.543公安村11.92毛六13.898板晃16.1117平高17.0118 2 411其板坤含12 93..24 11 25 57赖湾帝也邓约繁华岽磨汪迷岽布枯改工况二180.0 175.0 163.0 164.0 157.0 150.0 155.0 150.0 147.5 150.0 147.5 150.0 142.0 140.0 140.0 137.5 2.22 3.97 6.73 2.51 6.68 13.66 7.10 8.59 7.22 3.90 3.44 0 6.63 8.16 7.86 10.17 00000 2.14工况三38.5 41.8 44.2 47.2 28.9 29.9 32.0 35.8 38.5 41.8 44.2 47.2 190 207 282 337 348 355 358 360 10 658 8408 7628 7190 37 918 35 260 33 409 30 665 29 426 27 481 26 302 23 468 20 035 15 877 15 367 14 966 14 073 12 318 9769 8889 8381 2411 3615 3516 3400 3321 3195 3160 3110 3060 2991 2981 2959 2827 2685 2560 2517 2493 121.8 119.8 119.0 118.5 165.5 159.3 153.8 145.0 143.5 142.0 141.0 140.0 137.5 131.5 130.8 128.6 124.5 121.8 119.8 119.0 118.5 165.5 159.3 153.8 145.0 143.5 142.0 141.0 140.0 137.5 131.5 130.8 128.6 124.5 121.8 119.8 119.0 118.5 147.69 147.27 147.00 146.82 198.18 182.22 178.98 169.73 166.51 163.68 163.66 162.10 158.59 154.72 153.90 150.95 148.90 148.63 148.16 147.86 147.67 178.56 167.30 163.55 156.16 153.99 152.34 152.14 151.15 147.40 142.67 141.82 140.00 138.50 137.90 137.37 137.03 136.75 25.9 27.5 28.0 28.3 32.7 22.9 25.2 24.7 23.0 21.7 22.7 22.1 21.1 23.2 23.1 22.3 24.4 26.8 28.4 28.9 29.2 13.1 8.0 9.7 11.2 10.5 10.3 11.1 11.1 9.9 11.2 11.0 11.4 14.0 16.1 17.6 18.0 18.2 180.0 175.0 163.0 164.0 157.0 150.0 155.0 150.0 147.5 150.0 147.5 150.0 142.0 140.0 140.0 137.5 0000000000

图3 驮英水库施工围堰溃坝流量向下游演进计算成果图

2.6 溃坝成果分析

（1）工况一。施工围堰遭遇超标准设计洪水发生溃坝时，施工围堰坝前最大流量为32 825 m3/s，最大洪峰传至公安河河口枯改断面的传播时间为199 min，至最上游的江叫屯传播时间为5 min。坝下沿河除了繁华村房屋建基面较高，不受溃坝洪水影响，其他沿河的15个村屯房屋建基面高程均低于溃坝造成的洪水水位，尤其是公安村、板晃、平高、其坤、板含、赖湾、岽磨、汪迷、岽布、枯改等村屯受淹没范围广，影响大，驮英水库施工围堰对下游村屯可能造成影响的人口约6000人。

（2）工况二。施工围堰加子堰遭遇超标准洪水发生溃坝时，坝前最大流量为37 918 m3/s，最大洪峰传至最下游的枯改传播时间为190 min，至最上游的江叫屯传播时间为5 min。坝下沿河除了繁华村房屋建基面较高，不受溃坝洪水影响，其他沿河的15 个村屯房屋建基面高程均低于溃坝造成的洪水水位，受淹没范围广，影响大，驮英水库施工围堰对下游村屯可能造成影响的人口约6500人。

（3）工况三。子堰遭遇超标准洪水发生溃坝时，坝前最大流量为2411 m3/s，相当于河道发生10年一遇天然洪水，最大洪峰传至最下游的枯改村传播时间为360 min，至最上游的江叫屯传播时间为27 min。坝下沿河房屋建基面高程均高于子堰溃坝造成的洪水水位，基本不受溃坝洪水影响。

3 结语及建议

本文根据二次抛物线形状河槽坝址处溃坝最大流量计算公式、概化典型流量过程线法，采用MIKE11系列软件，通过非恒定流解法向下游推演，分析了多种溃坝工况下溃坝洪水向下游河道演进过程。根据分析成果，工况三条件下仅子堰溃决时，溃坝流量为2411 m3/s，与10 年一遇洪水2670 m3/s相近，对下游危害最小。当发生工况一、工况二超标准洪水时，溃坝洪峰流量大，洪水传播速度快，对下游危害影响大，需根据应急预案，对坝址下游受溃坝影响的村屯做好洪水预警和洪水避险工作，及时组织下游沿岸村民到山上避险。同时考虑到溃坝的危害性，在施工围堰过程中，有必要对围堰采取工程措施，避免其全部溃决。

各大坝施工围堰在建筑类型、导流方式、溃坝成因等方面存在较大差异，溃坝作为一种极端情况，对人民生命财产威胁严重，在进行施工期溃坝洪水分析时，需针对不同情况拟定多种可能的溃坝方案，合理分析溃坝洪水造成的影响，为编制度汛应急预案提供参考。水库施工期间应建立迅速可靠的洪水预报系统，提前预测超标准洪水，按照应急预案采取相应溃坝预案措施，做好充分的洪水避险、抢险救援工作准备，最大限度降低溃坝风险和影响。