唐雪峰,國 林，張 衛(wèi)，晏福興，魏海峰，于 雷

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局哈爾濱自然資源綜合調(diào)查中心，黑龍江 哈爾濱 150081；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)教育部長江三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究中心，湖北 武漢 430074)

云峰水電站是20世紀(jì)60年代在鴨綠江上修建的一座大型水電工程，位于吉林省集安市青石鎮(zhèn)，電站以發(fā)電為主，肩負(fù)著防洪、發(fā)電、灌溉等多重任務(wù)，是重點(diǎn)的能源和水工建筑。云峰水電站作為中、朝邊境極為重要的水利、電力設(shè)施，壩體為中、朝兩國共有共建，壩體兩側(cè)執(zhí)行的建筑標(biāo)準(zhǔn)有所不同，一旦潰壩，蓄水將傾瀉而下，可淹沒下游大部分地區(qū)，對人民生命和財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成極大的威脅，同時可形成水障，改變局部地形形態(tài)，對物資運(yùn)輸產(chǎn)生一定的影響。因此，需要將云峰水電站作為重點(diǎn)安全防護(hù)對象進(jìn)行保護(hù)，同時有必要對云峰水電站潰壩風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估，并提出合理的安全防護(hù)建議，以確保云峰水電站的運(yùn)行安全。

1 云峰水電站概況

1.1 水電站工程概況

云峰水電站位于鴨綠江中游集安市青石村，是具有不完全多年調(diào)節(jié)水水庫的引水式電站，是水力發(fā)電公司在鴨綠江上修建的4個梯級電站(云峰、渭原、水豐、太平灣)中的第一級，由中國運(yùn)行管理。該水電站廠區(qū)、壩區(qū)為一長14 km深切峽谷的河曲，大壩建在峽谷出口處，廠、壩之間地塊寬不足1 km，落差達(dá)14 m；壩址為不對稱V形河谷，右岸(中國一側(cè))山勢陡峭，左岸為低山。云峰水庫流域面積為34 360 km,水庫集水面積為17 211 km，多年平均流量為278 m/s，年徑流量為87.6億m，正常高水位為325 m，水庫以發(fā)電為主，兼有筏運(yùn)、防洪、養(yǎng)魚、航運(yùn)和灌溉等作用。云峰水電站裝機(jī)容量為400 MW，保證出力為147.5 MW，年平均發(fā)電量為13.5億kW·h，輸電線路將電能送往遼寧、吉林和朝鮮等地。

1.2 水電站結(jié)構(gòu)和已采取的安全防護(hù)措施

云峰水電站由混凝土寬縫重力壩、引水隧洞和發(fā)電廠房等組成(見圖1)，主要建筑物有攔河壩、引水道、調(diào)壓井、壓力水道、發(fā)電廠房、開關(guān)站等，其中發(fā)電廠房為地面式廠房，尺寸為139.6 m×23.2 m×19.0 m。云峰大壩全長828 m，壩頂長847 m，堤壩等級為1級，最大壩高為113.8 m，上、下游壩坡分別為1∶0.2和1∶0.3，其中溢流壩段長315 m，設(shè)有7.5 m×11.0 m溢流孔21個、4.25 m×4.25 m底孔4個，每個溢流孔泄洪量可達(dá)900 m/s。云峰大壩按千年一遇洪水設(shè)計(jì)，萬年一遇洪水校核，最大下泄流量為24 740 m/s。云峰水電站發(fā)電廠房在河曲下段右岸，兩條引水隧洞進(jìn)口位于壩前右岸，洞長分別為775 m和759 m，洞徑為8.6 m，末端均設(shè)有差動式調(diào)壓井，各以兩條內(nèi)徑為5.3 m的壓力鋼管引入廠房發(fā)電。該發(fā)電廠房內(nèi)裝有單機(jī)容量為10萬kW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組4臺，設(shè)計(jì)水頭為89 m，其中兩臺周波為50 Hz，另兩臺周波為60 Hz，以適應(yīng)電力系統(tǒng)的需求。云峰水電站總裝機(jī)容量為400 MW，單機(jī)容量為100 MW,l號、3號機(jī)周波為50 Hz,向我國供電。

