□馮林松 □胡 江

（1河南省防汛抗旱辦公室；2南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

全球氣候變化和變異加大了極端水文氣候事件的頻次和強(qiáng)度[1-2]。受其影響，我國(guó)近年氣候變化反常，極度干旱頻次增加、范圍擴(kuò)大、損失加重，如：2009年秋至2010年初，西南地區(qū)遭受嚴(yán)重旱情，發(fā)生有氣象記錄以來(lái)最嚴(yán)重秋、冬、春連旱；2013年夏，長(zhǎng)江以南大部地區(qū)出現(xiàn)歷史罕見持續(xù)高溫少雨天氣，江南大部、華南北部極端最高氣溫和平均氣溫均超歷史最高記錄，酷熱天氣數(shù)為近50a之最；2014年，河南省遭遇63a來(lái)最嚴(yán)重的“夏旱”，中西部和北部部分地區(qū)遭遇嚴(yán)重旱情。

極端干旱天氣導(dǎo)致水庫(kù)水位多接近死水位或處于死水位以下，進(jìn)而破壞大壩防滲體系的連續(xù)性和完整性，影響大壩運(yùn)用和安全[3-4]。同時(shí)，水庫(kù)作為地表集中式飲用水水源地，承擔(dān)著提供生活用水、工業(yè)用水及農(nóng)業(yè)灌溉用水任務(wù)。尤其是部分北方地區(qū)城市主要依賴于水庫(kù)供水。可見，極端干旱條件下水庫(kù)大壩工程安全和供水矛盾十分突出。然而，應(yīng)對(duì)持續(xù)干旱、低水位的水庫(kù)運(yùn)用決策方法研究成果不多，已有研究主要集中在考慮庫(kù)容供求平衡的旱限制水位研究方面[5-7]，國(guó)家防辦制定了《旱限水位（流量）確定辦法》，并出臺(tái)文件要求具體實(shí)施，為抗旱決策提供了一定依據(jù)。然而，上述成果缺乏對(duì)工程安全本身的關(guān)注，亟待開展綜合決策方法的研究。

為此，文章提出應(yīng)對(duì)持續(xù)干旱、低水位工況的水庫(kù)運(yùn)用綜合決策方法，主要包括現(xiàn)狀庫(kù)容估算、基于實(shí)測(cè)資料的大壩安全評(píng)判、基于數(shù)值仿真計(jì)算的大壩安全預(yù)測(cè)及綜合決策等，以2014年昭平臺(tái)水庫(kù)應(yīng)急決策為例展開研究，為類似工程決策提供參考。

1 工程概況

昭平臺(tái)水庫(kù)位于淮河流域沙潁河水系沙河干流上，壩址位于河南省平頂山市魯山縣城以西12km。水庫(kù)于1959年6月基本建成，控制流域面積1430km2，最大庫(kù)容，總庫(kù)容7.13億m3，為大（2）型水利工程，是當(dāng)?shù)刂匾吹亍Ｖ鲏螢檎惩列眽ι硽?，壩長(zhǎng)2315m，最大壩高35.50m，壩頂高程181.80m，防浪墻頂高程183.00m，頂寬7.00m，凈寬6.40m。水庫(kù)的特征水位如表1所列。

表1 昭平臺(tái)水庫(kù)特征水位值表

水庫(kù)多年平均來(lái)水6.07億m3，但2013年全年來(lái)水僅1.45億m3，為多年平均的23.9%。2014年1-8月共來(lái)水3816萬(wàn)m3，為建庫(kù)以來(lái)同期最少，遭遇了2013、2014年連續(xù)干旱少雨的不利狀況。2014年5月27日，水庫(kù)水位162.04m，按最近測(cè)繪的庫(kù)容曲線，蓄水量7520萬(wàn)m3，死庫(kù)容以上水量3920萬(wàn)m3，后向市區(qū)應(yīng)急供水2062萬(wàn)m3；截止到9月1日，水庫(kù)水位159.60m，基本接近死水位159.00m，相應(yīng)庫(kù)容4241萬(wàn)m3，死庫(kù)容以上水量659萬(wàn)m3。同時(shí)，中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)近期無(wú)明顯降雨過程。按當(dāng)時(shí)日應(yīng)急供水8.33萬(wàn)m3、日蒸發(fā)4萬(wàn)m3、滲漏4.43萬(wàn)m3計(jì)算，平均日消耗16.76萬(wàn)m3，死庫(kù)容以上庫(kù)容僅能維持供水39d，至10月9日。為保證魯山縣居民生活用水，亟需動(dòng)用昭平臺(tái)水庫(kù)死庫(kù)容。但是，動(dòng)用死庫(kù)容涉及庫(kù)水位控制、大壩安全等諸多問題，需開展應(yīng)急決策研究。

