趙雪瑩，王昭升,2，盛金保,2

(1.南京水利科學(xué)研究院，南京 210029；2.水利部大壩安全管理中心，南京 210029)

我國是世界上筑壩歷史最悠久的國家之一，也是目前修建水庫大壩數(shù)量最多的國家。水庫大壩在降低洪災(zāi)發(fā)生頻率發(fā)揮興利作用的同時(shí)也會(huì)增加潛在洪災(zāi)損失，這是因?yàn)榇髩蔚男藿〞?huì)吸引更多的人口以及資產(chǎn)聚集到其保護(hù)區(qū)域，故而一旦大壩失事，引起的洪水災(zāi)害損失將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工程修建前的損失[1]。

1 流域梯級(jí)開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)

梯級(jí)開發(fā)可通過合理規(guī)劃流域水庫規(guī)模，采用科學(xué)的聯(lián)合調(diào)度方式，提高水資源利用率，協(xié)調(diào)水資源在綜合利用時(shí)出現(xiàn)的矛盾，滿足流域內(nèi)的多目標(biāo)開發(fā)需求，獲取最優(yōu)化的梯級(jí)效益；還能發(fā)揮梯級(jí)水庫的防洪效應(yīng)，利用流域龍頭水庫，編制合理的防洪調(diào)度方式，利用上游水庫蓄洪削峰作用提高下游大壩的防洪標(biāo)準(zhǔn)，減小泄洪設(shè)施的規(guī)模，發(fā)揮梯級(jí)水庫的防洪效應(yīng)。然而與之相對(duì)應(yīng)，流域梯級(jí)開發(fā)不可避免的將面臨工程安全和管理調(diào)度兩方面的風(fēng)險(xiǎn)。

1.1 工程安全

我國水利工程建設(shè)面臨移民安置、生態(tài)環(huán)境、大壩安全3方面的問題，其中大壩安全對(duì)人類生產(chǎn)生活影響最大[2]。超標(biāo)準(zhǔn)洪水、地震等自然因素以及設(shè)計(jì)缺陷、施工質(zhì)量不合格、管理不當(dāng)、人為破壞等人為因素都可能對(duì)大壩安全造成威脅，甚至發(fā)生潰壩事件。水庫潰壩概率低、風(fēng)險(xiǎn)高，潰壩洪水立波推進(jìn)、流速大、峰量高、破壞力強(qiáng)，對(duì)下游人民的生命財(cái)產(chǎn)損失帶來毀滅性的破壞。

1975年8月河南淮河上游板橋和石漫灘兩座大型水庫、田崗和竹溝兩座中型水庫以及石龍山等58座小型水庫接連垮壩。這次災(zāi)害事故使29個(gè)縣市的1 100萬人口受災(zāi)，110 萬km2耕地遭受嚴(yán)重水災(zāi)，26 000多人喪生，直接經(jīng)濟(jì)損失近百億元。

流域梯級(jí)開發(fā)的工程安全風(fēng)險(xiǎn)具體表現(xiàn)在以下兩方面：①流域梯級(jí)大壩之間的安全標(biāo)準(zhǔn)不協(xié)調(diào)。流域多個(gè)水庫大壩由多家設(shè)計(jì)單位分別承擔(dān)設(shè)計(jì)任務(wù)，不同設(shè)計(jì)單位對(duì)基礎(chǔ)資料處理方法可能存在差異，這將使入庫洪水造成差異，進(jìn)而有可能影響到工程防洪安全；同時(shí)，目前行業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的制定，也均是將每個(gè)水利工程作為獨(dú)立的個(gè)體進(jìn)行規(guī)定，缺少從整體上對(duì)流域內(nèi)水利工程的整體規(guī)定，這必將造成各梯級(jí)電站之間的安全標(biāo)準(zhǔn)存在不協(xié)調(diào)的問題，給水利工程的安全帶來威脅。②流域大壩群的安全。出于充分開發(fā)水力資源的目標(biāo)，大力推進(jìn)了流域梯級(jí)化開發(fā)，但若是其中一座大壩發(fā)生潰決，有可能引發(fā)下游梯級(jí)大壩群的連鎖潰壩。這種情況下，下游梯級(jí)水庫和居民難以做出有效的反應(yīng)，給他們?cè)斐擅媾R極大的潛在風(fēng)險(xiǎn)。值得注意的是，由省級(jí)及以下地方政府核準(zhǔn)、批復(fù)，建于大江大河的支流上的一些中小型水利工程，其設(shè)計(jì)、施工單位資質(zhì)較低，工程方案審查、評(píng)估不嚴(yán)格。一旦支流上的水庫發(fā)生連鎖潰壩，潰壩洪水經(jīng)過多次疊加，涌向干流對(duì)干流水庫造成威脅，進(jìn)而導(dǎo)致干流上水庫出現(xiàn)連鎖潰壩的事件。并且現(xiàn)在大江大河上大多水庫，規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于板橋和石漫灘水庫，連鎖潰壩的極端事件一旦發(fā)生，潰壩洪水必將所到之處統(tǒng)統(tǒng)摧毀，后果不可想象。

