黨　力

(陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001)

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三河口水利樞紐上游圍堰工程潰壩風(fēng)險(xiǎn)分析

黨力

(陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001)

三河口水利樞紐工程導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇，相應(yīng)的上游圍堰采用土石圍堰，10 a一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在施工期擋水運(yùn)行。子午河為季節(jié)性河流，夏季易發(fā)生暴雨，具有歷時(shí)短，強(qiáng)度大的特點(diǎn)，如發(fā)生超標(biāo)洪水，存在潰決的風(fēng)險(xiǎn)，潰決洪水具有歷時(shí)段、洪峰流量大的特點(diǎn)，對上游圍堰以下河段分布的部分城鎮(zhèn)帶來一定影響。根據(jù)圍堰的壩體的材料和特點(diǎn)，擬定潰決方式為逐漸潰決進(jìn)行潰壩洪水計(jì)算，根據(jù)河道特性進(jìn)行沿程洪水演進(jìn)分析，結(jié)合演進(jìn)分析對下游村鎮(zhèn)洪泛區(qū)進(jìn)行普查，根據(jù)潰壩洪水對下游群眾的生命安全是否造成災(zāi)害確定潰壩洪水范圍。通過對該工程潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)分析，如發(fā)生潰壩，會對下游的城鎮(zhèn)和群眾造成一定的損失和影響，并提出加強(qiáng)水情測報(bào)、保證工程質(zhì)量以及下游群眾撤離方案等防止和減小潰壩影響的措施，同時(shí)建議應(yīng)將圍堰工程潰壩影響分析納入施工專業(yè)導(dǎo)截流方案比選的一個(gè)條件。

圍堰；潰壩；潰口；洪峰流量；演進(jìn)分析；洪泛區(qū)

引漢濟(jì)渭工程等別為Ⅰ等工程，工程規(guī)模為大(一)型，三河口水利樞紐為引漢濟(jì)渭工程的兩個(gè)水源之一，是整個(gè)調(diào)水工程的調(diào)蓄中樞。工程樞紐主要由大壩、壩身泄洪放空系統(tǒng)、壩后供水系統(tǒng)、生態(tài)基流放水管等組成。其中，該工程施工總工期54個(gè)月，施工導(dǎo)流采用河道一次斷流、隧洞導(dǎo)流方式，根據(jù)導(dǎo)流方案規(guī)劃，2016年、2017年圍堰擋水度汛，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇洪水，相應(yīng)洪峰流量為2 640 m3/s。上游圍堰作為臨時(shí)建筑物，按照Ⅳ級建筑物設(shè)計(jì)，采用土石圍堰型式，圍堰軸線處河床地面高程約為526 m，堰頂高程569.0 m，圍堰高度約為42.8 m，蓄水水位567.11 m，對應(yīng)庫容為4 357萬 m3。

圖1　上游圍堰橫剖面

該工程位于漢江上游北岸的一級支流子午河段，夏季易發(fā)生暴雨，具有歷時(shí)短，強(qiáng)度大的特點(diǎn)，如發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水，上游圍堰存在潰決的風(fēng)險(xiǎn)，潰決洪水對上游圍堰以下河段分布的部分城鎮(zhèn)帶來一定影響。根據(jù)以上特點(diǎn)，圍堰潰壩影響主要針對下游群眾的生命安全進(jìn)行分析，主要解決問題是：(1)對潰壩風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行管控；(2)確定對下游受到潰壩洪水威脅影響的范圍；③為防汛預(yù)案提供依據(jù)。

1　上游圍堰潰壩分析方法和標(biāo)準(zhǔn)選擇

1.1潰壩分析方法

水庫大壩的潰決型式很多，主要取決于壩體材料和大壩結(jié)構(gòu)。重力壩、拱壩、漿砌石壩和支墩壩等剛性壩體一般為瞬時(shí)潰決，堆石壩、土石壩等散粒體壩一般為逐漸潰決。該工程上游圍堰采用土石擋水圍堰，其主要潰決方式為逐漸潰決，所以，本次主要針對逐漸潰決情況下上游圍堰出流過程介紹。

鑒于該工程上游圍堰基本資料與壩址下游子午河兩岸地形資料比較齊全，且精度較高，本次主要采用能夠反映實(shí)際情況變化影響和預(yù)測分析洪水風(fēng)險(xiǎn)特征的水力學(xué)法。

