收稿日期：2023-07-11；接受日期：2023-10-06

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目（52192671）;北京市教委科技計劃一般項(xiàng)目（KM202310005023；KM202210005017）

作者簡介：周晉軍，男，講師，博士，主要從事城市水文循環(huán)研究。E-mail：zhoujj@bjut.edu.cn

通信作者：王昊，男，講師，博士，主要從事水動力學(xué)模擬研究。E-mail：wanghao87@bjut.edu.cn

EditorialOfficeofYangtzeRiver.ThisisanopenaccessarticleundertheCCBY-NC-ND4.0license.

文章編號：1001-4179（2024）03-0029-06

引用本文：周晉軍，孔子辰，王昊，等.極端工況下梯級水電樞紐群大壩連潰情景分析［J］.人民長江，2024，55（3）：29-34.

摘要：

為分析極端工況下梯級水電樞紐群可能出現(xiàn)的最大連潰災(zāi)難，提出了兩種潰壩工況：一種針對土石壩或受損及病險的重力壩與拱壩，認(rèn)為大壩漫頂即潰，且全潰；另一種針對正常運(yùn)行的重力壩和拱壩情形，認(rèn)為漫頂不潰，采用堰流公式計算下泄水量，并采用洪峰展平公式計算兩種工況下潰壩洪水向下游的演進(jìn)過程。以大渡河流域13座梯級水電樞紐群為例展開分析。結(jié)果表明：下游瀘定、大崗山、瀑布溝大壩能夠抵擋和削弱一部分上游潰壩洪水，是流域的控制性大壩；工況一（漫頂即潰）發(fā)生時的潰壩影響比工況二（漫頂不潰）發(fā)生時的影響更為惡劣，水量更大，持續(xù)時間更長，產(chǎn)生的峰頂流量更大；漫頂即潰時的下泄流量過程與庫容、距離以及起潰水位有關(guān)，而漫頂不潰壩時，下泄流量過程與庫容、起潰水位、壩型選擇密切相關(guān)；“上小下大型”梯級電站布局和以重力壩、拱壩為主的壩型選擇將有效降低梯級水電樞紐群發(fā)生大壩連潰的風(fēng)險。研究成果可為梯級水電樞紐群大壩連潰風(fēng)險分析提供理論支撐及技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：

梯級水電樞紐群；大壩連潰；潰壩洪水；極端工況；洪水演進(jìn)

中圖法分類號：TV122.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " " DOI：10.16232j.cnki.1001-4179.2024.03.005

0引言

中國是世界上水庫大壩最多的國家［1］，在水能資源集中的西南地區(qū)存在數(shù)量較多的梯級水電樞紐群［2］。該地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈［3］，老舊病險大壩較多，梯級水庫群失事的風(fēng)險較大，對下游的生命財產(chǎn)安全構(gòu)成巨大威脅。因此，有必要對梯級水電樞紐群開展?jié)渭斑B潰風(fēng)險分析。

目前，國內(nèi)外學(xué)者通常采用DB-IWHR模型（由陳祖煜院士提出的土石壩漸進(jìn)式漫頂潰壩數(shù)學(xué)模型）［4］模擬潰壩過程。如胡良明等［5］采用DB-IWHR潰壩模型計算土石壩潰壩過程，又通過調(diào)洪演算把上下游水庫聯(lián)系起來，建立了梯級水庫土石壩連續(xù)潰壩模型。周興波等［6］在DB-IWHR潰壩模型基礎(chǔ)上進(jìn)行堰塞湖的反演分析，可為類似土石壩、堰塞壩風(fēng)險分析和處理提供參考系數(shù)。郭新蕾等［7］基于DB-IWHR模型理論框架，研發(fā)了水庫群連潰數(shù)值模擬平臺，并針對控制梯級壩的空間分布類型，分析極端工況運(yùn)行時產(chǎn)生的后果。李炎隆等［8］基于正交試驗(yàn)法，以西南某河上虛擬的三級梯級水庫為例，對潰壩模型DB-IWHR進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，可以為潰壩分析方法的選擇提供參考。楊子俊等［9］采用DB-IWHR模型預(yù)測了金沙江白格堰塞湖的潰壩洪水演進(jìn)過程。Hu等［10］通過FRC和FRS獲得上下游水庫的水力特征后，基于DB-IWHR模型建立了梯級水庫潰壩全過程數(shù)值模型，并通過CRBS評估了梯級水庫潰壩風(fēng)險。詹明強(qiáng)等［11］以某面板堆石壩為例，通過洪水預(yù)報模型Dambreak模擬計算了大壩在不同情況下的潰壩過程，為制定應(yīng)急管理方案提供參考。