1.2 管理調(diào)度

隨著水利水電的進(jìn)一步開發(fā)，主要河流上的梯級(jí)開發(fā)格局已逐漸形成，并出現(xiàn)同一河流跨行業(yè)、多業(yè)主共同開發(fā)的問題。流域水庫設(shè)計(jì)具有多目標(biāo)開發(fā)功能，其分屬不同部門監(jiān)管，而各部門之間職能相互重疊，存在沖突，正由于部門間缺少統(tǒng)一的協(xié)調(diào)，制約梯級(jí)效益在實(shí)際應(yīng)用中的效果；流域開發(fā)的主體多元化，同時(shí)又缺少流域調(diào)度管理的規(guī)則、協(xié)調(diào)和監(jiān)管，輕則影響流域開發(fā)的功能發(fā)揮，重則將給流域內(nèi)工程安全帶來潛在風(fēng)險(xiǎn)。

2 梯級(jí)水庫潰壩風(fēng)險(xiǎn)

梯級(jí)流域內(nèi)的水庫潰壩的影響因素復(fù)雜，除受大壩自身安全因素影響外，同時(shí)也受梯級(jí)內(nèi)其他水庫的影響。統(tǒng)計(jì)資料分析[3]，漫頂潰壩是主要的潰壩方式，其所占比例約為半數(shù)(50.2%)，且漫頂潰壩受外界因素影響較大，在洪水期間發(fā)生概率大。故本文分析歸納上游水庫出現(xiàn)潰壩險(xiǎn)情，由梯級(jí)影響引發(fā)與之串聯(lián)的臨近下游水庫發(fā)生漫頂潰壩的可能梯級(jí)潰壩原因。

2.1 大壩工程特征

水庫潰壩形成的潰壩洪水與水庫的蓄水量、水位庫容關(guān)系、潰口發(fā)展過程等因素有關(guān)；下游水庫應(yīng)對(duì)上游潰壩事件的非常蓄水能力與水庫泄流量、水庫水位到壩頂之間庫容有關(guān)。

(1)水庫庫容及下泄能力。水庫對(duì)洪水的調(diào)蓄作用是依靠調(diào)節(jié)庫容實(shí)現(xiàn)，水庫臨時(shí)將部分洪水?dāng)r蓄在水庫中，待洪峰過后再放出庫水。上游水庫庫容越大，潰壩洪量越大，下游水庫需調(diào)蓄的水量越大，下游水庫發(fā)生漫頂潰壩的風(fēng)險(xiǎn)越大；下游水庫庫容越大，洪水調(diào)蓄能力越強(qiáng)，水庫潰壩風(fēng)險(xiǎn)越低。故可以簡(jiǎn)單地認(rèn)為流域梯級(jí)內(nèi)，上游水庫庫容越大，其下游水庫發(fā)生連鎖潰壩的風(fēng)險(xiǎn)越大；下游水庫的庫容越大，其對(duì)上游潰壩洪水的調(diào)蓄能力越大，出現(xiàn)連續(xù)潰壩的風(fēng)險(xiǎn)相應(yīng)降低。印度Khadkawasla[4]水庫為重力壩在上游水庫潰壩時(shí)，即使水庫立即采用最大能力下泄洪水，但仍出現(xiàn)漫頂，最大漫壩水深2.7 m，4 h后大壩潰決。

水庫下泄能力代表其泄洪能力，故水庫的下泄能力越強(qiáng)，對(duì)入庫洪水的調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)，高水位運(yùn)行時(shí)間縮短，故漫頂潰壩的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)降低。但若是水庫的下泄量大大超過下游河道安全泄量，會(huì)給下游區(qū)域以及下游水庫造成危害。河門水庫主壩為均質(zhì)土壩，總庫容560 萬m3。1976年10月上游水庫泄洪，河門水庫庫水位居高不下，壩體出現(xiàn)裂縫，水庫潰壩。

