范 鴻 杰

（中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610072）

0 前 言

近年來，隨著氣候條件的變化，極端氣候時有發(fā)生，江河堰塞湖、大壩潰決偶有發(fā)生，給下游人民生命和財產(chǎn)安全造成了重大損失。2018年7月，老撾南部阿速坡省桑片-桑南內(nèi)（Xe-Pian Xe-Namnoy）水電站發(fā)生潰壩事故，導(dǎo)致50億m3的洪水下泄，造成數(shù)人喪生、數(shù)百人失蹤，洪水泛濫造成6 600多人流離失所，該電站所在的薩南賽縣被困，10個地勢較低的村莊受災(zāi)，其中5個村被洪水淹沒，給當(dāng)?shù)厝嗣竦纳拓敭a(chǎn)造成了巨大的損失。

根據(jù)相關(guān)法律法規(guī)、國家防總及四川省防汛抗旱指揮部下發(fā)的有關(guān)文件要求，對水電站水庫潰壩洪水進(jìn)行分析計(jì)算，預(yù)估潰壩洪水給下游沿江居民、集鎮(zhèn)、村莊、交通等帶來的影響，研究采取相應(yīng)的防減災(zāi)措施，最大限度降低大壩潰決導(dǎo)致的損失。

本文結(jié)合雅礱江官地水電站實(shí)際情況，采用基于參數(shù)的DAMBRK潰壩模型，該模型主要利用最終潰口寬度、潰口形成歷時等關(guān)鍵參數(shù)，以及潰口發(fā)展通過起潰至潰口最終形成的時變過程來進(jìn)行模擬。該模型計(jì)算相對簡便，物理機(jī)制明確，同時對潰壩洪水存在影響的關(guān)鍵要素把控較好，應(yīng)用廣泛。

1 官地水電站概況

官地水電站位于四川涼山州西昌市和鹽源縣交界的打羅村境內(nèi)，系雅礱江下游水電規(guī)劃五級開發(fā)的第三個梯級，壩址距西昌市約30 km。電站上游與錦屏二級水電站尾水銜接，下游距二灘壩址約145 km。官地水電站屬日調(diào)節(jié)水庫，正常蓄水位1 330.00 m，總庫容7.6億m3，回水長58 km。

官地水電站主要任務(wù)是發(fā)電，無供水、灌溉、防洪等綜合利用要求。電站主要由混凝土重力壩、泄洪消能建筑物、引水發(fā)電建筑物等組成，最大壩高168.00 m，電站裝機(jī)2 400 MW。工程等別為一等大（1）型工程，大壩設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇，校核防洪標(biāo)準(zhǔn)為5 000年一遇。

官地水庫的運(yùn)行方式為：汛期（6～9月），壩前水位降至汛期排沙運(yùn)用水位1 328 m運(yùn)行；非汛期（10月～翌年5月），水庫進(jìn)行日調(diào)節(jié)，壩前運(yùn)行水位在1 328 m（汛期排沙運(yùn)用水位）至正常蓄水位1 330 m之間。

2 模型方法

DAMBRK模型是美國國家氣象局NWS的潰壩洪水預(yù)報模型，該模型由弗雷德（Fread）于1988年開發(fā)。DAMBRK潰壩洪水計(jì)算數(shù)學(xué)模型是非恒定流動力演算模型，利用一維圣維南方程組演算水庫出流及流經(jīng)下游河槽的潰壩洪水，程序可以根據(jù)潰口最終形狀和潰壩歷時計(jì)算出因溢洪道以及大壩失事形成的壩址處的潰壩洪水過程線。

DAMBRK潰壩洪水計(jì)算模型由三部分組成：潰口幾何形態(tài)及潰口形成歷時；壩址下游受河道地形影響的洪水演進(jìn)過程；潰口泄流過程、上下游水位、庫容及入庫流量。

