盧少為 柳小珊 林 杰 王彩虹 劉照群

（湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院，武漢 430070）

1 項目背景

湖北省碾盤山水利水電樞紐工程（以下簡稱碾盤山樞紐）位于丹江口水利樞紐下游261 km的漢江干流上，以發(fā)電、航運(yùn)為主，兼顧灌溉、供水，為南水北調(diào)中線引江濟(jì)漢工程良性運(yùn)行創(chuàng)造條件。該樞紐為Ⅱ等大（2）型工程，正常蓄水位50.72 m，工程采取圍堰一次攔斷河床，左岸灘地開挖導(dǎo)流明渠的導(dǎo)流方式，導(dǎo)流設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)頻率為10%，設(shè)計流量13 500 m3/s。設(shè)計導(dǎo)流明渠底寬250 m，開挖邊坡1∶3，在42.00～41.00 m 高程設(shè)10 m 寬馬道，明渠全長2.34 km。導(dǎo)流明渠按設(shè)計防護(hù)要求分段采取了鉸鏈排+鋼筋石籠防護(hù)、鋼筋石籠等防護(hù)措施。圍堰采用土石圍堰，堰頂寬10 m。上游圍堰堰頂長808 m，堰頂高程51.13 m，下游圍堰全長1 110 m，堰頂高程49.51 m。

目前，碾盤山樞紐庫區(qū)堤防、荊門一期堤防加固尚未完工，施工圍堰會增大碾盤山樞紐庫區(qū)堤防的防洪壓力。碾盤山樞紐下游兩岸分布有皇莊分蓄洪民垸、陳集分蓄洪民垸、大柴湖分蓄洪民垸、石牌分蓄洪民垸、鄧家湖分蓄洪民垸、小江湖分蓄洪民垸。當(dāng)漢江洪水超過碾盤山樞紐圍堰設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)，破堰行洪會增大碾盤山樞紐下游堤防的防洪壓力，可能增大下游民垸分洪運(yùn)用的風(fēng)險。

為預(yù)測潰堰對下游的防洪影響，本文開展了不同潰堰模式下的潰堰洪水計算工作。將潰壩模型與一維非恒定流模型進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，建立了潰壩洪水演進(jìn)模型，能同時進(jìn)行上游調(diào)洪演算、潰口發(fā)展過程模擬和壩下游洪水演算。計算結(jié)果為碾盤山樞紐圍堰超標(biāo)準(zhǔn)洪水防御、漢江防洪應(yīng)急工作提供技術(shù)支撐。

2 超標(biāo)準(zhǔn)洪水發(fā)生概率

漢江中下游防洪工程布局：漢江中下游防洪工程體系由丹江口水利樞紐、堤防、杜家臺分洪工程、東荊河自然分流及中下游分蓄洪民垸組成。碾盤山樞紐庫岸為自然高地及漢江沿岸堤防組成，沿岸堤防主要涉及漢江堤防的荊門段中直堤、潞市堤、聯(lián)合堤、朱堡堤、南泉堤及關(guān)山堤。湖北省荊門漢江堤防加固工程的防洪標(biāo)準(zhǔn)為1964年實際洪水（相當(dāng)于20年一遇）。目前碾盤山樞紐上游庫區(qū)堤防、荊門一期堤防加固尚未驗收、下游荊門二期堤防尚未完工。碾盤山樞紐上下游防洪形勢示意圖見圖1。

圖1 碾盤山樞紐上下游防洪形勢示意圖

漢江中下游河道的現(xiàn)狀泄流能力是根據(jù)丹江口水庫按初期規(guī)模建成并運(yùn)行30多年來的實測資料分析得到的。丹江口大壩加高后，碾盤山樞紐河段泄流能力為27 000～30 000 m3/s，新城河段18 400～19 400 m3/s。

當(dāng)遭遇上游來水洪峰流量大于10 年一遇標(biāo)準(zhǔn)（13 500 m3/s）時，認(rèn)為是碾盤山樞紐圍堰遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水，可根據(jù)來水情況、水位上漲情況及工情險情適時破堰行洪，會增大碾盤山樞紐下游堤防的防洪壓力和碾盤山樞紐下游民垸分洪運(yùn)用的風(fēng)險，需啟動應(yīng)急響應(yīng)[1]。

3 潰堰洪水演進(jìn)模型構(gòu)建

碾盤山樞紐圍堰潰堰下泄洪水影響河段較長，潰堰應(yīng)急搶險時間緊、任務(wù)重，潰堰洪水演進(jìn)采用MIKE11 軟件，將一維非恒定水動力學(xué)模型與潰壩模型耦合進(jìn)行模擬計算[2]。