2 應(yīng)對(duì)持續(xù)干旱低水位的水庫(kù)綜合調(diào)度

2.1 庫(kù)容曲線估算

根據(jù)《旱限水位（流量）確定辦法》，水庫(kù)旱限水位確定應(yīng)以逐月或數(shù)月滑動(dòng)計(jì)算的水庫(kù)應(yīng)供水量與死庫(kù)容之和最大值所對(duì)應(yīng)的水庫(kù)水位作為依據(jù)?？梢?，旱限水位確定的標(biāo)準(zhǔn)較高，不能作為持續(xù)干旱低水位下水庫(kù)應(yīng)急供水的決策依據(jù)。

1958年水庫(kù)建成及1987年測(cè)量的庫(kù)容曲線如圖1所示。可見，水庫(kù)兩條庫(kù)容曲線的差值在175.00m高程以上趨于穩(wěn)定，死庫(kù)容淤積占總量的61%。自1987年第二次庫(kù)容淤積測(cè)量以來(lái)，已近30年。期間，2001年進(jìn)行了淤積測(cè)量，但測(cè)量成果未批復(fù)。2002年至今的淤積情況測(cè)量數(shù)據(jù)缺少，為此，需粗略估算當(dāng)前庫(kù)容。具體方法是：①參考1988-2001年水庫(kù)死水位以下淤積量532.80萬(wàn)m3，估算2002年以來(lái)的死水位以下累計(jì)淤積量；②確定水庫(kù)相對(duì)淤積深度—相對(duì)淤積量間的關(guān)系；③推算當(dāng)前死水位下的水位—庫(kù)容曲線。

圖1 昭平臺(tái)水庫(kù)庫(kù)容曲線圖

根據(jù)文獻(xiàn)，忽略其他驅(qū)動(dòng)因子如人類活動(dòng)等和降雨量大小的影響，水庫(kù)淤積量（土壤流失量）與主要自然驅(qū)動(dòng)因子即汛期洪水量（侵蝕性降雨）呈較好的線性相關(guān)性。1988-2001年汛期來(lái)水量為48.73億m3，2002-2013年汛期來(lái)水量約為39.21億m3。據(jù)此粗略估計(jì)得到2002年第3次測(cè)量以后水庫(kù)死水位淤積約為428萬(wàn)m3。

按下式對(duì)1958年、1987年兩次庫(kù)容曲線測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行擬合：

式中：C為水庫(kù)底高程，m；V為水庫(kù)庫(kù)容，m3；Z為水庫(kù)水位，m；a、b為擬合系數(shù)。

進(jìn)一步轉(zhuǎn)換上式可得：

繪制得到ln(Z-C)～lnV曲線，如圖2所示。據(jù)此，假定式中擬合系數(shù)a、b不變，進(jìn)而，可由1990年-2014年的累計(jì)淤積量，推算得到2014年的相對(duì)庫(kù)底—庫(kù)容曲線，同樣繪制于圖2中。1987年實(shí)測(cè)死水位下庫(kù)容曲線和2014年估算的庫(kù)容曲線對(duì)比如圖3所示。