2.1 潰決口門模擬

依據(jù)潰口形成歷時，將潰決分為瞬潰和漸潰，其中潰決歷時不大于10 min的潰決稱為瞬潰，大于10 min的潰決稱為漸潰，其中重力壩和拱壩主要考慮為瞬潰，土石壩一般考慮為漸潰。官地水電站的擋水建筑物為一座壩高168 m的混凝土重力壩，其潰決按瞬潰考慮，潰決歷時取為0.1 h。

2.2 潰壩泄流過程計(jì)算

潰口處下泄流量包括泄水建筑物泄流和潰口出流兩部分。當(dāng)庫水位高于壩頂高程時為漫頂潰決，潰口處下泄流量按寬頂堰公式計(jì)算；當(dāng)庫水位低于壩頂高程時，則按擬定潰決形態(tài)進(jìn)行計(jì)算，采用寬頂堰公式或孔口出流公式進(jìn)行計(jì)算。由于上下游水位和潰口尺寸是隨時間進(jìn)行變化的，因此潰口處的泄流量為非恒定流。

2.3 潰壩洪水向下游演進(jìn)計(jì)算

模型采用圣維南方程組計(jì)算潰壩洪水波向下游的演進(jìn)，即：

式中，Q為流量；q為側(cè)向入流或出流；H為水位；A為主河槽過水面積；A0為灘地非主流區(qū)過水面積；X為順?biāo)鞣较蚓嚯x；t為時間；Sf為摩阻比降；Se為局部損失比降；g為重力加速度。

3 實(shí)例分析

3.1 研究區(qū)域

官地水電站壩址以下雅礱江穿行于崇山峻嶺之間，兩岸人煙稀少，沿岸集鎮(zhèn)和村莊分屬于一市和四縣，在官地電站壩址到二灘壩址之間的雅礱江沿岸。

由于官地水電站下游約145 km為已建成的二灘水電站，且二灘水電站的潰壩洪水計(jì)算專題報告已審查通過，故官地水電站的潰壩洪水計(jì)算范圍確定為：官地水電站壩址至二灘水電站壩址約145 km的二灘庫區(qū)。

3.2 模型構(gòu)建及方案設(shè)定

潰壩洪水計(jì)算范圍涉及官地水電站及下游長約145 km的雅礱江河段，官地壩址至二灘壩址雅礱江干流共布設(shè)有計(jì)算橫斷面54條，斷面平均間距約2.69 km，支流鳡魚河匯口以上35.1 km布設(shè)有計(jì)算橫斷面17條，斷面平均間距約2.06 km（見圖1）。河道糙率往往是多種因素共同作用的一個綜合值，一般通過實(shí)測資料率定。在潰壩洪水演進(jìn)河道內(nèi)間斷有幾組實(shí)測資料，其中包括廠房尾水、水文站實(shí)測水位流量關(guān)系曲線和二灘庫尾部分水邊線測量成果，根據(jù)這些資料率定河道綜合糙率。潰壩洪水計(jì)算時，參照水力學(xué)中糙率取值，計(jì)算出河段內(nèi)各級流量的糙率取值在0.05～0.075之間。

通過計(jì)算得到沿程各斷面最高水位、洪峰流量及峰現(xiàn)時間等成果。瀘寧站及小得石站的計(jì)算流量過程與實(shí)測流量過程的比較見表1，兩站的計(jì)算和實(shí)測的流量過程線見圖2。

圖1 概化河流網(wǎng)格示意

表1 瀘寧站及小得石站的計(jì)算值與實(shí)測值比較

圖2 瀘寧、小得石兩站計(jì)算值與實(shí)測值流量過程線

從表1和圖2可以看出，在長達(dá)370 km的河道上進(jìn)行驗(yàn)算，計(jì)算值和實(shí)測值的峰現(xiàn)時間和洪峰流量的相對誤差均小于10%，表明該模型模擬效果較好。