Hu等［12］通過可視化軟件分析地震情況下的潰壩形式，更加全面地了解了潰壩波的原理；Kalinina等［13］等采用PCE模擬瑞士大壩的潰壩過程，為后續(xù)的風(fēng)險評估工作提供基礎(chǔ)；Rˇíha等［14］人通過經(jīng)驗(yàn)公式、水動力模擬等方法對潰壩進(jìn)行分析，并使用潛水流水力模型模擬潰壩洪水路線，估算潰壩的峰值流量，為后續(xù)風(fēng)險評估工作提供了依據(jù)；Gu等［15］從社會和環(huán)境兩方面介紹了土石壩潰壩的原因和模式，以及相應(yīng)的潰壩損失，并基于模糊綜合評價方法，制定了土石壩潰壩對社會和環(huán)境影響的評價指標(biāo)體系和準(zhǔn)則。Liu等［16］為了研究潰壩水流在復(fù)雜地形上的擴(kuò)散，利用VOF進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，闡述了水波傳播過程；Amini等［17］采用集成ArcMap和HEC-RAS軟件，根據(jù)野外觀測資料模擬了Vahdat大壩潰壩洪水過程，估算了最大泄洪量和潰壩停止時間；Chen等［18］通過數(shù)值方法模擬了潰壩全過程，探討了潰壩波的傳播原理；Li等［19］在分析風(fēng)險形成路徑的基礎(chǔ)上，建立了包括危害因素、暴露因素和脆弱性因素的風(fēng)險評價指標(biāo)體系，將變量模糊集理論引入生命損失風(fēng)險等級風(fēng)險評估中；Jiang等［20］采用二維水動力模型模擬潰壩及之后的洪水演進(jìn)過程，并進(jìn)行了風(fēng)險評估；楊忠勇等［21］分析了某河流上的梯級水庫在多種潰壩情況下對下游地區(qū)的淹沒情況；Bornschein［22］等介紹了3種不同的潰壩計算方法，分析了地形和粗糙度對潰壩洪水波模擬的影響。

近年來，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)逐漸被用于大壩安全風(fēng)險分析領(lǐng)域。Cai等［12］將貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型與DB-IWHR模型相結(jié)合，建立了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)為理論基礎(chǔ)的梯級水庫群系統(tǒng)失效風(fēng)險率模型，量化了系統(tǒng)中各水庫及其整體在原設(shè)計參數(shù)和建議設(shè)計參數(shù)情況下失效風(fēng)險，可以降低梯級大壩系統(tǒng)洪水風(fēng)險分析的主觀性。林鵬智等［13］采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，基于統(tǒng)計資料并結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)，將上游潰壩洪水、超標(biāo)準(zhǔn)洪水和強(qiáng)地震作為關(guān)鍵風(fēng)險因素，建立了3種因素單獨(dú)、組合作用下的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險模型，嘗試解決現(xiàn)有大壩風(fēng)險分析方法中多針對單庫、且不能有效考慮不確定性因素的局限問題；李平等［14］通過構(gòu)建雙庫連潰的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，推求了四川省大渡河上相鄰兩梯級水庫潰壩概率并進(jìn)行了風(fēng)險評估。劉家宏等［15］充分考慮梯級水電樞紐群風(fēng)險級聯(lián)傳遞規(guī)律和災(zāi)害放大效應(yīng)，基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)提出了梯級水電樞紐群可能最大災(zāi)難的量化分析方法。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者主要通過機(jī)理模型模擬潰壩洪水致災(zāi)因子的時空特征，采用數(shù)學(xué)方法分析災(zāi)害風(fēng)險網(wǎng)絡(luò)的傳遞機(jī)制，其中貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析方法是目前研究的熱點(diǎn)，但主要用于兩級或三級的連潰分析，少有研究對于整個流域梯級水電樞紐群的連潰風(fēng)險進(jìn)行分析。

