鸭绿江云峰水电站安全防护及溃坝风险评估

唐雪峰,国 林，张 卫，晏福兴，魏海峰，于 雷

(1.中国地质调查局哈尔滨自然资源综合调查中心，黑龙江 哈尔滨 150081；2.中国地质大学(武汉)教育部长江三峡库区地质灾害研究中心，湖北 武汉 430074)

云峰水电站是20世纪60年代在鸭绿江上修建的一座大型水电工程，位于吉林省集安市青石镇，电站以发电为主，肩负着防洪、发电、灌溉等多重任务，是重点的能源和水工建筑。云峰水电站作为中、朝边境极为重要的水利、电力设施，坝体为中、朝两国共有共建，坝体两侧执行的建筑标准有所不同，一旦溃坝，蓄水将倾泻而下，可淹没下游大部分地区，对人民生命和财产安全构成极大的威胁，同时可形成水障，改变局部地形形态，对物资运输产生一定的影响。因此，需要将云峰水电站作为重点安全防护对象进行保护，同时有必要对云峰水电站溃坝风险进行评估，并提出合理的安全防护建议，以确保云峰水电站的运行安全。

1 云峰水电站概况

1.1 水电站工程概况

云峰水电站位于鸭绿江中游集安市青石村，是具有不完全多年调节水水库的引水式电站，是水力发电公司在鸭绿江上修建的4个梯级电站(云峰、渭原、水丰、太平湾)中的第一级，由中国运行管理。该水电站厂区、坝区为一长14 km深切峡谷的河曲，大坝建在峡谷出口处，厂、坝之间地块宽不足1 km，落差达14 m；坝址为不对称V形河谷，右岸(中国一侧)山势陡峭，左岸为低山。云峰水库流域面积为34 360 km,水库集水面积为17 211 km，多年平均流量为278 m/s，年径流量为87.6亿m，正常高水位为325 m，水库以发电为主，兼有筏运、防洪、养鱼、航运和灌溉等作用。云峰水电站装机容量为400 MW，保证出力为147.5 MW，年平均发电量为13.5亿kW·h，输电线路将电能送往辽宁、吉林和朝鲜等地。

1.2 水电站结构和已采取的安全防护措施

云峰水电站由混凝土宽缝重力坝、引水隧洞和发电厂房等组成(见图1)，主要建筑物有拦河坝、引水道、调压井、压力水道、发电厂房、开关站等，其中发电厂房为地面式厂房，尺寸为139.6 m×23.2 m×19.0 m。云峰大坝全长828 m，坝顶长847 m，堤坝等级为1级，最大坝高为113.8 m，上、下游坝坡分别为1∶0.2和1∶0.3，其中溢流坝段长315 m，设有7.5 m×11.0 m溢流孔21个、4.25 m×4.25 m底孔4个，每个溢流孔泄洪量可达900 m/s。云峰大坝按千年一遇洪水设计，万年一遇洪水校核，最大下泄流量为24 740 m/s。云峰水电站发电厂房在河曲下段右岸，两条引水隧洞进口位于坝前右岸，洞长分别为775 m和759 m，洞径为8.6 m，末端均设有差动式调压井，各以两条内径为5.3 m的压力钢管引入厂房发电。该发电厂房内装有单机容量为10万kW的混流式水轮发电机组4台，设计水头为89 m，其中两台周波为50 Hz，另两台周波为60 Hz，以适应电力系统的需求。云峰水电站总装机容量为400 MW，单机容量为100 MW,l号、3号机周波为50 Hz,向我国供电。

图1 云峰水电站结构和安全防护地质条件图

通过对云峰水电站的结构分析可知，云峰大坝构筑于地表，规模大，大坝之上云峰水库库容量巨大，一旦遭到破坏，将对下游产生巨大的洪水冲击；发电厂房是变电所、变压器、输电线路集中分布的区域，极易遭受洪水冲击导致输电系统瘫痪，因此云峰大坝和发电厂房需要重点加以安全防护。目前云峰水电站发电厂房西侧和云峰大坝东侧已设有安全防护措施，但对物资运输的管控薄弱，可考虑利用有利地形地势和地质条件修建构筑物来进行安全防护。

2 云峰水电站安全防护地质环境背景信息分析

水电站周边岩体属性特征决定了安全防护设施构筑的适宜性、抗损坏能力和构筑方式等，而土体属性特征对物资运输路线的通行条件有重要的影响，故水电站的安全防护性能与地质环境背景具有密切的关系。云峰水库及其支流的底质和岸质特征限制了水电站周边水体的运输性能，对于物资运输的管理具有重要意义。