根據(jù)分析，官地水電站可能出現(xiàn)重大險情的主要因素有：超標(biāo)準(zhǔn)洪水、特大暴雨、發(fā)生超設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)地震、工程隱患、地質(zhì)災(zāi)害、上游大體積漂移物堵塞泄洪建筑物、戰(zhàn)爭或恐怖襲擊、管理因素、上游錦屏一級水電站潰決導(dǎo)致官地大壩潰決。通過分析官地庫區(qū)地質(zhì)條件、工程管理以及庫區(qū)環(huán)境，綜合考慮官地大壩可能潰決的原因?yàn)椋喊l(fā)生超過抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的地震、戰(zhàn)爭或恐怖襲擊。

根據(jù)官地大壩潰壩原因、潰口尺寸、入庫流量以及初始水位等因素，擬定了4個潰壩方案，其中因超標(biāo)準(zhǔn)地震導(dǎo)致潰壩的方案有3個，因戰(zhàn)爭或恐怖襲擊導(dǎo)致潰決的方案有1個。各方案計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 官地水電站潰壩洪水計(jì)算方案及參數(shù)

3.3 結(jié)果與分析

根據(jù)擬定的方案，經(jīng)模型計(jì)算，各潰決方案壩址處下泄最大流量見表3，官地壩址以下沿程的洪峰流量及最高水位出現(xiàn)時間分別見圖3～6。

表3 官地水電站各方案壩址處潰壩洪水最大流量

圖3 不同潰決方案壩址處流量過程線

圖4 方案F1、F2、F3、F4潰決方案下游沿程最大水深

圖5 不同潰決方案下游沿程最高水位出現(xiàn)時間

圖6 方案F1、F2、F3、F4下游代表斷面流量過程線

（1）成果合理性檢驗(yàn)。方案F3為全潰方案，潰決時庫水位為1 330 m，入庫流量2 670 m3／s，相應(yīng)庫容約7.29億m3，大壩全部潰決12 h后水位降低至1 252.97 m，相應(yīng)庫容為0.87億m3，12 h內(nèi)上游來水量為1.15億m3。根據(jù)官地庫容差值和上游來水量計(jì)算得12 h內(nèi)潰壩泄水總量為7.58億m3，潰壩程序計(jì)算的潰壩泄水總量為7.52億m3，12 h內(nèi)二灘壩址水位由1 200.00 m降至1 199.41 m，二灘庫容減小0.46億m3，且12 h內(nèi)二灘水庫下泄水量為7.92億m3，除庫容減小部分，二灘壩址處泄水量為7.46億m3，上游來水量、電站潰壩庫容變化、潰壩洪水程序計(jì)算泄水總量和大壩下游洪水演進(jìn)洪量之間基本保持平衡。

（2）影響分析。官地水電站大壩至下游二灘水電站壩址的145 km河段，屬高山峽谷地貌，峰谷相對高差大，河谷深窄，是典型的山區(qū)河流。官地壩址至省道S307金河大橋15 km的河道兩岸有官地電站大鹽池營地、打羅村、打羅水文站、金廠壩居民點(diǎn)；金河大橋至德昌縣與西昌市交界處的爛壩村河段約26 km，環(huán)河兩岸無通車公路，基本無人煙；爛壩村至米易縣白坡鄉(xiāng)共77 km，河段左岸為德昌縣道X095鄉(xiāng)村土路，沿雅礱江兩岸有零星居民點(diǎn)分布；白坡鄉(xiāng)至二灘壩址共35 km河段左岸有縣道德鹽路，沿雅礱江兩岸有零星居民點(diǎn)分布。