本文聚焦于梯級水電樞紐群可能發(fā)生的最大潰壩災(zāi)難，設(shè)置兩種極端工況，以大渡河流域13座梯級水電樞紐群為例，研究梯級水電樞紐群大壩的連潰問題。

1研究方法

本文設(shè)置兩種極端工況：工況一，假設(shè)流域梯級水電樞紐群中大壩處于病險狀態(tài)，或遭受地震，或人工破壞，不論是何種壩型，只要大壩漫頂就發(fā)生潰壩，且為瞬間全潰；工況二，假設(shè)流域內(nèi)大壩處于正常運(yùn)行狀態(tài)，土石壩（含砌石壩）漫頂即潰壩，重力壩、拱壩（僅考慮混凝土材質(zhì)的部分）漫頂過流不潰，并采用堰流公式計算下泄水量。兩種工況都采用洪峰展平公式演進(jìn)潰壩洪水向下游的傳遞過程。

1.1潰壩工況設(shè)置

1.1.1工況一

此工況假設(shè)大壩水位漫頂即發(fā)生潰壩，從流域第一座大壩開始潰壩后，依次分析下游大壩可能發(fā)生的潰壩情況。如圖1所示，當(dāng)流域中大壩1瞬間全潰后，以10s為時間步長（即以10s為時間間隔進(jìn)行水庫潰壩洪水下泄計算分析），然后采用“統(tǒng)一公式”計算出各時段的潰壩流量水位。當(dāng)水位低于其死水位時認(rèn)為潰壩過程停止。采用洪峰展平公式進(jìn)行潰壩洪水演進(jìn)計算，當(dāng)大壩1的潰壩洪水演進(jìn)至大壩2，基于大壩2的水位-庫容曲線開始對大壩2進(jìn)行調(diào)洪演算，當(dāng)水位超過大壩2的壩頂時，認(rèn)為大壩2潰壩，重復(fù)上述潰壩洪水過程及洪水演進(jìn)計算，直至不潰停止，使該流域內(nèi)末級大壩外所有大壩均完成此過程。

1.1.2工況二

此工況假設(shè)土石壩水位漫頂即發(fā)生潰壩，重力壩和拱壩漫頂不潰，選擇潰壩公式計算漫頂后下泄流量，同樣從流域第一座大壩開始潰壩后，依次分析下游大壩可能發(fā)生的潰壩情況。如圖2所示，首先，對于土石壩選擇“統(tǒng)一公式”計算潰壩流量水位，對于重力壩、拱壩，選擇合適的堰流公式計算泄流量。取10s為時間步長，當(dāng)水位已達(dá)壩頂時，采用“統(tǒng)一公式”（土石壩）或堰流公式（重力壩、拱壩）計算下泄流量，并確定水位，當(dāng)土石壩水位低于死水位、重力壩和拱壩水位低于壩頂高程時，潰壩計算過程結(jié)束。然后大壩1下泄洪水演進(jìn)至大壩2，并進(jìn)行大壩2的調(diào)洪計算，當(dāng)水位到達(dá)其壩頂時，再進(jìn)行類似大壩1的潰壩洪水計算，并將大壩2的潰壩洪水過程演進(jìn)到下一級大壩。重復(fù)上述潰壩洪水過程及洪水演進(jìn)計算，直至不潰停止，使該流域內(nèi)末級大壩外所有大壩均完成此過程。