圖1 云峰水電站結(jié)構(gòu)和安全防護(hù)地質(zhì)條件圖

通過對云峰水電站的結(jié)構(gòu)分析可知，云峰大壩構(gòu)筑于地表，規(guī)模大，大壩之上云峰水庫庫容量巨大，一旦遭到破壞，將對下游產(chǎn)生巨大的洪水沖擊；發(fā)電廠房是變電所、變壓器、輸電線路集中分布的區(qū)域，極易遭受洪水沖擊導(dǎo)致輸電系統(tǒng)癱瘓，因此云峰大壩和發(fā)電廠房需要重點(diǎn)加以安全防護(hù)。目前云峰水電站發(fā)電廠房西側(cè)和云峰大壩東側(cè)已設(shè)有安全防護(hù)措施，但對物資運(yùn)輸?shù)墓芸乇∪酰煽紤]利用有利地形地勢和地質(zhì)條件修建構(gòu)筑物來進(jìn)行安全防護(hù)。

2 云峰水電站安全防護(hù)地質(zhì)環(huán)境背景信息分析

水電站周邊巖體屬性特征決定了安全防護(hù)設(shè)施構(gòu)筑的適宜性、抗損壞能力和構(gòu)筑方式等，而土體屬性特征對物資運(yùn)輸路線的通行條件有重要的影響，故水電站的安全防護(hù)性能與地質(zhì)環(huán)境背景具有密切的關(guān)系。云峰水庫及其支流的底質(zhì)和岸質(zhì)特征限制了水電站周邊水體的運(yùn)輸性能，對于物資運(yùn)輸?shù)墓芾砭哂兄匾饬x。

2.1 云峰水電站周邊巖體特征

云峰水電站周邊巖體主要為花崗巖、安山巖和流紋質(zhì)火山碎屑巖，見表1。其中,花崗巖多為微風(fēng)化，上覆土厚度普遍<1 m，屬于較完整的堅(jiān)硬巖-較硬巖類，巖體質(zhì)量等級為Ⅲ級(見圖1)，抗損壞性中等；安山巖多為微風(fēng)化，上覆土厚度普遍<1 m，屬于較完整-較破碎的堅(jiān)硬巖-較硬巖類，巖體質(zhì)量等級為Ⅲ級，少數(shù)為Ⅱ、Ⅳ級，抗損壞性中等；流紋質(zhì)火山碎屑巖為中等風(fēng)化-微風(fēng)化，巖體較破碎，為較硬巖類，巖體質(zhì)量等級以Ⅲ、Ⅳ級為主，抗損壞性以中等為主。綜上可見，云峰水電站周邊巖體抗損壞性以中等為主，上覆土厚度較薄，而上覆土層厚度較薄及巖體風(fēng)化損壞較嚴(yán)重的區(qū)域安全性較低，容易受到洪水沖擊的破壞，影響水電站的正常運(yùn)行，因此建議在水電站附近的制高點(diǎn)和山脊構(gòu)筑安全防護(hù)設(shè)施。

表1 云峰水電站周邊巖體結(jié)構(gòu)類型和基本質(zhì)量等級一覽表

2.2 云峰水電站周邊水體特征

云峰水電站建于鴨綠江上，江水從北側(cè)山體內(nèi)導(dǎo)流涵洞導(dǎo)出，因江深較淺(10～50 cm)，河寬較窄(0～50 m)、部分地段斷流，底質(zhì)以卵石為主(見圖1)，應(yīng)在鴨綠江沿岸安排安全防護(hù)人員，加強(qiáng)對運(yùn)輸通道的安全防護(hù)。

云峰大壩北側(cè)為云峰水庫庫區(qū)，寬為700～970 m，最大水深介于47.8～86.8 m之間，江寬且水深，小型船舶可通航至大壩處。每年1月中旬至4月上旬為云峰水庫封凍期，平均冰厚約0.8 m，冰面物資運(yùn)輸通道暢通。建議在水電站附近的制高點(diǎn)和山脊構(gòu)筑安全防護(hù)設(shè)施，以保證大壩的安全。

云峰水庫沿岸山體高陡，河岸坡度較大，不利于物資的運(yùn)輸，但在我國河岸一側(cè)有石湖河、秋皮河匯入庫區(qū)，由于水庫蓄水的影響，導(dǎo)致兩條河流的下游及河口段水位上升，水面變寬，部分河岸成為坡度為10°～20°的河漫灘，底質(zhì)以卵石為主，提高了河流物資運(yùn)輸通道的暢通性。其中，秋皮河河口水面寬約410 m，流速為0.2 m/s，自河口至秋皮河150 m處兩側(cè)河岸平坦，物資運(yùn)輸通道暢通性好；石湖河河口水面寬約440 m，流速為0.13 m/s，自河口至石湖河2.5 km處河面較開闊，其中老營場處兩側(cè)河岸平坦，易于運(yùn)輸物資。建議在兩條河流的河口處構(gòu)筑安全防護(hù)設(shè)施，加強(qiáng)對河岸的安全防護(hù)。

