水库抢险应急预案中溃坝洪水及演进分析方崇惠;李海涛【摘要】For providing references for compiling of reservoir emergency plan, taking the Zhaolaihe Reservoir on tributary of Qingjiang River as a case, we induce the simulation formula for flow process calculation in case of instantaneous dam break, the dam-break flow and its routing process is computed by using the proposed formula and software pack of Hec-ras. The results show that in the case of carrying out flood discharge by downstream Geheyan Reservoir, the level in Geheyan Reservoir would drop 5m;in case of not carrying out flood discharge by Geheyan Reservoir, it would increase dangers for the residents in Geheyan Reservoir area and result in flood level exceeding the dam top of Geheyan Dam, even induce continuous dam break.%为给水库大坝防汛抢险应急预案的编制提供参考借鉴，以清江支流招徕河水库的应急抢险预案编制为例，给出了瞬时溃坝流量过程模拟公式，并应用该公式和Hec-ras软件包，计算了溃坝洪水及其动态演进过程。
分析结果表明，若下游隔河岩水库及时开闸泄洪，将使泄洪库区的最高水位下降5m；如隔河岩水库不开闸泄洪，不仅使两岸居民点受灾风险加大，而且水位将超过隔河岩大坝坝顶，危及大坝安全，甚至造成连溃风险。
【期刊名称】《人民长江》【年(卷),期】2014(000)016【总页数】4页(P29-32)【关键词】溃坝洪水;洪水演进;模拟公式;应急预案;清江招徕河水库【作者】方崇惠;李海涛【作者单位】湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北武汉430064; 南京水利科学研究院水利部水科学与水工程重点实验室，江苏南京210029;湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北武汉430064【正文语种】中文【中图分类】TV697据统计[1]，至2006年底，我国现有大坝总数超过8.5万座，居世界第一位。
这些水库大坝在防洪、灌溉、发电、供水、改善生态环境等方面发挥着巨大作用，是我国防洪保安工程体系的重要组成部分，也是保障国民经济可持续发展的重要基础设施。
我国大坝虽然数量多但大都修建于20世纪50～70年代，当时建设标准偏低，工程质量较差，有些还是病险水库，容易酿成溃坝灾难，严重威胁下游人民生命财产安全[1]。
在这一背景下，为了规范、指导《水库防汛抢险应急预案》的编制，“提高应对水库突发事件的能力，最大限度地保障人民群众生命安全，减少灾害损失”，2006年3月国家防汛抗旱总指挥部办公室以办海[2006]9号文印发了《水库防汛抢险应急预案编制大纲》，2007年5月水利部以水建管[2007]164号文下发《水库大坝安全管理应急预案编制导则(试行)》。
按照上述大纲和导则，水库遭遇的突发事件是指水库工程因超标准洪水、工程隐患、地震灾害、地质灾害、上游水库溃坝、上游大体积漂移物的撞击事件、战争或恐怖事件等因素导致重大险情，而这些突发事件均可能造成最重大险情——水库溃坝。
因此，水库溃坝洪水过程及其演进分析是《水库防汛抢险应急预案》的最重要内容。
本文以清江支流上的招徕河水库大坝为例，详细描述溃坝洪水的计算方法及其演进分析过程，为类似水库大坝防汛抢险应急预案编制提供参考。
招徕河是清江中游左岸一级支流，于长阳县的渔峡口镇注入清江。
招徕河水库坝址位于招徕河的下游、距河口约2.9 km处，与清江隔河岩水库库区相连，坝址以上平均比降12.8‰，控制流域面积792 km2，占招徕河流域的96%，坝址河谷宽度198.05 m。
招徕河水库总库容0.692亿m3，水库正常蓄水位300 m，设计洪水位301.21 m，校核洪水位303.29 m，主要功能是发电。
枢纽工程等别为Ⅲ等，主要由拦河大坝及泄水建筑物、发电引水建筑物等组成。
拦河大坝为碾压混凝土双曲拱坝，坝顶高程305.5 m，最大坝高105 m，坝顶宽6 m，坝底厚18.5 m，拱冠梁厚高比0.17，坝顶顶拱中轴弧长198.07 m，抗震设计烈度为Ⅵ度。
