蔣月麗，孫旭良，黃武林

（廣西水利電力勘測設(shè)計研究院有限責任公司，南寧 530023）

0 引言

水庫在施工期間，由于遭遇超標準洪水等原因引起圍堰潰決，將給下游的防洪安全帶來嚴重威脅，為確保下游防洪安全，應(yīng)開展水庫施工圍堰潰壩洪水分析。以馱英水庫施工圍堰潰壩洪水分析為例，分析計算施工圍堰遭遇超標準洪水漫頂造成圍堰潰決后洪水的演進過程，研究潰壩洪水對下游造成的影響，為編制水庫施工期安全度汛應(yīng)急預(yù)案提供技術(shù)參考。

1 工程概況

馱英水庫壩址地處廣西崇左市寧明縣那堪鄉(xiāng)垌中村蒲城屯，位于珠江流域西江水系左江支流明江的一級支流公安河上，距那堪鄉(xiāng)31 km，距寧明縣城115 km，是一座以灌溉、供水為主，兼顧發(fā)電等綜合利用的大（2）型水庫，為廣西左江治旱馱英水庫及灌區(qū)工程供水的龍頭水庫。水庫兩側(cè)為中低山峽谷地形，兩岸山勢陡峭，河流狹窄，地勢南高北低，壩址下游過渡為丘陵地形。施工圍堰所在河段河谷為“V”型谷，圍堰附近無村莊民房，天然河道水面寬33～52 m。圍堰建設(shè)范圍內(nèi)基巖以粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，河床部位基巖風化較淺，多為弱～微風化巖體，左岸強風化帶下限埋深較淺，右岸弱風化帶下限埋深相對較深。

馱英水庫導(dǎo)流方式采用施工圍堰與壩體部分結(jié)合、一次攔斷河床，導(dǎo)流隧洞泄流的導(dǎo)流方式。根據(jù)施工進度安排，馱英水庫施工期為全年，大壩圍堰填筑后的第一個汛期（5～10月）利用施工圍堰擋水施工，施工圍堰壩型為堆石壩，堰頂高程為207 m，防洪標準為10年一遇，相應(yīng)洪峰流量為2670 m3/s。當汛期出現(xiàn)超10年一遇小于20年一遇洪水時，根據(jù)工程布置及現(xiàn)場實際情況，將采取臨時增加子堰擋水的措施，將子堰加高至211 m高程，相當于可擋20年一遇洪水，相應(yīng)洪峰流量為3407 m3/s。

2 潰壩洪水分析

2.1 潰壩洪水分析范圍

潰壩洪水分析范圍為施工圍堰至公安河河口的47 km河道，主要對枯改、崠布、汪迷、崠磨、繁華、鄧約、帝也、賴灣、板含、其坤、平高、板晃、毛六、公安圩、垌中村、江叫等16 個距河較近的村屯進行潰壩洪水影響分析。對于明江干流公安河河口以下的沿岸村屯，同樣要及時做好預(yù)警及避險轉(zhuǎn)移工作。

2.2 潰壩類型分析

根據(jù)潰壩過程的時間長短，潰壩類型可分為瞬時潰壩和逐漸潰壩；根據(jù)潰壩缺口規(guī)模大小，可分為全部潰壩和局部潰壩。對于剛性壩，如重力壩、拱壩、漿砌石壩、支墩壩等，一般是瞬時潰壩，而且多出現(xiàn)局部潰壩；對于散粒壩，如土壩、堆石壩等受水流沖刷，壩體受到破壞，達到潰壩總有一個時間過程，因此可認為是逐漸潰壩類型，但水庫在不太長的時間內(nèi)全部泄空。

馱英施工圍堰采用土石圍堰，潰壩原因主要為洪水漫頂、基礎(chǔ)管涌、滲漏等，屬于逐漸潰壩類型，但由于引起潰壩的水流沖擊能力極強，從決口開始到基本形成穩(wěn)定的潰決斷面，整個時間過程非常短暫（一般半個小時左右），從安全角度考慮，馱英施工圍堰按瞬時全部潰壩處理。

