湖北省碾盘山水利水电枢纽超标准洪水溃堰风险分析

卢少为 柳小珊 林 杰 王彩虹 刘照群

（湖北省水利水电规划勘测设计院，武汉 430070）

1 项目背景

湖北省碾盘山水利水电枢纽工程（以下简称碾盘山枢纽）位于丹江口水利枢纽下游261 km的汉江干流上，以发电、航运为主，兼顾灌溉、供水，为南水北调中线引江济汉工程良性运行创造条件。该枢纽为Ⅱ等大（2）型工程，正常蓄水位50.72 m，工程采取围堰一次拦断河床，左岸滩地开挖导流明渠的导流方式，导流设计标准频率为10%，设计流量13 500 m3/s。设计导流明渠底宽250 m，开挖边坡1∶3，在42.00～41.00 m 高程设10 m 宽马道，明渠全长2.34 km。导流明渠按设计防护要求分段采取了铰链排+钢筋石笼防护、钢筋石笼等防护措施。围堰采用土石围堰，堰顶宽10 m。上游围堰堰顶长808 m，堰顶高程51.13 m，下游围堰全长1 110 m，堰顶高程49.51 m。

目前，碾盘山枢纽库区堤防、荆门一期堤防加固尚未完工，施工围堰会增大碾盘山枢纽库区堤防的防洪压力。碾盘山枢纽下游两岸分布有皇庄分蓄洪民垸、陈集分蓄洪民垸、大柴湖分蓄洪民垸、石牌分蓄洪民垸、邓家湖分蓄洪民垸、小江湖分蓄洪民垸。当汉江洪水超过碾盘山枢纽围堰设计防洪标准，破堰行洪会增大碾盘山枢纽下游堤防的防洪压力，可能增大下游民垸分洪运用的风险。

为预测溃堰对下游的防洪影响，本文开展了不同溃堰模式下的溃堰洪水计算工作。将溃坝模型与一维非恒定流模型进行有机结合，建立了溃坝洪水演进模型，能同时进行上游调洪演算、溃口发展过程模拟和坝下游洪水演算。计算结果为碾盘山枢纽围堰超标准洪水防御、汉江防洪应急工作提供技术支撑。

2 超标准洪水发生概率

汉江中下游防洪工程布局：汉江中下游防洪工程体系由丹江口水利枢纽、堤防、杜家台分洪工程、东荆河自然分流及中下游分蓄洪民垸组成。碾盘山枢纽库岸为自然高地及汉江沿岸堤防组成，沿岸堤防主要涉及汉江堤防的荆门段中直堤、潞市堤、联合堤、朱堡堤、南泉堤及关山堤。湖北省荆门汉江堤防加固工程的防洪标准为1964年实际洪水（相当于20年一遇）。目前碾盘山枢纽上游库区堤防、荆门一期堤防加固尚未验收、下游荆门二期堤防尚未完工。碾盘山枢纽上下游防洪形势示意图见图1。

图1 碾盘山枢纽上下游防洪形势示意图

汉江中下游河道的现状泄流能力是根据丹江口水库按初期规模建成并运行30多年来的实测资料分析得到的。丹江口大坝加高后，碾盘山枢纽河段泄流能力为27 000～30 000 m3/s，新城河段18 400～19 400 m3/s。

当遭遇上游来水洪峰流量大于10 年一遇标准（13 500 m3/s）时，认为是碾盘山枢纽围堰遭遇超标准洪水，可根据来水情况、水位上涨情况及工情险情适时破堰行洪，会增大碾盘山枢纽下游堤防的防洪压力和碾盘山枢纽下游民垸分洪运用的风险，需启动应急响应[1]。

3 溃堰洪水演进模型构建

碾盘山枢纽围堰溃堰下泄洪水影响河段较长，溃堰应急抢险时间紧、任务重，溃堰洪水演进采用MIKE11 软件，将一维非恒定水动力学模型与溃坝模型耦合进行模拟计算[2]。