3 云峰水電站潰壩風(fēng)險(xiǎn)評估

云峰水庫庫區(qū)面積為102.5 km，最大庫容為45.8億m，是中朝邊境地區(qū)最大的水庫。云峰水庫是集安地區(qū)重要的水體資源和天然屏障，但也存在重大的安全隱患。云峰大壩受到洪水沖擊會導(dǎo)致潰壩，巨大的水量會對下游產(chǎn)生破壞，因此急需對云峰水庫潰壩情況下的淹沒范圍進(jìn)行計(jì)算與評估。

3.1 潰壩處最大流量和流量過程計(jì)算

水庫的潰決形式從時間上分為瞬時潰和逐漸潰。對潰壩的風(fēng)險(xiǎn)研究需預(yù)測其最不利的后果，以便采取最有效的措施，所以在水電站潰壩淹沒范圍計(jì)算時選擇瞬時潰壩的情況，并選取水庫最大庫容和最高水位。云峰水庫基礎(chǔ)水文參數(shù)，見表2。

表2 云峰水庫基礎(chǔ)水文參數(shù)表

潰壩處最大流量可采用矩形河谷自由出流(下游水深較淺)理論的瞬時全潰公式進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式為：

式中：

Q

為壩址處峰值流量(m/s)；

B

為壩體寬度(m)；

g

為重力加速度(m/s)；

H

為潰壩高度(m)。

潰壩流量過程可采用概化典型流量過程線法進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式如下:

(0≤

t/T

≤0.3)

式中:

Q

為壩址處峰值流量(m/s)；

Q

為

t

時刻壩址處流量(m/s)；

T

為潰壩出流總時間(s)；

W

為水庫庫容(m)。

通過計(jì)算，得到云峰水庫不同潰壩高度對應(yīng)的出流庫容、峰值流量和出流總時間，見表4。

表4 云峰水庫不同潰壩高度對應(yīng)的出流庫容、峰值流量和出流總時間

3.2 潰壩洪水向下游的演進(jìn)過程計(jì)算

本次潰壩洪水向下游的演進(jìn)過程采用Mike11模型進(jìn)行模擬計(jì)算。MIKE11模型的原理是采用 Abbott 六點(diǎn)隱式格式求解一維河流非恒定流計(jì)算方程——圣維南方程組。目前MIKE模型在我國較多地應(yīng)用于水質(zhì)變化模擬、水環(huán)境預(yù)警，其中MIKEFLOOD是一個耦合的水力模型，能夠完整地模擬一維地下排水管網(wǎng)系統(tǒng)水流過程和二維地表漫流過程。

3.2.1 基本要素與假設(shè)條件

Mike11模型基于以下3個要素進(jìn)行模擬：反映有關(guān)物理定律的微分方程組；對微分方程組進(jìn)行線性化的有限差分格式；求解線性方程組的算法。同時，并基于以下幾個假定：流體的不可壓縮、均質(zhì)流體；一維流態(tài)；坡降小、縱向橫斷面變化幅度小、符合靜水壓力等。

3.2.2 圣維南方程組

圣維南方程組是反映有關(guān)物理定律的微分方程，包括連續(xù)方程(質(zhì)量守恒定律)和動量方程(牛頓第二定律)，即：

式中：

Q

為流量(m/s)；

q

為側(cè)向入流(m/s)；

A

為過水面積(m)；

h

為水位(m)；

R

為水力半徑(m)；

C

為謝才系數(shù)；∝為動量修正系數(shù);

g

為重力加速度(m/s)。

3.2.3 河流模型的概化

河流模型的概化主要包括河流斷面的處理、支流的流入處理、初始條件的設(shè)定、糙率的選定等。由于水文資料相對匱乏，而且鴨綠江的支流流量相對潰壩流量而言很小，故本次模擬中忽略支流的影響，只考慮鴨綠江干流；考慮到空間步長及模型的穩(wěn)定性，每隔2 000 m輸入一個斷面，斷面的河道部分設(shè)定為V形河谷，超過河面部分按等高線投影描繪；初始條件設(shè)為水深3.5 m、流量1 040 m/s；糙率設(shè)為0.045。

3.2.4 潰壩洪水向下游的演進(jìn)過程模擬計(jì)算結(jié)果

云峰水庫在特殊情況下遭受損壞時，可能會產(chǎn)生不同潰口深度的潰壩，本次在假設(shè)潰口深度分別為5 m、10 m、15 m、20 m、50 m的潰壩情況下，模擬不同潰壩程度對下游地區(qū)的影響，并計(jì)算不同潰口深度時各斷面洪峰對應(yīng)的水深和到達(dá)時間，從而換算出不同潰口的淹沒范圍，其模擬計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 云峰水庫不同潰壩深度時各斷面洪峰對應(yīng)的水深和到達(dá)時間