2.3 潰壩洪水計算組合

結(jié)合馱英水庫施工導(dǎo)流方式及施工安排，潰壩洪水計算組合分3種工況，即：

（1）工況一：當施工圍堰遭遇超標準洪水，圍堰瞬時全部潰壩。

（2）工況二：當施工圍堰加子堰亦無法抵御超標準洪水時，圍堰加子堰瞬時全部潰壩。

（3）工況三：當施工圍堰加子堰后，由于對施工圍堰迎水側(cè)邊坡采用風化過渡料斜墻保護，僅子堰發(fā)生瞬時局部潰壩。

2.4 壩址處潰壩最大流量計算

根據(jù)《水力計算手冊（第二版）》（中國水利水電出版社），大壩瞬時全部潰決時，二次拋物線形狀河槽壩址處潰壩最大流量QM計算公式為：

式中：QM為流量，m3/s；B為水面寬度，取壩體頂部長度，為180 m；H0為壩前水深，考慮洪水沒過堰頂后潰壩，壩前水深為堰頂高程與河底高程之間的高差，m。

2.4.1 工況一（施工圍堰瞬時全部潰壩）

施工圍堰壩型為散粒體壩，為瞬時全部潰壩，從堰頂高程207 m潰至壩基168 m。經(jīng)計算，潰壩流量為31 565 m3/s。

馱英水庫采用一次攔斷河床、隧洞全年導(dǎo)流的導(dǎo)流方式施工，經(jīng)調(diào)洪計算，當遭遇10 年一遇標準設(shè)計洪水時，導(dǎo)流洞最大下泄流量為1260 m3/s。因此，從安全角度考慮，潰壩洪峰流量需在計算的潰壩洪峰流量基礎(chǔ)上疊加導(dǎo)流洞的最大下泄流量，即施工圍堰瞬時全部潰壩洪峰流量為32 825 m3/s。

2.4.2 工況二（施工圍堰加子堰瞬時全部潰壩）

施工圍堰加子堰發(fā)生瞬時全部潰壩時，從子堰堰頂高程211 m潰至壩基168 m。經(jīng)計算，潰壩流量為36 544 m3/s。

經(jīng)調(diào)洪計算，當遭遇20 年一遇標準設(shè)計洪水時，導(dǎo)流洞最大下泄流量為1374 m3/s。從安全角度考慮，疊加導(dǎo)流洞的最大下泄流量，施工圍堰加子堰瞬時全部潰壩洪峰流量為37 918 m3/s。

2.4.3 工況三（子堰瞬時全部潰壩）

施工圍堰加子堰后，遭遇超20 年一遇標準洪水，僅子堰發(fā)生全部潰決時，從子堰堰頂高程211 m潰至施工圍堰堰頂高程207 m。經(jīng)計算，潰壩流量為1037 m3/s。

經(jīng)調(diào)洪計算，當遭遇20 年一遇標準設(shè)計洪水時，導(dǎo)流洞最大下泄流量為1374 m3/s。從安全角度考慮，疊加導(dǎo)流洞的最大下泄流量，子堰瞬時局部潰壩洪峰流量為2411 m3/s。

2.5 潰壩洪水向下游演進計算

要評估潰壩對下游的影響，必須進行洪水演進計算，除了可使用近似公式外，常使用數(shù)值解法，本次采用數(shù)值解法進行潰壩洪水演進研究。

2.5.1 潰壩流量過程線

壩址潰壩洪水過程線采用概化典型流量過程線法推求，根據(jù)《水力計算手冊》，瞬時潰壩流量過程線與最大流量QM、潰壩前下泄流量Q0及潰壩可泄庫容W（簡稱潰壩庫容）有關(guān)。其線形可概化為四次拋物線，也可概化為2.5次拋物線，即潰壩初期時刻，流量突增到QM，緊接著流量迅速下降，形成下凹的曲線，最后趨近于原下泄流量Q0?？紤]到工程上多用四次拋物線來概化流量過程線，本次采用四次拋物線來概化流量過程線。壩址洪峰流量過程線計算成果表見表1。

（1）根據(jù)QM及W初步確定泄空時間T。T=KW/QM，K 為系數(shù)，對于四次拋物線來說，K 一般為4～5，本次取5。

（2）根據(jù)工程布置，導(dǎo)流隧洞與水工永久泄洪洞結(jié)合布置，前期作為臨時導(dǎo)流隧洞，后期改建成永久泄洪洞，經(jīng)調(diào)洪計算導(dǎo)流洞下泄流量即為Q0。根據(jù)T、QM、Q0和表2的四次拋物線初步確定潰壩洪峰過程線。