（1）基本方程。一维溃坝洪水基本方程组可用圣维南方程组描述：

式中：Q为流量，m3/s；x为沿程距离，m；A为过水断面面积，m2；t为时间，s；ql为侧向单位长度注入流量，m2/s；β为动能修正系数；g为重力加速度，m/s2；Z为水位，m；n为糙率系数；R为断面水力半径，m。

方程的离散采用6点中心隐格式，算法为三对角矩阵法（Abbott-Ionescu 法），除进行非恒定流计算外，模型中还可对坝、堰、涵洞等水工建筑物进行计算。

（2）计算范围。根据汉江洪水调度方案，计算范围从转斗弯、经皇庄站至兴隆站，全长约148.1 km，其中转斗弯至碾盘山枢纽坝轴线38.5 km、坝轴线至皇庄站约8.0 km、皇庄站至兴隆站101.6 km。断面采用2012 年实测断面。导流明渠（明渠轴线全长2 338.1 m）采用2020 年实测地形进行加密。

（3）模型率定验证。率定洪水选取2011 年9 月6 日至10月10日实际洪水过程，验证洪水选取2010年7月8日至8 月14 日、2019 年9 月15-24 日实际洪水过程，并结合天然河道糙率取值综合分析，糙率取值如下：

汉江干流皇庄-兴隆河段主槽糙率0.018～0.022，边滩糙率0.023～0.030。转斗弯-碾盘山枢纽河段综合糙率0.024，碾盘山枢纽-皇庄河段综合糙率0.020。

（4）边界条件及初设条件。模型进口边界条件为碾盘山枢纽入库洪水过程（受丹江口水库调度影响的1975 年8 月型设计洪水过程），下边界为沙洋站水位-流量关系。模型初设水位根据控制站初始水位插值设定。

（5）溃堰方案拟定。由于实际失事机制的不确定性以及计算参数不易确定等困难，通过模拟溃口细部冲刷、坍塌和扩展过程的精确模型还达不到实用要求。目前采用的简化和广泛适用的方法为根据经验和其他失事大坝的数据给定溃口开始到最后终止的时间和溃口的最终尺寸与形状。以往计算中，通常假定溃口起始底宽，在溃口发展过程中即溃决时间τ内，溃口底宽以线性速度扩大，直至达到最终底宽b或溃口发展至坝底。模拟大坝溃决时，假设水库水位超过指定值hc时便开始溃口计算。当hc高于坝顶高程，为模拟漫顶溃决的情况（称漫顶溃决）；当hc低于坝顶高程，为模拟施工质量及地质条件等原因造成溃决的情况（称非漫顶溃决）[3]。

本计算中先假定梯形小溃口，其边坡系数m=2，起始溃口底部高程为51.13 m。在溃口发展过程中以线性速度拓展至最终溃口形状，至达到最终底部高程40.00 m，即全溃；如溃坝不彻底，假定溃至防渗墙高程45.00 m，即半溃。由于50年一遇洪水峰量较大，溃口仅按照全溃考虑，即溃后底宽800 m、底部溃至地面高程40.00 m。3种频率洪水与8种溃坝方案组合得到20种计算方案，见表1。

表1 溃坝计算方案表

4 溃堰计算结果

溃坝水流受溃口尺寸变化、溃决历时、起溃水位等多因素的影响。堰址洪水过程是天然洪水过程和溃堰引起的洪水过程叠加的结果。20种计算方案结果见表2。

表2 溃堰计算结果

（1）洪水频率P为10%不同溃坝方案的溃口流量过程见图2，5%不同溃坝方案的溃口流量过程见图3。20种溃坝方案计算结果表明，相同频率洪水条件下，溃口宽度800 m的方案溃坝后堰址洪峰流量整体大于溃口宽度300 m的方案。

图2 不同溃堰方案溃口流量过程线（1975年型10%洪水）

图3 不同溃堰方案溃口流量过程线（1975年型5%洪水）

（2）溃堰洪水波从堰址传至沙洋站（约83 km）坦化较快，10%洪水溃堰后，堰址-皇庄河段洪峰坦化8.84%～16.30%，堰址-沙洋河段洪峰坦化31.76%～37.90%，洪峰沿程变化符合溃坝水力学规律。1975年型10%洪水溃堰沿程洪峰过程见图4（以溃堰方案5为例）。