1.2計算公式

1.2.1統(tǒng)一公式

本文潰壩流量計算采用謝任之［16］提出的“統(tǒng)一公式”，該公式將河谷斷面概化為矩形斷面：

式中：Qm為峰頂流量，m3/s；λ取8/27，為流量參數(shù)；B0為壩址河谷寬度（默認(rèn)河道寬度與壩長相等），m；g為重力加速度，9.8m/s2；H0為潰壩前上游水深，m。

1.2.2堰流公式

重力壩、拱壩（即混凝土壩）漫頂過流不潰壩時，根據(jù)δ/H的值來判斷堰流類型［17］：

δ/Hlt;0.67為薄壁堰流，公式為

式中：δ為堰頂厚度，m；H為堰頂水頭，m；m為流量系數(shù)，一般m在0.32～0.385之間；b為堰寬，m。

0.67lt;δ/Hlt;2.5為實(shí)用堰流，公式為

式中：c為上游堰面坡度影響系數(shù)，當(dāng)上游鉛直時，c值取1.0；ε1為測收縮系數(shù)；σs為淹沒系數(shù)。

2.5lt;δ/Hlt;10為寬頂堰流，公式為

1.2.3洪水演進(jìn)公式

洪峰展平公式計算的基本假定為：①棱柱體河槽；②洪水波概化為三角形；③忽略慣性項(xiàng)。

式中：A、a為河床斷面系數(shù)和指數(shù)，取a=1；qm0和qmx分別為壩址和距壩址x處的最大流量，m3/s；w為洪量，m3；i0為河底縱坡；n為曼寧糙率系數(shù)。

2研究區(qū)概況

本文選定四川省境內(nèi)大渡河干流梯級水電樞紐群為研究對象。大渡河位于四川省中西部，發(fā)源于青海省玉樹藏族自治州阿尼瑪卿山脈的果洛山南麓，是岷江的最大支流，全長1062km，流域面積7.74萬km2，流域水能資源豐富［18］。

大渡河干流已建成了一系列梯級水庫。本文以猴子巖-長河壩-黃金坪-瀘定-硬梁包-大崗山-龍頭石-老鷹巖-瀑布溝-深溪溝-枕頭壩-龔嘴-銅街子組成的13級梯級水庫為研究對象，各梯級水庫的位置、壩頂高程見圖3，圖中通過圓圈大小表示水庫的庫容大小關(guān)系。本次研究區(qū)域中僅長河壩為土石壩，各梯級水庫壩型見表1。

3潰壩結(jié)果分析

表2給出了工況一、二下的潰壩結(jié)果，其中，“√”表示潰壩，“漫”表示僅漫頂，“○”表示安全不漫頂。其中綠色背景色表示工況一的潰壩結(jié)果，藍(lán)色背景色表示工況二的潰壩結(jié)果。

在工況一中：若猴子巖潰壩，則下游均潰壩；若長河壩潰壩，則下游均潰壩；若黃金坪潰壩，則下游均不潰壩；若瀘定潰壩，則下游均潰壩；若硬梁包潰壩，則下游均潰壩；若大崗山潰壩，則下游均潰壩；若僅龍頭石潰壩，則老鷹巖潰壩，下游均不潰壩；若僅老鷹巖潰壩，則瀑布溝及下游均不潰壩；若瀑布溝潰壩，則下游均潰壩；若深溪溝潰壩，則下游均潰壩；若枕頭壩潰壩，則下游均潰壩；若龔嘴潰壩，則銅街子潰壩。