（3）驗算，根據(jù)初步定的T值，壩址流量過程線與Q=Q0直線之間的水量不等于潰壩庫容，則需對T值進行調(diào)整。

馱英壩址距公安河河口115 km，區(qū)間集水面積439 km2，占公安河流域總面積1038 km2的42.3%，故潰壩洪水向下游演進分析需考慮區(qū)間洪水。壩址流量過程線采用四次拋物線來概化流量過程線，疊加公安河馱英壩址至河口區(qū)間來水過程，經(jīng)計算壩址流量過程線見表1、圖1。

表1 壩址洪峰流量過程線（考慮區(qū)間來水過程）計算成果表

圖1 馱英施工圍堰壩址洪峰過程線

2.5.2 潰壩洪水向下游演進分析

（1）演進計算方法。以壩址處流量過程線為上邊界條件，采用MIKE11軟件，通過非恒定流解法向下游推演，求得壩址下游各斷面的流量過程線、水位過程線，同時計算出下游洪峰到達的時間。

MIKE11 推求水面線的基本原理程如下：①控制方程組一維水動力學模型控制方程為Saint－Ve?nant方程組

式中：x為距離，m；t為時間，s；A為過水斷面面積，m2；Q 為流量，m3/s；h 為水位，m；g 為重力加速度，m/s2。②方程組的離散利用Abbott 六點隱式格式離散上述控制方程組，該離散格式在每一個網(wǎng)格節(jié)點并不同時計算水位和流量，而是按順序交替計算水位和流量，分別稱為h點和Q點（見圖2）。該格式為無條件穩(wěn)定，可以在相當大的Courant 數(shù)下保持計算穩(wěn)定，可以取較長的時間步長以節(jié)省計算時間。

圖2 Abott格式水位點、流量點交替布置圖

（2）演進計算。以壩址處流量過程線為上邊界條件，公安河最下游枯改村斷面水位流量關(guān)系成果為下邊界，河道糙率取0.045，采用MIKE11軟件，通過非恒定流解法向下游推演，求得壩址下游至公安河河口河段兩岸各村屯的流量演進過程線、水位演進過程線，同時計算出洪峰到達下游各斷面的時間。計算成果見表2、圖3。

表2 馱英水庫施工圍堰潰壩流量向下游演進計算成果表

187 193 197 199 142.0 140.0 140.0 137.5 5.69 7.27 7.00 9.32崠磨汪迷崠布枯改馱英1壩00址m下游0.010江叫5.65垌中村7.58公安村11.913毛六13.818板晃16.133平高17.033 37 918其板坤含12 93..24 45 28賴灣28.983帝也29.985鄧約32.093繁華35.8173崠磨38.5178汪迷41.8185崠布44.2188枯改47.2190馱英1壩00址m下游0.015江叫5.627垌中村7.543公安村11.92毛六13.898板晃16.1117平高17.0118 2 411其板坤含12 93..24 11 25 57賴灣帝也鄧約繁華崠磨汪迷崠布枯改工況二180.0 175.0 163.0 164.0 157.0 150.0 155.0 150.0 147.5 150.0 147.5 150.0 142.0 140.0 140.0 137.5 2.22 3.97 6.73 2.51 6.68 13.66 7.10 8.59 7.22 3.90 3.44 0 6.63 8.16 7.86 10.17 00000 2.14工況三38.5 41.8 44.2 47.2 28.9 29.9 32.0 35.8 38.5 41.8 44.2 47.2 190 207 282 337 348 355 358 360 10 658 8408 7628 7190 37 918 35 260 33 409 30 665 29 426 27 481 26 302 23 468 20 035 15 877 15 367 14 966 14 073 12 318 9769 8889 8381 2411 3615 3516 3400 3321 3195 3160 3110 3060 2991 2981 2959 2827 2685 2560 2517 2493 121.8 119.8 119.0 118.5 165.5 159.3 153.8 145.0 143.5 142.0 141.0 140.0 137.5 131.5 130.8 128.6 124.5 121.8 119.8 119.0 118.5 165.5 159.3 153.8 145.0 143.5 142.0 141.0 140.0 137.5 131.5 130.8 128.6 124.5 121.8 119.8 119.0 118.5 147.69 147.27 147.00 146.82 198.18 182.22 178.98 169.73 166.51 163.68 163.66 162.10 158.59 154.72 153.90 150.95 148.90 148.63 148.16 147.86 147.67 178.56 167.30 163.55 156.16 153.99 152.34 152.14 151.15 147.40 142.67 141.82 140.00 138.50 137.90 137.37 137.03 136.75 25.9 27.5 28.0 28.3 32.7 22.9 25.2 24.7 23.0 21.7 22.7 22.1 21.1 23.2 23.1 22.3 24.4 26.8 28.4 28.9 29.2 13.1 8.0 9.7 11.2 10.5 10.3 11.1 11.1 9.9 11.2 11.0 11.4 14.0 16.1 17.6 18.0 18.2 180.0 175.0 163.0 164.0 157.0 150.0 155.0 150.0 147.5 150.0 147.5 150.0 142.0 140.0 140.0 137.5 0000000000