（1）基本方程。一維潰壩洪水基本方程組可用圣維南方程組描述：

式中：Q為流量，m3/s；x為沿程距離，m；A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；t為時間，s；ql為側(cè)向單位長度注入流量，m2/s；β為動能修正系數(shù)；g為重力加速度，m/s2；Z為水位，m；n為糙率系數(shù)；R為斷面水力半徑，m。

方程的離散采用6點中心隱格式，算法為三對角矩陣法（Abbott-Ionescu 法），除進(jìn)行非恒定流計算外，模型中還可對壩、堰、涵洞等水工建筑物進(jìn)行計算。

（2）計算范圍。根據(jù)漢江洪水調(diào)度方案，計算范圍從轉(zhuǎn)斗彎、經(jīng)皇莊站至興隆站，全長約148.1 km，其中轉(zhuǎn)斗彎至碾盤山樞紐壩軸線38.5 km、壩軸線至皇莊站約8.0 km、皇莊站至興隆站101.6 km。斷面采用2012 年實測斷面。導(dǎo)流明渠（明渠軸線全長2 338.1 m）采用2020 年實測地形進(jìn)行加密。

（3）模型率定驗證。率定洪水選取2011 年9 月6 日至10月10日實際洪水過程，驗證洪水選取2010年7月8日至8 月14 日、2019 年9 月15-24 日實際洪水過程，并結(jié)合天然河道糙率取值綜合分析，糙率取值如下：

漢江干流皇莊-興隆河段主槽糙率0.018～0.022，邊灘糙率0.023～0.030。轉(zhuǎn)斗彎-碾盤山樞紐河段綜合糙率0.024，碾盤山樞紐-皇莊河段綜合糙率0.020。

（4）邊界條件及初設(shè)條件。模型進(jìn)口邊界條件為碾盤山樞紐入庫洪水過程（受丹江口水庫調(diào)度影響的1975 年8 月型設(shè)計洪水過程），下邊界為沙洋站水位-流量關(guān)系。模型初設(shè)水位根據(jù)控制站初始水位插值設(shè)定。

（5）潰堰方案擬定。由于實際失事機(jī)制的不確定性以及計算參數(shù)不易確定等困難，通過模擬潰口細(xì)部沖刷、坍塌和擴(kuò)展過程的精確模型還達(dá)不到實用要求。目前采用的簡化和廣泛適用的方法為根據(jù)經(jīng)驗和其他失事大壩的數(shù)據(jù)給定潰口開始到最后終止的時間和潰口的最終尺寸與形狀。以往計算中，通常假定潰口起始底寬，在潰口發(fā)展過程中即潰決時間τ內(nèi)，潰口底寬以線性速度擴(kuò)大，直至達(dá)到最終底寬b或潰口發(fā)展至壩底。模擬大壩潰決時，假設(shè)水庫水位超過指定值hc時便開始潰口計算。當(dāng)hc高于壩頂高程，為模擬漫頂潰決的情況（稱漫頂潰決）；當(dāng)hc低于壩頂高程，為模擬施工質(zhì)量及地質(zhì)條件等原因造成潰決的情況（稱非漫頂潰決）[3]。

本計算中先假定梯形小潰口，其邊坡系數(shù)m=2，起始潰口底部高程為51.13 m。在潰口發(fā)展過程中以線性速度拓展至最終潰口形狀，至達(dá)到最終底部高程40.00 m，即全潰；如潰壩不徹底，假定潰至防滲墻高程45.00 m，即半潰。由于50年一遇洪水峰量較大，潰口僅按照全潰考慮，即潰后底寬800 m、底部潰至地面高程40.00 m。3種頻率洪水與8種潰壩方案組合得到20種計算方案，見表1。

表1 潰壩計算方案表

4 潰堰計算結(jié)果

潰壩水流受潰口尺寸變化、潰決歷時、起潰水位等多因素的影響。堰址洪水過程是天然洪水過程和潰堰引起的洪水過程疊加的結(jié)果。20種計算方案結(jié)果見表2。

表2 潰堰計算結(jié)果

（1）洪水頻率P為10%不同潰壩方案的潰口流量過程見圖2，5%不同潰壩方案的潰口流量過程見圖3。20種潰壩方案計算結(jié)果表明，相同頻率洪水條件下，潰口寬度800 m的方案潰壩后堰址洪峰流量整體大于潰口寬度300 m的方案。