泄洪建筑物位于大坝坝身，大坝中部的河床段为溢流坝段，设3个溢流表孔。
清江隔河岩水利枢纽位于湖北长阳县长江支流的清江干流上，下距清江河口62 km、距长阳县城9 km，是一个以发电为主，兼有防洪、航运综合利用效益的大型水利枢纽工程。
坝址以上流域面积14 430 km2。
枢纽建筑物由混凝土重力拱坝、泄水建筑物、右岸岸边式厂房、左岸垂直升船机组成。
大坝坝顶高程206 m，坝顶全长653.5 m，最大坝高151 m。
溢流段位于坝的中部，共设7个表孔，4个深孔和2个放空孔兼导流底孔。
工程正常蓄水位200 m，相应库容31.2亿m3，按10 000 a一遇洪水洪峰流量27 800 m3/s校核，相应库水位204.59 m，相应库容37.7亿m3。
瞬时溃坝洪峰流量Qm计算通用公式[2](方氏公式)为式中，Qweir0为溃口堰坎正常供水的堰流量，m3/s；k=mσε，m为流量系数，σ为淹没系数,ε为侧收缩系数；A为溃口过流面积,m2；为坝前水深，m；υ0为库区行近流速，m/s；g取值为9.861 m/s2;h′为堰坎高度，m。
在已知溃坝洪峰流量的情况下，可采用概化典型流量过程线法计算溃坝流量过程[3]。
通过对算法成果及模型试验资料的整理分析，发现t时刻瞬时溃坝流量Q过程线与最大流量Qm、正常泄洪设施下泄流量Q0及溃口总下泄水量W等参数有关，并可得到一组t/T～Q/Qm相对过程数据，其中T为过程线底长，即为溃口总下泄水量泄空所需总时长，详见表1。
表1中数据呈四次抛物线，即溃坝初期，溃坝流量突增到Qm，紧接着流量迅速下降，形成下凹的曲线，最后趋近于原下泄流量Q0。
将表中数据绘制曲线于图1。
同时，通过MATLAB工具进行曲线拟合，虽Q/Qm= (1-t/T)a或Q/Qm=Q0/Qm+(1-t/T)a公式拟合效果不好，但通过指数自动拟合效果非常好，如图1所示，在95%保证率下参数相关性达0.997以上，形成组合公式如下对上述式(2)积分得对于正常泄洪设施的下泄过程，则上述式(2)、(3)改为，或为此，对式(4)、(5)需要进行试算得T。
当Q0为恒定值，则有在设置预案时，假设当水库正常运行时大坝遭遇超设计的8级地震，大坝发生瞬时溃坝。
根据可靠度方法分析确定溃口范围为[4]，总面积4 595.3 m2、最低高程为236.55 m，缺口形状成梯形，其上口门宽度89.22 m(305.5 m高程)，下口门宽47.01 m(高程238.04 m)，边坡为1∶0.313。
根据招徕河碾压混凝土坝几何尺寸知，溃口底部高程238.04 m的坝体厚度δ为13.57 m，相应溃坝水头H为61.96 m，δ/H为0.22<0.5，其溃坝堰坎为薄壁堰。
按照薄壁堰堰流巴赞公式[5]，计算含侧收缩系数的流量系数m0：式中,b为溃口宽度，m；B为河道宽度，m；其他参数同前。
计算得到流量系数(含侧收缩系数)m0为0.394，根据下游水位为253.79 m、相应淹没系数为0.95，则得到稳定补水的薄壁堰堰流量Qweir0为53 200 m3/s。
瞬时溃坝最大流量，按照式(1)得到补水受限的瞬时溃坝最大流量Qm为29 900m3/s。
按照式(2)、(3)得溃坝洪水过程成果如表2、图2所示。
由于下游河段沿程有实测断面资料，本文采用一维溃坝洪水波数值演进方法展开分析，并推荐使用Hec-ras软件包。
招徕河坝址下游断面布置及居民集中点、建筑物等风险分析点位置见图3。
对上述假设方案，在隔河岩拦河大坝开闸泄洪和不开闸泄洪两种情况，分析确定上游溃坝洪水对两岸风险点及隔河岩水库的影响，演算成果详见表3。
从表3可知，招徕河坝下溃坝洪水激波高达38 m，即使坝下2 900 m处波高也达20 m；隔河岩大坝及时开闸泄洪时库区最高水位较不开闸泄洪要低5 m，其对两岸居民点的减灾效果非常明显，也大大减轻了隔河岩水库大坝的压力；如不开闸，溃坝洪水不仅对两岸居民点有较大影响，而且将超过隔河岩坝顶0.79m，危急大坝安全；但两种情况对两河口以上清江影响都较小，见图4～7。
本文以招徕河水库大坝的应急抢险预案编制为例，给出了瞬时溃坝流量过程模拟公式，同时结合瞬时溃坝洪峰流量计算通用公式，较简便地解决了瞬时溃坝洪水计算问题。
通过实例分析溃坝洪水演进成果可知，上游水库溃坝对下游水库大坝及两岸风险点威胁加大，甚至造成大坝连溃风险，而保持泄洪设施正常运行将大大延缓溃坝的发生，延长预警时间，有利于下游群众的安全转移。
因此建立预警机制，切实做好防洪抢险预案编制工作，使水库调度运行有案可依，对于保障生命安全、减少财产损失是非常重要的。
【相关文献】[1] 方崇惠,段亚辉.溃坝事件统计分析及其警示[J].人民长江,2010,41(11):96-101.[2] 方崇惠,方堃.瞬时溃坝最大流量计算新通式推导及验证[J].水科学进展,2012,23(5):721-727.[3] 谢任之.溃坝水力学[M].济南:山东科学技术出版社，1993.[4] 方崇惠.基于数值仿真混凝土拱坝溃坝失效及其溃坝洪水计算研究[D].武汉:武汉大学,2010.[5] 吴持恭.水力学[M].北京:人民教育出版社，2008.。