圖3 馱英水庫施工圍堰潰壩流量向下游演進計算成果圖

2.6 潰壩成果分析

（1）工況一。施工圍堰遭遇超標準設(shè)計洪水發(fā)生潰壩時，施工圍堰壩前最大流量為32 825 m3/s，最大洪峰傳至公安河河口枯改斷面的傳播時間為199 min，至最上游的江叫屯傳播時間為5 min。壩下沿河除了繁華村房屋建基面較高，不受潰壩洪水影響，其他沿河的15個村屯房屋建基面高程均低于潰壩造成的洪水水位，尤其是公安村、板晃、平高、其坤、板含、賴灣、崠磨、汪迷、崠布、枯改等村屯受淹沒范圍廣，影響大，馱英水庫施工圍堰對下游村屯可能造成影響的人口約6000人。

（2）工況二。施工圍堰加子堰遭遇超標準洪水發(fā)生潰壩時，壩前最大流量為37 918 m3/s，最大洪峰傳至最下游的枯改傳播時間為190 min，至最上游的江叫屯傳播時間為5 min。壩下沿河除了繁華村房屋建基面較高，不受潰壩洪水影響，其他沿河的15 個村屯房屋建基面高程均低于潰壩造成的洪水水位，受淹沒范圍廣，影響大，馱英水庫施工圍堰對下游村屯可能造成影響的人口約6500人。

（3）工況三。子堰遭遇超標準洪水發(fā)生潰壩時，壩前最大流量為2411 m3/s，相當于河道發(fā)生10年一遇天然洪水，最大洪峰傳至最下游的枯改村傳播時間為360 min，至最上游的江叫屯傳播時間為27 min。壩下沿河房屋建基面高程均高于子堰潰壩造成的洪水水位，基本不受潰壩洪水影響。

3 結(jié)語及建議

本文根據(jù)二次拋物線形狀河槽壩址處潰壩最大流量計算公式、概化典型流量過程線法，采用MIKE11系列軟件，通過非恒定流解法向下游推演，分析了多種潰壩工況下潰壩洪水向下游河道演進過程。根據(jù)分析成果，工況三條件下僅子堰潰決時，潰壩流量為2411 m3/s，與10 年一遇洪水2670 m3/s相近，對下游危害最小。當發(fā)生工況一、工況二超標準洪水時，潰壩洪峰流量大，洪水傳播速度快，對下游危害影響大，需根據(jù)應(yīng)急預(yù)案，對壩址下游受潰壩影響的村屯做好洪水預(yù)警和洪水避險工作，及時組織下游沿岸村民到山上避險。同時考慮到潰壩的危害性，在施工圍堰過程中，有必要對圍堰采取工程措施，避免其全部潰決。

各大壩施工圍堰在建筑類型、導(dǎo)流方式、潰壩成因等方面存在較大差異，潰壩作為一種極端情況，對人民生命財產(chǎn)威脅嚴重，在進行施工期潰壩洪水分析時，需針對不同情況擬定多種可能的潰壩方案，合理分析潰壩洪水造成的影響，為編制度汛應(yīng)急預(yù)案提供參考。水庫施工期間應(yīng)建立迅速可靠的洪水預(yù)報系統(tǒng)，提前預(yù)測超標準洪水，按照應(yīng)急預(yù)案采取相應(yīng)潰壩預(yù)案措施，做好充分的洪水避險、搶險救援工作準備，最大限度降低潰壩風險和影響。