1.2標(biāo)準(zhǔn)選擇

潰壩失事的原因很多，例如地震破壞；超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的暴雨洪水漫頂沖蝕破壞；滲流變形破壞；坍塌、滑坡事故；施工質(zhì)量差等原因，根據(jù)該工程上游圍堰的型式分析，可能出現(xiàn)的潰壩的原因：(1)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)洪水，因結(jié)構(gòu)問題發(fā)生潰壩；(2)超標(biāo)準(zhǔn)洪水，漫頂沖蝕破壞發(fā)生潰壩。本次主要介紹因超標(biāo)洪水，引起漫頂沖蝕破壞造成潰壩。其中，上游圍堰設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇，下游城鎮(zhèn)的防洪標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，所以，選擇漫頂沖蝕造成潰壩的洪水標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇。

2　上游圍堰潰壩分析

根據(jù)該工程上游圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，堰體頂高程為569.0 m，在高程535.0 m以下均布置有混凝土防滲墻，所以本次計(jì)算擬定上游圍堰潰壩底高程為535.0 m。根據(jù)上游圍堰庫容曲線查的，上游圍堰水位569.0 m，庫容為4 880萬 m3，上游圍堰水位535.0 m，庫容為70萬 m3。所以20 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)引起漫頂沖蝕破壞造成潰壩有效下泄庫容為4 810萬 m3；10 a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生潰壩有效下泄庫容為4 286.9萬 m3。

2.1潰壩洪水計(jì)算

2.1.1潰口寬度確定

逐漸潰壩的計(jì)算，實(shí)質(zhì)上是解決潰口寬度大小的計(jì)算，當(dāng)潰口大小確定后，即可采用局部潰壩公式計(jì)算潰決流量的大小。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，潰口平均寬度分別采用鐵道部科學(xué)研究院公式、黃河水利委員會公式和中國水利水電科學(xué)研究院陸吉康公式估算。通過公式對上游圍堰下游河谷形狀、下游河道條件等方面的適應(yīng)性比較，其中，鐵科院法與黃委會法的公式形式基本一致，均考慮了壩體土質(zhì)、壩頂長度、潰壩庫容和壩前水深共計(jì)4個(gè)參數(shù)，然而陸吉康法則未考慮水庫的壩頂長度。該工程上游圍堰為土石圍堰，采用土工布防滲，因此該工程上游圍堰潰口寬度采用鐵科院法計(jì)算成果。

表1　上游圍堰潰口寬度計(jì)算成果表

2.1.2潰壩洪水流量計(jì)算確定

根據(jù)確定的潰口寬度，采用肖克利契公式、美國水道試驗(yàn)站公式和黃河水利委員會公式分別進(jìn)行計(jì)算：

表2　上游圍堰最大潰壩流量計(jì)算成果表

從表2可以看出，三種方法的計(jì)算結(jié)果相差不大，其中水道試驗(yàn)站公式和黃委會公式形式基本一致，而肖克利契公式未考慮潰口寬度。綜合考慮，因此本次最大潰壩流量采用黃委會公式的計(jì)算成果。

2.2潰壩洪水演進(jìn)分析

潰壩洪水主要危害下游，所以潰壩洪水達(dá)到下游各斷面的洪峰流量和到達(dá)時(shí)間是大家關(guān)切的問題。

2.2.1下游斷面選擇

該工程上游圍堰至入漢江口河道長約50 km，沿河道在1:10 000圖上剖取河道斷面，斷面間距3 km左右，同時(shí)考慮河道形狀、河勢及河道周邊集鎮(zhèn)等因素，共布設(shè)27個(gè)斷面，最末端斷面為子午河入漢江口處。同時(shí)，根據(jù)在上游圍堰以下河段涉及到城鎮(zhèn)、人口密集區(qū)域等敏感河段選取7個(gè)位置進(jìn)行實(shí)測水文大斷面，進(jìn)行洪水演進(jìn)分析。

2.2.2潰壩下游洪水演進(jìn)計(jì)算

(1)潰壩洪水演進(jìn)至下游洪峰流量可以用任何非恒定流解法向下游推演，求得任何斷面的流量過程和水位過程線。但因潰壩波為單波，峰形尖瘦，向下游演進(jìn)時(shí)，水流受河槽調(diào)蓄作用，流量過程線尖峰部位很快坦化，所以，一般采用黃河水利委員會經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：