在工況二中：若猴子巖潰壩，則長河壩潰壩，下游均僅漫頂；若長河壩潰壩，下游均僅漫頂；若黃金坪潰壩，下游均漫頂；若瀘定潰壩，則硬梁包漫頂，大崗山及下游均不漫頂；若硬梁包潰壩，下游均不漫頂；若大崗山潰壩，則下游均漫頂；若龍頭石潰壩，則老鷹巖漫頂，瀑布溝及下游均不漫頂；若老鷹巖潰壩，下游均不漫頂；若瀑布溝潰壩，下游均漫頂；若深溪溝潰壩，下游均漫頂；若枕頭壩潰壩，下游均漫頂；若龔嘴潰壩，則銅街子漫頂。

在工況一中，硬梁包的庫容小于大崗山的庫容，故硬梁包潰壩時大崗山不潰；長河壩的庫容比黃金坪大得多且潰前水位高，即使兩壩距離較長，使洪水損失一部分水量，但由于黃金坪的庫容和自身泄水量太小，長河壩潰壩洪水到達(dá)黃金坪時迅速使其漫頂潰壩；由于瀑布溝庫容很大，泄流能力大，而龍頭石、老鷹巖庫容小且潰前水位低，故龍頭石、老鷹巖潰壩均不會導(dǎo)致瀑布溝潰壩。

綜上可知，起潰水位和庫容是影響梯級水庫連潰的關(guān)鍵因素，起潰水位越高、潰壩流量越大，則下游水庫潰壩風(fēng)險越大。

從計算分析結(jié)果來看，潰壩時間長短主要與庫容大小有關(guān)。瀑布溝庫容遠(yuǎn)大于其下游深溪溝和枕頭壩的庫容，當(dāng)瀑布溝潰壩時，其釋放的巨大水量導(dǎo)致深溪溝與枕頭壩的潰壩持續(xù)時間長。對于上游庫容遠(yuǎn)大于下游庫容的“上大下小型”水電樞紐群，上游大庫容大壩潰壩后對下游小庫容大壩造成的災(zāi)害是巨大的。相反的，當(dāng)上游大壩庫容遠(yuǎn)小于下游大壩庫容，也就是“上小下大型”梯級水電樞紐群的上游大壩潰壩后，下游大壩由于庫容大，可以阻擋上游小庫容的潰壩洪水，這時利于梯級水電樞紐群的連潰被阻斷，這種情況下大庫容大壩被稱為流域的控制性大壩。如瀘定大壩、大崗山大壩和瀑布溝大壩等，當(dāng)上游發(fā)生特大洪水時，這些大壩可以攔截上游潰壩洪水，對下游梯級起到一定的保護(hù)作用。

從表2可見，極端工況二中上游潰壩對下游各大壩影響較小。僅當(dāng)長河壩（土石壩）潰壩時，潰壩水量巨大，會導(dǎo)致下游所有大壩均漫頂；而重力壩和拱壩（即混凝土壩）潰壩時，對下游產(chǎn)生的影響較小，只有少數(shù)大壩出現(xiàn)漫頂情況。由此看出，土石壩潰壩造成的后果比混凝土壩僅漫頂?shù)暮蠊麌?yán)重得多。

極端工況二中，由于重力壩、拱壩漫頂?shù)粷Q，壩頂堰流流量較潰壩流量小得多，大大減輕下游生命財產(chǎn)的損失，如瀘定、大崗山、瀑布溝水庫抵擋上游潰壩洪水的作用均十分顯著，具有更好的抗洪能力。

綜上可見，當(dāng)大壩處于健康運(yùn)行狀態(tài)下，流域梯級水庫發(fā)生連潰的風(fēng)險取決于庫容、大壩間的距離、起潰水位與壩型。當(dāng)重力壩和拱壩較多時，流域發(fā)生連潰的風(fēng)險大大降低。因此在地質(zhì)條件合適時，從減輕梯級水庫連潰災(zāi)害的角度出發(fā)，宜盡量選用重力壩、拱壩。