图4 溃堰后沿程流量过程（1975年型10%洪水，方案13）

（3）1975 年型10%洪水，碾盘山枢纽入库设计洪峰流量13 500 m3/s，无围堰时演算至沙洋洪峰流量坦化为12 345 m3/s。10%洪水溃堰后沙洋站洪峰13 357～13 427 m3/s，与未建围堰时沙洋洪峰12 345 m3/s 相比，溃堰使沙洋站流量增加1 012～1 082 m3/s，均未超过沙洋站安全泄量18 400 m3/s。

（4）1975 年型5%洪水，碾盘山枢纽入库设计洪峰流量17 000 m3/s，无围堰时演算至沙洋洪峰流量坦化为15 620 m3/s。5%洪水溃堰后沙洋洪峰16 236～16 367 m3/s，与未建围堰时沙洋站洪峰流量15 620 m3/s相比，溃堰使沙洋站流量增加616～747 m3/s，均未超过沙洋站安全泄量18 400 m3/s。20年一遇溃堰方案5沿程洪峰过程见图5（以溃堰方案5为例）。

图5 溃堰后沿程流量过程（1975年型5%洪水，方案20）

（5）1975 年型2%洪水，碾盘山枢纽入库设计洪峰流量20 200 m3/s，无围堰时演算至沙洋站洪峰流量坦化为18 418 m3/s。2%洪水溃堰后沙洋站洪峰18 693～18 748 m3/s，与未建围堰时沙洋站洪峰18 418 m3/s相比，溃堰使沙洋站流量额外增加275～421 m3/s，超过沙洋站安全泄量18 400 m3/s。50年一遇沙洋站水位流量过程线见图6（溃堰方案8），若上游发生2%洪水，围堰应全溃，以避免额外增加沙洋河段防洪压力。

图6 沙洋站水位流量过程线（1975年型2%洪水，方案8）

5 防洪风险分析及应对

5.1 防洪风险分析

丹江口大坝加高后碾盘山枢纽下游汉江河段的过流能力为：碾盘山枢纽河段27 000～30 000 m3/s，新城河段18 400～19 400 m3/s。上游发生10%洪水（洪峰13 500 m3/s）、5%洪水（洪峰17 000 m3/s））溃堰后，溃坝洪水波在传播过程中坦化，不会超过沙洋河段安全泄量。上游发生2%洪水（洪峰20 200 m3/s）溃堰后，沙洋断面将超过安全泄量18 400 m3/s，对碾盘山枢纽下游汉江防洪产生压力。

5.2 应急响应

（1）2020年汛期洪峰流量大于13 500 m3/s或坝上1.5 km处（水位站点）水位达到49.25 m 时，即认为是碾盘山枢纽超标准洪水，工地启动应急响应。

主基坑内的施工设备及人员应全部撤离，将上下游横向围堰破开，使部分洪水从主基坑分流，确保中直堤等度汛安全。根据48 h 短期洪水预报，当预测坝址遭遇超标准洪水（13 500 m3/s 或坝上1.5 km 处现有水文站点水位49.25 m）时，防汛指挥部紧急启动应急预案，并做好破堰准备。在预计洪峰到达坝址前24 h协调和组织承建单位完成人员、材料与机械设备撤离至预设安置区域，在洪峰到达坝前6 h完成基坑充水和破堰工作。

（2）启动充水破堰程序，分为3步：①虹吸管预充水，将基坑水位充至40.00 m高程；②下游横向围堰80 m破口段充水（采用钻爆法破口），将基坑水位充至与下游水位齐平高程；③将上、下游横向围堰扒口段破开，洪水从主基坑过流。

（3）当碾盘山枢纽围堰遭遇超标准洪水时，应立即通知下游有关单位，启动碾盘山枢纽下游防洪应急预案。