圖2 不同潰堰方案潰口流量過程線（1975年型10%洪水）

圖3 不同潰堰方案潰口流量過程線（1975年型5%洪水）

（2）潰堰洪水波從堰址傳至沙洋站（約83 km）坦化較快，10%洪水潰堰后，堰址-皇莊河段洪峰坦化8.84%～16.30%，堰址-沙洋河段洪峰坦化31.76%～37.90%，洪峰沿程變化符合潰壩水力學(xué)規(guī)律。1975年型10%洪水潰堰沿程洪峰過程見圖4（以潰堰方案5為例）。

圖4 潰堰后沿程流量過程（1975年型10%洪水，方案13）

（3）1975 年型10%洪水，碾盤山樞紐入庫設(shè)計洪峰流量13 500 m3/s，無圍堰時演算至沙洋洪峰流量坦化為12 345 m3/s。10%洪水潰堰后沙洋站洪峰13 357～13 427 m3/s，與未建圍堰時沙洋洪峰12 345 m3/s 相比，潰堰使沙洋站流量增加1 012～1 082 m3/s，均未超過沙洋站安全泄量18 400 m3/s。

（4）1975 年型5%洪水，碾盤山樞紐入庫設(shè)計洪峰流量17 000 m3/s，無圍堰時演算至沙洋洪峰流量坦化為15 620 m3/s。5%洪水潰堰后沙洋洪峰16 236～16 367 m3/s，與未建圍堰時沙洋站洪峰流量15 620 m3/s相比，潰堰使沙洋站流量增加616～747 m3/s，均未超過沙洋站安全泄量18 400 m3/s。20年一遇潰堰方案5沿程洪峰過程見圖5（以潰堰方案5為例）。

圖5 潰堰后沿程流量過程（1975年型5%洪水，方案20）

（5）1975 年型2%洪水，碾盤山樞紐入庫設(shè)計洪峰流量20 200 m3/s，無圍堰時演算至沙洋站洪峰流量坦化為18 418 m3/s。2%洪水潰堰后沙洋站洪峰18 693～18 748 m3/s，與未建圍堰時沙洋站洪峰18 418 m3/s相比，潰堰使沙洋站流量額外增加275～421 m3/s，超過沙洋站安全泄量18 400 m3/s。50年一遇沙洋站水位流量過程線見圖6（潰堰方案8），若上游發(fā)生2%洪水，圍堰應(yīng)全潰，以避免額外增加沙洋河段防洪壓力。

圖6 沙洋站水位流量過程線（1975年型2%洪水，方案8）

5 防洪風(fēng)險分析及應(yīng)對

5.1 防洪風(fēng)險分析

丹江口大壩加高后碾盤山樞紐下游漢江河段的過流能力為：碾盤山樞紐河段27 000～30 000 m3/s，新城河段18 400～19 400 m3/s。上游發(fā)生10%洪水（洪峰13 500 m3/s）、5%洪水（洪峰17 000 m3/s））潰堰后，潰壩洪水波在傳播過程中坦化，不會超過沙洋河段安全泄量。上游發(fā)生2%洪水（洪峰20 200 m3/s）潰堰后，沙洋斷面將超過安全泄量18 400 m3/s，對碾盤山樞紐下游漢江防洪產(chǎn)生壓力。

5.2 應(yīng)急響應(yīng)

（1）2020年汛期洪峰流量大于13 500 m3/s或壩上1.5 km處（水位站點）水位達(dá)到49.25 m 時，即認(rèn)為是碾盤山樞紐超標(biāo)準(zhǔn)洪水，工地啟動應(yīng)急響應(yīng)。

主基坑內(nèi)的施工設(shè)備及人員應(yīng)全部撤離，將上下游橫向圍堰破開，使部分洪水從主基坑分流，確保中直堤等度汛安全。根據(jù)48 h 短期洪水預(yù)報，當(dāng)預(yù)測壩址遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水（13 500 m3/s 或壩上1.5 km 處現(xiàn)有水文站點水位49.25 m）時，防汛指揮部緊急啟動應(yīng)急預(yù)案，并做好破堰準(zhǔn)備。在預(yù)計洪峰到達(dá)壩址前24 h協(xié)調(diào)和組織承建單位完成人員、材料與機(jī)械設(shè)備撤離至預(yù)設(shè)安置區(qū)域，在洪峰到達(dá)壩前6 h完成基坑充水和破堰工作。

（2）啟動充水破堰程序，分為3步：①虹吸管預(yù)充水，將基坑水位充至40.00 m高程；②下游橫向圍堰80 m破口段充水（采用鉆爆法破口），將基坑水位充至與下游水位齊平高程；③將上、下游橫向圍堰扒口段破開，洪水從主基坑過流。

（3）當(dāng)碾盤山樞紐圍堰遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時，應(yīng)立即通知下游有關(guān)單位，啟動碾盤山樞紐下游防洪應(yīng)急預(yù)案。