圖4為極端工況一下，各潰壩壩址處的最大流量。峰值出現(xiàn)在長河壩，這是因?yàn)楹镒訋r和長河壩庫容較大，潰壩流量很大的緣故；大崗山出現(xiàn)第二個峰值，這是因?yàn)榇髰徤綁魏芨?；龍頭石、深溪溝、枕頭壩和龔嘴單獨(dú)潰壩的流量遠(yuǎn)小于上游大壩發(fā)生連潰時的潰壩流量，這是因?yàn)樯嫌未髩芜B潰的巨大流量遠(yuǎn)大于小庫單獨(dú)潰壩流量。

圖5為極端工況二下，各潰壩壩址處的最大流量。長河壩庫容較大且土石壩潰壩流量很大，導(dǎo)致其潰壩時下游流量迅猛增大；其余大壩均為混凝土壩，漫頂?shù)难吡髁髁啃〉枚唷?/p>

由此可見，極端工況一是比工況二更危險的狀況。

基于本文研究結(jié)果和內(nèi)容分析，從建設(shè)與運(yùn)行管理兩方面對梯級水電樞紐群的風(fēng)險防控提出如下相關(guān)建議：

梯級水電樞紐群建設(shè)方面：①相比重力壩和拱壩，土石壩的潰壩風(fēng)險更高，在地質(zhì)條件允許的情況下，建議梯級水電樞紐群優(yōu)先選擇重力壩或拱壩；②上游庫容大、下游庫容小的情況下，上游潰壩產(chǎn)生的風(fēng)險損失較上下游庫容相當(dāng)或下游庫容大于上游庫容的情況嚴(yán)重，建議在水文地質(zhì)條件允許的情況下優(yōu)先選擇“上小下大”的梯級電站庫容布局；③大壩泄洪能力的大小對于大壩應(yīng)對超標(biāo)準(zhǔn)洪水或上游潰壩洪水的能力至關(guān)重要，建議在梯級水電樞紐群建設(shè)中提高泄洪洞或溢洪道的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)泄洪能力的建設(shè)。

梯級水電樞紐群運(yùn)行管理方面：①病險大壩發(fā)生潰壩比健康大壩發(fā)生潰壩的后果嚴(yán)重得多，建議加強(qiáng)對大壩的監(jiān)測與檢測，及時有效開展病險水庫治理；②建議以流域?yàn)閱挝婚_展梯級大壩連潰風(fēng)險分析，制定應(yīng)急預(yù)案，降低風(fēng)險損失；③建議劃定大壩下游洪水淹沒風(fēng)險區(qū)域，針對性地制定應(yīng)急逃生和應(yīng)急避險方案。

4結(jié)論

本文研究了兩種極端工況下的梯級水庫連潰風(fēng)險，采用經(jīng)驗(yàn)公式計算潰壩流量過程和洪水傳播過程，據(jù)此分析了大渡河干流梯級大壩的連潰情況，得出以下結(jié)論：

（1）工況一的影響因素主要是庫容、水庫間距和起潰水位，起潰水位越高、潰口流量越大；庫容越大，潰口流量歷時越長，具有持續(xù)性破壞作用。工況二的影響因素主要是壩型、庫容、水庫間距離和起潰水位，混凝土壩漫頂流量較潰壩流量小，漫頂流量持續(xù)時間長。對于大渡河干流，瀘定、大崗山、瀑布溝等大壩具有阻擋上游潰壩洪水的能力，可提高下游大壩的安全性。

（2）梯級水電樞紐群中各大壩的安全與上游大壩安全性緊密相關(guān)，在規(guī)劃設(shè)計上下游大壩的距離、庫容時要考慮連潰風(fēng)險。大壩建成運(yùn)行后，需定期對大壩進(jìn)行監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)并修復(fù)大壩病險問題。從梯級水電樞紐群安全運(yùn)行角度來看，“上小下大型”梯級電站布局和以重力壩、拱壩為主的壩型選擇將有效降低梯級水電樞紐群發(fā)生大壩連潰的風(fēng)險。

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（編輯：胡旭東）