(2)壩型及潰決形式。不同壩型，其潰決形式不同，通?？煞譃樗矔r(shí)潰壩和逐步潰壩兩種形式?；炷翂蔚臐伪容^突然，一般視混凝土壩潰壩為瞬時(shí)潰決，對(duì)混凝土拱壩來說可能是瞬時(shí)全潰；而混凝土重力壩則可能是某個(gè)或幾個(gè)壩段(橫向局部)一潰到底；或上部拱圈或壩段(垂向局部)潰決，見圖1。不同于混凝土壩，土石壩的潰決是一個(gè)逐步發(fā)展的過程。以土石壩漫頂潰壩為例，在漫頂水流的侵蝕下形成潰口，隨后潰口在潰決水流作用下不斷沖深的同時(shí)也逐漸向兩側(cè)擴(kuò)展，直至沖刷停止，如圖1所示為土石壩潰口發(fā)展的示意圖，圖1中數(shù)字表示潰口發(fā)展的順序。

圖1 混凝土壩潰決方式示意圖

潰決形式受壩型制約，而潰決形式對(duì)潰壩洪水的演進(jìn)過程有著極大的影響。構(gòu)建一維河道模型，在入流條件、水庫特征條件及最終潰口形態(tài)都相同的條件下，分別模擬庫水位超過壩頂0.5 m大壩發(fā)生瞬時(shí)垂向局部全潰和庫水漫過壩頂大壩開始逐漸潰壩兩種潰壩方式。數(shù)值模擬結(jié)果(如圖2所示)表明相比于瞬間潰決的形式，逐步潰決的潰壩洪水下泄時(shí)間持續(xù)較長，其潰壩洪峰形成較晚，峰值相對(duì)較小。

總結(jié)來說，重力壩、拱壩這類壩型通常發(fā)生瞬時(shí)潰壩，其潰壩洪水洪量集中，洪峰形成早，峰值高，對(duì)下游水庫安全造成威脅大。

圖2 潰決方式對(duì)潰壩洪水過程的影響

2.2 梯級(jí)應(yīng)急調(diào)度能力

梯級(jí)水庫應(yīng)急調(diào)度能力包括：流域是否建立聯(lián)合調(diào)度機(jī)制，應(yīng)急調(diào)度模式是否科學(xué)合理。

已建工程中梯級(jí)水庫所占比例為48%，在建工程中梯級(jí)水庫比例達(dá)50%。梯級(jí)水庫中尚有25%左右所在河流未建立防洪聯(lián)調(diào)機(jī)制，一旦流域水庫出險(xiǎn)，極可能因?yàn)樘菁?jí)調(diào)度失當(dāng)，大大增加梯級(jí)水庫群的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)累積效應(yīng)，加重大壩潰決的損失。

梯級(jí)水庫應(yīng)急調(diào)度的編制是為了保障大壩突發(fā)險(xiǎn)情，出現(xiàn)潰決危險(xiǎn)時(shí)，水庫決策者和執(zhí)行者能及時(shí)采取合理、有效的處置措施，從而防止?jié)问鹿拾l(fā)生或者盡可能減少災(zāi)害帶來的損失。其應(yīng)急調(diào)度應(yīng)在可能的條件下(如：緊急泄洪，利用上下游梯級(jí)水庫調(diào)蓄洪水)最大限度地保障大壩安全，達(dá)到保壩目標(biāo)；一旦導(dǎo)致大壩潰決的不利因素脫離可控范圍，則盡量延遲潰壩時(shí)間，削弱大壩潰壩時(shí)的洪水強(qiáng)度，為下游風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的人員和財(cái)產(chǎn)轉(zhuǎn)移預(yù)留時(shí)間，以減輕風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施和不動(dòng)產(chǎn)等資產(chǎn)的損失，最大程度上降低人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)和減少社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失。

河北省崗南水庫位于滹沱河干流中游，其總庫容15.71 億m3，滹沱河中下游出口處建設(shè)黃壁莊水庫，總庫容12.1 億m3。通過對(duì)崗南水庫與其下游的黃壁莊水庫進(jìn)行潰壩聯(lián)合應(yīng)急調(diào)度調(diào)洪計(jì)算[5]。假設(shè)崗南水庫在非汛期出現(xiàn)險(xiǎn)情潰壩，其潰壩洪水即為黃壁莊水庫入庫洪水。分別模擬崗南水庫潰壩前無預(yù)泄、預(yù)泄1 h 、預(yù)泄3 h等不同預(yù)泄情況進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算。模擬結(jié)果(見表1)得到上游崗南水庫潰壩前預(yù)泄時(shí)間越長，下游黃壁莊水庫最高庫水位越低、最大出庫流量越小，出庫流量大于河道安全泄量的歷時(shí)也越短，不僅更能保障黃壁莊水庫大壩安全，也有利于減輕下游河道的洪水災(zāi)害。