3.3 云峰水庫潰壩淹沒范圍計(jì)算

從云峰水庫不同區(qū)域斷面的不同潰口深度對應(yīng)的峰值水深，可在地形線上繪制出云峰水庫對應(yīng)的潰壩淹沒范圍，見圖2。

圖2 云峰水庫潰壩淹沒范圍圖

測區(qū)鴨綠江兩側(cè)地形整體較陡，僅少量沿江區(qū)域地勢低洼且地形平緩，為村鎮(zhèn)聚集區(qū)。通過計(jì)算可知，潰口深度僅達(dá)到5 m時，洪水就會將沿江居民聚集區(qū)沖毀(見表6)，但由于兩側(cè)地形高陡，50 m潰壩洪水都無法越過兩岸地形高點(diǎn)。

表6 云峰水庫不同潰口深度對應(yīng)的峰值水深和主要淹沒區(qū)域

3.4 云峰水電站潰壩風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果分析與安全防護(hù)

通過上述分析可知，云峰大壩和發(fā)電廠是云峰水電站安全防護(hù)的重點(diǎn)，但目前對物資運(yùn)輸通道的安全防護(hù)管理還很薄弱。通過評估，云峰水電站周邊巖體抗損壞性以中等為主，上覆土厚度較薄，適合地表工事構(gòu)筑，建議在水電站附近的制高點(diǎn)和山脊構(gòu)筑安全防護(hù)設(shè)施，并采用機(jī)械構(gòu)工方式。云峰水電站南側(cè)青石村附近土體承載力較高，地勢平坦，是良好的物資運(yùn)輸通道，建議在青石村安排安全防護(hù)人員，以保證水電站的運(yùn)行安全。云峰水電站南側(cè)鴨綠江，可徒涉通行；云峰水庫江寬水深，小型船舶可通航，每年1月中旬至4月上旬為封凍期，可沿冰面通行；石湖河口、秋皮河口河寬流緩，局部河岸平坦，是物資運(yùn)輸?shù)牧己猛ǖ?。建議在以上地段附近構(gòu)筑安全防護(hù)設(shè)施。

云峰水庫庫容巨大，一旦潰壩，將形成嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害，可淹沒鴨綠江沿岸大部分村鎮(zhèn)，對當(dāng)?shù)鼐用裆拓?cái)產(chǎn)造成重大損失，同時會形成大面積水障，對物資的運(yùn)輸和邊境地區(qū)的管理造成阻礙。因此，可考慮通過對云峰水電站的泄流量進(jìn)行調(diào)控，來控制鴨綠江的水深和流速，以應(yīng)對突發(fā)情況的發(fā)生。

4 結(jié)論與建議

(1) 通過對云峰水電站結(jié)構(gòu)分析可知，云峰大壩和發(fā)電廠是安全防護(hù)的重點(diǎn)。由于云峰水電站周邊巖體抗損壞性中等，上覆土厚度較薄，適合地表工事構(gòu)筑，故可在水電站附近的制高點(diǎn)和山脊規(guī)劃安全防護(hù)設(shè)施，并采用機(jī)械構(gòu)工方式。青石村、云峰水庫庫區(qū)、石湖村河口、秋皮村河口是物資運(yùn)輸?shù)牧己猛ǖ溃煽紤]安排安全防護(hù)人員，以保障水電站的運(yùn)行安全。

(2) 通過數(shù)值模擬可知，云峰大壩僅有5 m潰壩時，就能形成嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害，淹沒鴨綠江沿岸大部分村鎮(zhèn)，使當(dāng)?shù)鼐用裆拓?cái)產(chǎn)遭受重大的損失，同時會形成大面積水障，對物資的運(yùn)輸和邊境地區(qū)的管理造成阻礙。建議：①如有突發(fā)情況，可提前降低庫容和庫水位，使水庫水位降低到警戒線以下；②可提前疏散可能淹沒范圍內(nèi)的居民，將其搬遷到淹沒范圍區(qū)以外的地區(qū)，涉及搬遷的村莊有青石村、望江村、蒿子溝村、黃柏村(青石鎮(zhèn))、長川村、上解放村、下解放村等；③對于重要的工業(yè)和生活設(shè)施，可在鴨綠江邊和重要的支流提前修筑堤防工程，以減少洪水的影響；④對云峰水庫大壩進(jìn)行局部加固，增強(qiáng)大壩自身的強(qiáng)度，以提高大壩的抗損壞能力。