(2)各典型斷面的水位流量關(guān)系采用曼寧公式Q=R2/3J1/2A/n計(jì)算，得到河道各典型斷面的水位流量關(guān)系曲線，根據(jù)水位流量曲線，對應(yīng)各斷面的洪峰流量確定各斷面的潰壩洪水水位。

(3)潰壩洪水傳播快，尤其以壩址附近波速最大，破壞力強(qiáng)，但隨著壩址遠(yuǎn)近的變化，消減很快，沖刷破壞力減弱，本次計(jì)算根據(jù)黃河水利委員會科研所實(shí)驗(yàn)求得潰壩洪水傳播時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。

2.3潰壩洪水影響范圍確定

上游圍堰潰壩為概率事件，是對該風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)估分析。如壩體潰決，潰壩洪水的主要特點(diǎn)是：水庫攔截形成的水體突然泄放，對下游形成涌波，洪流巨浪，雖然洪峰歷時(shí)短，但洪量巨大，對下游群眾的生命財(cái)產(chǎn)危害是極其嚴(yán)重的，所以潰壩洪水對下游城鎮(zhèn)的影響主要從群眾的生命安全出發(fā)，潰壩洪水的影響范圍確定依據(jù)為是否對下游群眾造成災(zāi)害確定。

表3　上游圍堰潰壩洪水計(jì)算表

根據(jù)以上原則，統(tǒng)計(jì)潰壩洪水演進(jìn)至城鎮(zhèn)1～城鎮(zhèn)6的洪峰流量、洪水歷時(shí)和潰壩洪水水位，同時(shí)對以上6個(gè)村鎮(zhèn)進(jìn)行現(xiàn)狀調(diào)查，主要包括各個(gè)村鎮(zhèn)現(xiàn)狀地坪高程、人口以及房屋等情況。通過表4可以看出，根據(jù)潰壩洪水演進(jìn)分析成果、各水文斷面水位和現(xiàn)狀調(diào)查請況，確定洪泛區(qū)的范圍。在確定的洪泛區(qū)范圍內(nèi)，對涉及到的村鎮(zhèn)以及零星群眾進(jìn)行實(shí)際普查，對重點(diǎn)區(qū)域如撤離安置點(diǎn)等的高程進(jìn)行測量，以確保潰壩洪水的影響范圍科學(xué)、合理，確保下游群眾在突發(fā)情況下的生命安全。

3　結(jié)語

對于大型水利樞紐工程，其臨時(shí)建筑物的規(guī)模也相對較大，在施工期的安全問題尤為重要，直接影響工程的順利進(jìn)行，科學(xué)合理的對潰壩風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)先評估，是工程在汛期制定度汛防洪預(yù)案的重要依據(jù)。所以，通過以上分析，如果發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水或結(jié)構(gòu)破壞，該工程上游圍堰存在潰決的風(fēng)險(xiǎn)，會對下游的城鎮(zhèn)和群眾造成一定的損失和影響，因此關(guān)于潰壩的防止和減小影響的措施，總結(jié)以下三個(gè)方面：

(1)提高風(fēng)險(xiǎn)防范意識，在上游圍堰運(yùn)行期間，特別是在汛期，及時(shí)與水文站、氣象部門及當(dāng)?shù)丶訌?qiáng)聯(lián)系，及時(shí)收集水情、氣象預(yù)報(bào)，密切關(guān)注河水水位和流量變化情況，進(jìn)行快速洪水預(yù)報(bào)，發(fā)布洪水預(yù)警。

(2)保證施工質(zhì)量，配備觀測設(shè)備，對上游圍堰進(jìn)行日常性觀測監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)滲漏、沉陷、裂縫、位移等，及時(shí)通報(bào)并及時(shí)提出并實(shí)施處理措施；

(3)上游圍堰設(shè)計(jì)水位為567.11 m，堰頂高程為569.0 m，在上游圍堰運(yùn)行期間，汛期需對上游圍堰水位進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測，結(jié)合水情預(yù)報(bào)，如預(yù)報(bào)洪峰流量大于10 a一遇標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)上游圍堰水位大于567.11 m，即通知地方政府組織群眾撤離至預(yù)定安全位置。

同時(shí)，在工程設(shè)計(jì)的前期階段，應(yīng)將圍堰的潰壩影響分析納入施工專業(yè)導(dǎo)截流方案比選的一個(gè)條件。

2016-06-14

黨力(1984-)，男，陜西合陽人，工程師，主要從事水工設(shè)計(jì)方面工作。

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