表1 不同預(yù)泄情況下崗南水庫潰壩后應(yīng)急調(diào)度調(diào)洪結(jié)果

由表1還可以得知，應(yīng)急調(diào)度方案的選擇也與大壩安全的風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)。在上游水庫采用相同預(yù)泄方式是，下游水庫采用調(diào)度規(guī)則泄洪或是最大泄流能力泄洪的調(diào)度方式，將取得不同的效果。按調(diào)度規(guī)則泄洪，能控制水庫的下泄流量，出庫流量大于河道安全泄量的歷時(shí)也越短，有利于減輕下游河道的洪水災(zāi)害，但是該調(diào)度方法調(diào)洪歷史長，會(huì)對(duì)水庫自身安全帶來風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 流域地形因素

前面從梯級(jí)大壩工程特點(diǎn)方面總結(jié)梯級(jí)水庫的風(fēng)險(xiǎn)，除工程因素，流域的地形特征(如河道坡度、水庫間距、河道特征等)也會(huì)對(duì)梯級(jí)水庫風(fēng)險(xiǎn)有所影響。

(1)河道坡度和水庫間距。潰壩洪水對(duì)下游的危害來自其兩方面：水量和動(dòng)能[6]。水庫蓄水量以及流域入流條件決定洪量的大小，潰壩壩前水深和流域地形條件會(huì)影響洪水動(dòng)能的大小。在水庫間距相同的條件下，河道坡度越大，上下游水庫落差大，上游水庫具有的勢(shì)能多，轉(zhuǎn)化為動(dòng)能后，潰壩洪水流速快，到達(dá)下游水庫所需時(shí)間短；同理，在水庫坡度相同的條件下，水庫間距越大，水庫間的落差大，潰壩洪水到達(dá)下游時(shí)的流速快，對(duì)下游的威脅大。

(2)河谷斷面特征。下游平原水庫潰壩，潰壩洪水使得河道水位抬升，漫溢出河道，這固然會(huì)對(duì)河道兩岸的平原帶來災(zāi)害，但同時(shí)河道兩岸的洪泛平原起到了分洪的作用，減少了河道內(nèi)的洪水量，減小了河道水位的抬升幅度，減少了下游水庫的入庫洪水量，對(duì)保障下游水庫的安全，降低連鎖潰壩風(fēng)險(xiǎn)是有利的；與其相反，流域河道上游水庫潰壩，由于河道狹窄，河道水位漲幅迅速，并且兩岸巖壁陡峭，潰壩洪水拘束在河道內(nèi)沒有分流路徑，造成洪水流速快，水位抬升幅度大，水量集中的特點(diǎn)，給下游水庫的安全帶來較大風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié) 語

不可否認(rèn)，梯級(jí)開發(fā)在流域防洪與資源利用上為人類帶來了益處，但目前梯級(jí)開發(fā)在流域管理不協(xié)調(diào)以及梯級(jí)庫群的工程安全性兩方面存在一定的隱患，一定程度上增加了梯級(jí)開發(fā)的潰壩風(fēng)險(xiǎn)。由于梯級(jí)水庫潰壩影響因素較為復(fù)雜，本文主要考慮潰壩洪水造成下游水庫庫水位升高，導(dǎo)致其出現(xiàn)漫頂進(jìn)而發(fā)生潰壩。然而，潰壩洪水波的動(dòng)水壓力作用也可能造成大壩壩體失穩(wěn)破壞，其破壞機(jī)理和潰壩模式，還需進(jìn)一步研究。

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[1] 王立輝．潰壩水流數(shù)值模擬與潰壩風(fēng)險(xiǎn)分析研究[D]．南京：南京水利科學(xué)研究院，2006.

[2] 杜景燦. 水電建設(shè)直面三大問題[J]. 中國投資，2009,(6):98-99.

[3] 李 雷. 大壩風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)管理[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[4] 傅忠友,張士辰.基于工程實(shí)例的重力壩潰決模式和潰決路徑分析[J].水利水電技術(shù),2010,41(9):57-60,71.

[5] 王 冰.梯級(jí)水庫聯(lián)合防洪應(yīng)急調(diào)度模式及其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[C]∥ 天津大學(xué)第二屆博士生學(xué)術(shù)論壇----建筑工程論壇論文集，2009.

[6] 許唯臨.梯級(jí)庫群的連鎖潰決[M].北京：中國水利水電出版社,2013.