宋憲武 葉青 大連市水利建筑設(shè)計院 116021

大連市朱隈水庫超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)急方案的探討

宋憲武 葉青 大連市水利建筑設(shè)計院 116021

朱隈水庫位于大連市莊河西支流上，是一座大（2）型水庫，主壩為黏土心墻壩，水庫下游河道穿越城市區(qū)。超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)急預(yù)案以保證主壩安全為前提，同時考慮盡量減少因提前啟動而造成的水庫經(jīng)濟(jì)效益損失。本文對朱隈水庫的超標(biāo)準(zhǔn)洪水進(jìn)行了分析計算，介紹了潰壩決口寬度的計算方法，并且對擬定的不同啟動水位方案進(jìn)行了潰壩調(diào)洪計算，選擇了合理的潰壩時機。最后介紹了潰壩結(jié)構(gòu)設(shè)計。

超標(biāo)準(zhǔn)洪水；應(yīng)急方案；潰壩；決口寬度；設(shè)計

Excess of the standards flood; Emergency plan; Dam-break；Burst width; Design

1 前言

朱隈水庫位于大連市莊河西支流上，水庫壩址以上流域面積260.1km2，水庫總庫容1.66億m3，水庫下游河道穿越大連莊河市，城市人口18萬人，如果發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水導(dǎo)致水庫大壩潰壩后將對下游廣大人民造成巨大的生命財產(chǎn)損失。因此對朱隈水庫的超標(biāo)準(zhǔn)洪水進(jìn)行分析計算，提出適度可行的超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)急方案是十分必要的。

2 工程概況

朱隈水庫建于1958年3月，1993年進(jìn)行水庫除險加固。水庫總庫容16562萬m3，為大（2）型水庫，主壩為黏土心墻土壩，最大壩高19.50m。水庫共有四座副壩，副壩均為風(fēng)化砂均質(zhì)壩，水庫除險加固時一、二、三副壩采用鏈條機開槽鋪土工膜防滲，現(xiàn)狀水庫大壩特征值見表1。溢洪道為明渠引水式，閘室為平底無坎寬頂堰，堰頂高程37.50m，堰上設(shè)三扇弧形鋼閘門，每孔閘門凈寬7.0m，總凈寬21.0m。

朱隈水庫死水位為31.45m，正常高水位為43.26m，防洪限制水位為42.94m，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，設(shè)計洪水位44. 31m，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000年一遇，校核洪水位45.86m。

朱隈水庫一、二副壩相距較近，潰壩水流容易引起相鄰副壩的壩腳沖刷，三副壩所處位置相對獨立，影響范圍內(nèi)沒有重要建筑物，因此確定三副壩為潰壩首選，根據(jù)三副壩壩型及地形、地貌和地質(zhì)等特點，采取在三副壩上增設(shè)閘門的方案，在超標(biāo)準(zhǔn)洪水發(fā)生后，水位超過現(xiàn)有校核洪水位繼續(xù)上升到某個擬定危險高程時，啟動應(yīng)急預(yù)案，即開啟三副壩閘門，通過自潰泄流來降低水庫超標(biāo)準(zhǔn)洪水水位，以確保水庫主壩的安全。

3 超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)急方案

3.1 水庫現(xiàn)狀超標(biāo)準(zhǔn)洪水分析

朱隈水庫溢洪道凈寬21.0m，堰頂高程37.50m，有閘門控制，起調(diào)水位即為汛期防洪限制水位42.94m，在整個調(diào)洪過程中保持庫水位不低于起調(diào)水位，即當(dāng)來水小于起調(diào)水位時閘門全開時的泄量時，用閘門控制泄量，使水位保持不變。水庫現(xiàn)狀發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水時的調(diào)洪成果見表2，5000年一遇洪水最高水位為46.19m，10000年一遇洪水最高水位為46.43m。

表1 水庫大壩主要特性表

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》，壩頂超高y=R+e+A，其中R為波浪爬高，e為風(fēng)壅水面高度，A為安全加高。在超標(biāo)準(zhǔn)洪水的情況下可不計入安全加高，即最高洪水位加波浪爬高和風(fēng)壅水面高度應(yīng)小于現(xiàn)有防浪墻頂高程。經(jīng)過計算當(dāng)最高洪水位為46.25m時，壩頂超高為1.24m，低于現(xiàn)有防浪墻頂高程47.50m。由調(diào)洪成果可知當(dāng)水庫遭遇10000年一遇洪水時，最高水位46.43m加上壩頂超高后超過的防浪墻頂，越浪將造成壩體破壞，因此必須采取措施將超標(biāo)準(zhǔn)洪水的最高洪水位控制在46.25m以內(nèi)。

表2 水庫現(xiàn)狀超標(biāo)準(zhǔn)洪水調(diào)洪成果表

3.2 潰壩決口寬度

由于潰壩水流沖擊能力極強，從決口開始到基本形成最終穩(wěn)定斷面時為止，為時甚短，一般半小時左右，為安全計可考慮按瞬時潰壩處理。峽谷區(qū)的土壩可能全部潰決，丘陵區(qū)或平原區(qū)的壩體較長，一般只潰主要部分，即橫向局部潰壩。土壩抗沖能力很差，已有實際資料證明決口沖刷到基礎(chǔ)甚至形成局部沖刷坑。根據(jù)黃河水利委員會水利科學(xué)研究所實際資料分析求得的土壩潰壩決口寬度計算公式為：