從圖3可以看出，官地水電站大壩潰口處流量不同方案下均呈現(xiàn)潰壩時刻流量陡增陡減的規(guī)律。四個方案的潰決洪峰流量介于142 000～188 000 m3／s，其中潰口處洪峰流量方案4最小和方案1最大。此外各潰壩方案下壩址到下游60～80 km的河段內(nèi)潰壩洪峰流量衰減較快，如方案1壩址處洪峰為188 000 m3／s，洪峰傳播至下游棉花村時洪峰衰減為 75 000 m3／s，平均每公里減小約 1 676.6 m3／s；而從河流下段棉花村到二灘壩址之間流量衰減相對減緩，如方案1棉花村處最大流量為75 000 m3／s，洪峰傳播至二灘壩址時流量衰減為28 200 m3／s，平均每公里減小約605.4 m3／s。4個方案中，方案3由于潰口洪峰相對較小，下游二灘水庫運(yùn)行水位較高，受河道阻礙作用更強(qiáng)，導(dǎo)致沿程洪峰流量衰減最快。由圖4可知，各方案在官地壩址附近河段沿程水位均存在水深驟降現(xiàn)象，對庫岸穩(wěn)定會造成不同程度的影響，60 km以后至二灘壩址河段沿程水位則主要受到二灘壩前運(yùn)行水位控制；各方案沿程最高水位出現(xiàn)時間逐漸增大，增率接近，其中方案1～方案3沿程最高水位出現(xiàn)時間在3.8～4.7 h之間，方案4最高水位出現(xiàn)時間在9.3 h內(nèi)。

為分析潰壩對下游居民點(diǎn)、水利工程及橋梁的影響，本文分析比較了各方案下，下游金河大橋、棉花村、白坡鄉(xiāng)和二灘壩址的流量過程線。從圖6中可以看出當(dāng)官地大壩發(fā)生潰決后，各方案金河大橋處洪峰介于90 200～129 000 m3／s之間，其中以方案4最小，方案1最大；峰現(xiàn)時間比官地壩址處晚26～33 min，其中方案3峰現(xiàn)時間最晚，方案2峰現(xiàn)時間最早。洪峰流量從上游至二灘壩址沿程逐漸減小，如各方案潰壩洪峰在白坡鄉(xiāng)洪峰降低到26 500～62 700 m3／s，而到二灘壩址洪峰降低到2 500～28 200 m3／s。

綜上，從官地壩址至二灘壩址沿程各斷面洪峰逐漸衰減，峰現(xiàn)時間逐漸增大，因此距離官地壩址越近的下游沿岸居民受到潰壩洪峰的影響最大。其中，方案1由于潰口處洪峰最大，導(dǎo)致下游沿程洪峰以及最高水位也較大，對下游造成的危害最大；而方案4由于潰口處洪峰最小，沿程洪峰以及最高水位均較小，峰現(xiàn)時間相對較長，對下游造成的危害最小。從工程安全性的角度考慮，建議在編制潰壩應(yīng)急預(yù)案時，以方案1作為參考方案，重點(diǎn)分析對下游近壩區(qū)域居民點(diǎn)、白坡鄉(xiāng)的危害，以減小官地水電站大壩潰決帶來的嚴(yán)重后果。

4 結(jié) 論

本文以官地水電站大壩及下游河道為例，考慮不同潰決因素、邊界條件、潰口尺寸的組合，采用DAMBRK潰壩模型論證了不同潰壩工況下對下游沿岸居民點(diǎn)及涉河建筑物的影響。結(jié)果表明，因超標(biāo)準(zhǔn)地震、戰(zhàn)爭或恐怖襲擊導(dǎo)致的大壩潰決對下游危害相對最大，在編制水庫大壩潰壩搶險應(yīng)急預(yù)案時，建議參考超標(biāo)地震導(dǎo)致的潰壩方案1進(jìn)行預(yù)案影響分析及應(yīng)急轉(zhuǎn)移路線設(shè)計(jì)。

潰壩模擬計(jì)算結(jié)果表明，潰決初始水位、入庫流量等邊界條件對潰口洪峰大小有不同程度影響，由于官地水庫庫容較大，潰決初始水位的高低對潰口洪峰大小起到了決定性作用，官地入庫流量對潰口洪峰大小影響微弱。