2.1 云峰水电站周边岩体特征

云峰水电站周边岩体主要为花岗岩、安山岩和流纹质火山碎屑岩，见表1。其中,花岗岩多为微风化，上覆土厚度普遍<1 m，属于较完整的坚硬岩-较硬岩类，岩体质量等级为Ⅲ级(见图1)，抗损坏性中等；安山岩多为微风化，上覆土厚度普遍<1 m，属于较完整-较破碎的坚硬岩-较硬岩类，岩体质量等级为Ⅲ级，少数为Ⅱ、Ⅳ级，抗损坏性中等；流纹质火山碎屑岩为中等风化-微风化，岩体较破碎，为较硬岩类，岩体质量等级以Ⅲ、Ⅳ级为主，抗损坏性以中等为主。综上可见，云峰水电站周边岩体抗损坏性以中等为主，上覆土厚度较薄，而上覆土层厚度较薄及岩体风化损坏较严重的区域安全性较低，容易受到洪水冲击的破坏，影响水电站的正常运行，因此建议在水电站附近的制高点和山脊构筑安全防护设施。

表1 云峰水电站周边岩体结构类型和基本质量等级一览表

2.2 云峰水电站周边水体特征

云峰水电站建于鸭绿江上，江水从北侧山体内导流涵洞导出，因江深较浅(10～50 cm)，河宽较窄(0～50 m)、部分地段断流，底质以卵石为主(见图1)，应在鸭绿江沿岸安排安全防护人员，加强对运输通道的安全防护。

云峰大坝北侧为云峰水库库区，宽为700～970 m，最大水深介于47.8～86.8 m之间，江宽且水深，小型船舶可通航至大坝处。每年1月中旬至4月上旬为云峰水库封冻期，平均冰厚约0.8 m，冰面物资运输通道畅通。建议在水电站附近的制高点和山脊构筑安全防护设施，以保证大坝的安全。

云峰水库沿岸山体高陡，河岸坡度较大，不利于物资的运输，但在我国河岸一侧有石湖河、秋皮河汇入库区，由于水库蓄水的影响，导致两条河流的下游及河口段水位上升，水面变宽，部分河岸成为坡度为10°～20°的河漫滩，底质以卵石为主，提高了河流物资运输通道的畅通性。其中，秋皮河河口水面宽约410 m，流速为0.2 m/s，自河口至秋皮河150 m处两侧河岸平坦，物资运输通道畅通性好；石湖河河口水面宽约440 m，流速为0.13 m/s，自河口至石湖河2.5 km处河面较开阔，其中老营场处两侧河岸平坦，易于运输物资。建议在两条河流的河口处构筑安全防护设施，加强对河岸的安全防护。

3 云峰水电站溃坝风险评估

云峰水库库区面积为102.5 km，最大库容为45.8亿m，是中朝边境地区最大的水库。云峰水库是集安地区重要的水体资源和天然屏障，但也存在重大的安全隐患。云峰大坝受到洪水冲击会导致溃坝，巨大的水量会对下游产生破坏，因此急需对云峰水库溃坝情况下的淹没范围进行计算与评估。

3.1 溃坝处最大流量和流量过程计算

水库的溃决形式从时间上分为瞬时溃和逐渐溃。对溃坝的风险研究需预测其最不利的后果，以便采取最有效的措施，所以在水电站溃坝淹没范围计算时选择瞬时溃坝的情况，并选取水库最大库容和最高水位。云峰水库基础水文参数，见表2。

表2 云峰水库基础水文参数表

溃坝处最大流量可采用矩形河谷自由出流(下游水深较浅)理论的瞬时全溃公式进行计算，其计算公式为：

式中：

Q

为坝址处峰值流量(m/s)；

B

为坝体宽度(m)；

g

为重力加速度(m/s)；

H

为溃坝高度(m)。

溃坝流量过程可采用概化典型流量过程线法进行计算，其计算公式如下:

(0≤

t/T

≤0.3)

式中:

Q

为坝址处峰值流量(m/s)；

Q

为

t

时刻坝址处流量(m/s)；

T

为溃坝出流总时间(s)；

W

为水库库容(m)。

通过计算，得到云峰水库不同溃坝高度对应的出流库容、峰值流量和出流总时间，见表4。

表4 云峰水库不同溃坝高度对应的出流库容、峰值流量和出流总时间

3.2 溃坝洪水向下游的演进过程计算

本次溃坝洪水向下游的演进过程采用Mike11模型进行模拟计算。MIKE11模型的原理是采用 Abbott 六点隐式格式求解一维河流非恒定流计算方程——圣维南方程组。目前MIKE模型在我国较多地应用于水质变化模拟、水环境预警，其中MIKEFLOOD是一个耦合的水力模型，能够完整地模拟一维地下排水管网系统水流过程和二维地表漫流过程。

3.2.1 基本要素与假设条件

Mike11模型基于以下3个要素进行模拟：反映有关物理定律的微分方程组；对微分方程组进行线性化的有限差分格式；求解线性方程组的算法。同时，并基于以下几个假定：流体的不可压缩、均质流体；一维流态；坡降小、纵向横断面变化幅度小、符合静水压力等。