式中：b ——潰壩決口平均寬度（m）；

W——潰壩時蓄水量（萬m3）；

B——潰壩時沿壩前水面寬度或壩頂長度（m）；

H——潰壩時水頭或潰壩時壩前水深（m）；

k——與壩體土質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，粘土約為0.65，壤土約為1.3。

通過計算，三副壩在洪水沖刷下決口寬度為80.0m，根據(jù)地形、地質(zhì)條件推斷平均底高程將達(dá)到42.00m。

3.3 潰壩啟動水位的確定

水庫選擇合理的潰壩時機非常關(guān)鍵，首先要以保證主壩安全為前提，同時還要盡量減少因提前啟動而造成的水庫經(jīng)濟(jì)效益損失。

朱隈水庫潰壩啟動水位的確定是通過對擬定的不同啟動水位方案進(jìn)行調(diào)洪計算，得出相應(yīng)的最高洪水位，然后判斷選擇合理的潰壩啟動水位。

潰壩洪水調(diào)節(jié)計算原則如下：

a、當(dāng)來水小于起調(diào)水位時閘門全開的泄量時，用閘門控制泄量，使水位保持不變。

b、當(dāng)水庫來水大于泄流能力時，閘門全開泄流，水位達(dá)到潰壩啟動水位時提起三副壩自潰式閘門，并認(rèn)為在1小時內(nèi)三副壩在洪水沖刷下形成80.0m寬、平均底高程達(dá)到42.00m的缺口。

調(diào)洪采用如下公式：

圖1 涵閘平面布置圖

圖2 涵閘縱剖面圖

Q1、Q2——分別為計算時段初、末的入庫流量（m3/s）；

q1、q2——分別為計算時段初、末的溢洪道下泄流量（m3/s）；

q′1、q′2——分別為計算時段初、末的潰壩下泄流量（m3/s）；

Δ t——計算時段的時間間隔（s）；

三副壩潰壩后的泄流量采用《水力計算手冊》中寬頂堰計算公式：

式中：m——流量系數(shù)，取0.34；

b——潰壩決口寬度，取80m；

朱隈水庫10000年一遇洪水潰壩調(diào)洪計算成果見表3，當(dāng)潰壩啟動水位設(shè)定在46.20m時最高洪水位為46.25m，滿足水庫主壩安全要求，而且最大程度地保證了水庫經(jīng)濟(jì)效益。

表3 潰壩啟動調(diào)洪計算成果表

4 潰壩結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于三副壩是為風(fēng)化砂均質(zhì)壩，在開閘泄洪之后將很快形成沖刷缺口，設(shè)計采用新建三個獨立涵閘控制，各閘軸線間隔25.0m，布置在三副壩壩高較高的位置。閘門孔寬度0.60m，閘底板高程為潰壩啟動水位46.20m，閘室及涵洞蓋板頂高程與壩頂高程一致為47.50m。 閘室采用整體式砼結(jié)構(gòu)，涵洞及進(jìn)出口采用漿砌石結(jié)構(gòu)。涵閘進(jìn)口采用與原壩面一致的300mm厚干砌石護(hù)底，為了加快潰壩速度，閘室下游涵洞至出口采用風(fēng)化砂回填夯實，不做防沖護(hù)底。閘門選用60mm厚松木閘門，閘門側(cè)面和底面采用Ⅰ型橡膠止水，人工啟閉。涵閘平面布置及縱剖面見圖1、圖2。

5 結(jié)語

朱隈水庫下游河道穿越城市區(qū)，如果發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水導(dǎo)致水庫大壩潰壩后果將不堪設(shè)想，因此提出可行的超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)急預(yù)案是十分必要的。但是在保證主壩安全的前提下，還要盡量選擇合理的潰壩時機，以減少因提前啟動潰壩而造成的水庫經(jīng)濟(jì)效益損失。本文以最高洪水位加波浪爬高不超過防浪墻頂高程為控制條件，確定了潰壩啟動水位。潰壩決口寬度的計算方法是建立在實際資料分析總結(jié)基礎(chǔ)上的經(jīng)驗公式，因此在潰壩涵閘的布置上考慮擴(kuò)大其影響范圍，在壩體上設(shè)三座涵閘，間距25.0m，以達(dá)到理論計算的決口寬度和潰壩泄流量，保證潰壩方案達(dá)到理想的效果。

[1]武漢水利電力學(xué)院水力學(xué)教研室.水力計算手冊[Z].北京：水利電力出版社.1983.

[2]SL274-2001，碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范[s]

A discussion on excess of the standards flood emergency plan of Dalian Zhuwei reservoir

SONG Xianwu YE Qing Dalian design institute of water conservancy & construction, Dalian 116021Liaoning

TV651.1+5

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宋憲武（1968—），男，遼寧大連人，高級工程師，從事水利設(shè)計工作。