3.2.2 圣维南方程组

圣维南方程组是反映有关物理定律的微分方程，包括连续方程(质量守恒定律)和动量方程(牛顿第二定律)，即：

式中：

Q

为流量(m/s)；

q

为侧向入流(m/s)；

A

为过水面积(m)；

h

为水位(m)；

R

为水力半径(m)；

C

为谢才系数；∝为动量修正系数;

g

为重力加速度(m/s)。

3.2.3 河流模型的概化

河流模型的概化主要包括河流断面的处理、支流的流入处理、初始条件的设定、糙率的选定等。由于水文资料相对匮乏，而且鸭绿江的支流流量相对溃坝流量而言很小，故本次模拟中忽略支流的影响，只考虑鸭绿江干流；考虑到空间步长及模型的稳定性，每隔2 000 m输入一个断面，断面的河道部分设定为V形河谷，超过河面部分按等高线投影描绘；初始条件设为水深3.5 m、流量1 040 m/s；糙率设为0.045。

3.2.4 溃坝洪水向下游的演进过程模拟计算结果

云峰水库在特殊情况下遭受损坏时，可能会产生不同溃口深度的溃坝，本次在假设溃口深度分别为5 m、10 m、15 m、20 m、50 m的溃坝情况下，模拟不同溃坝程度对下游地区的影响，并计算不同溃口深度时各断面洪峰对应的水深和到达时间，从而换算出不同溃口的淹没范围，其模拟计算结果见表5。

表5 云峰水库不同溃坝深度时各断面洪峰对应的水深和到达时间

3.3 云峰水库溃坝淹没范围计算

从云峰水库不同区域断面的不同溃口深度对应的峰值水深，可在地形线上绘制出云峰水库对应的溃坝淹没范围，见图2。

图2 云峰水库溃坝淹没范围图

测区鸭绿江两侧地形整体较陡，仅少量沿江区域地势低洼且地形平缓，为村镇聚集区。通过计算可知，溃口深度仅达到5 m时，洪水就会将沿江居民聚集区冲毁(见表6)，但由于两侧地形高陡，50 m溃坝洪水都无法越过两岸地形高点。

表6 云峰水库不同溃口深度对应的峰值水深和主要淹没区域

3.4 云峰水电站溃坝风险评估结果分析与安全防护

通过上述分析可知，云峰大坝和发电厂是云峰水电站安全防护的重点，但目前对物资运输通道的安全防护管理还很薄弱。通过评估，云峰水电站周边岩体抗损坏性以中等为主，上覆土厚度较薄，适合地表工事构筑，建议在水电站附近的制高点和山脊构筑安全防护设施，并采用机械构工方式。云峰水电站南侧青石村附近土体承载力较高，地势平坦，是良好的物资运输通道，建议在青石村安排安全防护人员，以保证水电站的运行安全。云峰水电站南侧鸭绿江，可徒涉通行；云峰水库江宽水深，小型船舶可通航，每年1月中旬至4月上旬为封冻期，可沿冰面通行；石湖河口、秋皮河口河宽流缓，局部河岸平坦，是物资运输的良好通道。建议在以上地段附近构筑安全防护设施。

云峰水库库容巨大，一旦溃坝，将形成严重的洪涝灾害，可淹没鸭绿江沿岸大部分村镇，对当地居民生命和财产造成重大损失，同时会形成大面积水障，对物资的运输和边境地区的管理造成阻碍。因此，可考虑通过对云峰水电站的泄流量进行调控，来控制鸭绿江的水深和流速，以应对突发情况的发生。

4 结论与建议

(1) 通过对云峰水电站结构分析可知，云峰大坝和发电厂是安全防护的重点。由于云峰水电站周边岩体抗损坏性中等，上覆土厚度较薄，适合地表工事构筑，故可在水电站附近的制高点和山脊规划安全防护设施，并采用机械构工方式。青石村、云峰水库库区、石湖村河口、秋皮村河口是物资运输的良好通道，可考虑安排安全防护人员，以保障水电站的运行安全。

(2) 通过数值模拟可知，云峰大坝仅有5 m溃坝时，就能形成严重的洪涝灾害，淹没鸭绿江沿岸大部分村镇，使当地居民生命和财产遭受重大的损失，同时会形成大面积水障，对物资的运输和边境地区的管理造成阻碍。建议：①如有突发情况，可提前降低库容和库水位，使水库水位降低到警戒线以下；②可提前疏散可能淹没范围内的居民，将其搬迁到淹没范围区以外的地区，涉及搬迁的村庄有青石村、望江村、蒿子沟村、黄柏村(青石镇)、长川村、上解放村、下解放村等；③对于重要的工业和生活设施，可在鸭绿江边和重要的支流提前修筑堤防工程，以减少洪水的影响；④对云峰水库大坝进行局部加固，增强大坝自身的强度，以提高大坝的抗损坏能力。