圖2 ln(Z-C)～lnV曲線圖

圖3 1987年實(shí)測(cè)和2014年估算的死水位下庫(kù)容曲線對(duì)比圖

根據(jù)1987年的測(cè)量結(jié)果，水位淤積高程約為150.00m；159.60m對(duì)應(yīng)的庫(kù)容約為4241萬(wàn)m3；死水位159.00m對(duì)應(yīng)的庫(kù)容約為3582萬(wàn)m3；159.60～159.00m高程的庫(kù)容約為659萬(wàn)m3；水位158.70，158.50m對(duì)應(yīng)的庫(kù)容分別約為3305，3120萬(wàn)m3，159.00～158.70m、159.00～158.50m的庫(kù)容分別約為277，462萬(wàn)m3。根據(jù)本次推算結(jié)果，水庫(kù)淤積高程約150.25；159.60m對(duì)應(yīng)的庫(kù)容約為3160萬(wàn)m3；死水位159.00m對(duì)應(yīng)的庫(kù)容約為2630萬(wàn)m3；159.60～159.00m的庫(kù)容約為530萬(wàn)m3；水位158.70，158.50m對(duì)應(yīng)的庫(kù)容分別約為2390，2230萬(wàn)m3，159.00～158.70m、159.00～158.50m的庫(kù)容分別約為240，400萬(wàn)m3。

根據(jù)前文所述的日消耗量，結(jié)合推算得到的庫(kù)容曲線，死水位以上的庫(kù)容僅能供水31d（即至2014年10月1日），比按1987年成果計(jì)算少8d。考慮到短期（至10月初）流域內(nèi)持續(xù)干旱、無(wú)明顯降雨的極端工況，計(jì)算得到保持當(dāng)前供水量、暫停全部工業(yè)用水下（日消耗量約為10.24萬(wàn)m3）兩種方案下的水位下降的速度。若保持供水量不變，2014年10月25日庫(kù)水位下降至158.50m，年底降至156.75m。若暫停全部工業(yè)用水，2014年10月18日降至159.00m。

由此可見，昭平臺(tái)水庫(kù)現(xiàn)有庫(kù)容下可用水量較少，保持當(dāng)前供水量，將導(dǎo)致庫(kù)水位顯著下降；而采取暫停工業(yè)供水的方案，可在一定程度上保障居民生活用水。為此，進(jìn)一步結(jié)合工程安全監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)資料，分析判斷工程安全性。

2.2 基于實(shí)測(cè)資料的工程安全性態(tài)分析

對(duì)土石壩的滲流監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行分析，可了解壩體的防滲體系的有效性。尤其是壩身防滲體系裂縫和缺陷的空間位置是不確定的，而滲流量的大小可反映一定范圍的滲透性能的改變狀況，為此，對(duì)昭平臺(tái)水庫(kù)大壩的滲流量進(jìn)行跟蹤分析。攔河壩共設(shè)12個(gè)滲流觀測(cè)斷面，典型測(cè)壓管布置見圖4。滲流量監(jiān)測(cè)為量水堰，設(shè)在壩下0+600處。

圖4 橫斷面測(cè)壓管布置圖

重點(diǎn)分析2014年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分別繪制浸潤(rùn)線測(cè)壓管水位過程線和測(cè)壓管水位與庫(kù)水位相關(guān)關(guān)系圖，以0+804斷面測(cè)壓管資料為例，過程線如圖5所示，2014年年初至2014年4月15日，庫(kù)水位從161.72m下降至161.28m，下降了0.44m，管水位由147.72m下降至147.49m，下降了0.23m；之后，由于降雨，2014年5月25日庫(kù)水位上升到162.05m，管水位有一定的波動(dòng)；隨后，進(jìn)入持續(xù)的干旱無(wú)雨期，2014年8月26日，庫(kù)水位降低至159.60m，管水位由147.41m變化為147.45m。進(jìn)一步對(duì)庫(kù)水位和管水位進(jìn)行相關(guān)性分析，得到的相關(guān)關(guān)系如圖6?？煽闯?，庫(kù)水位和斜墻后的測(cè)壓管水位相關(guān)關(guān)系不顯著，在0.70以下，表明粘土斜墻和水平鋪蓋形成的防滲體系防滲效果較好。通過斜墻和鋪蓋水頭損失達(dá)80%，證明主壩防滲體系效果仍然較好。

圖5 0+804斷面測(cè)壓管2014年實(shí)測(cè)值過程線

圖6 0+804斷面庫(kù)水位和測(cè)壓管水位進(jìn)行相關(guān)性分析圖

量水堰過程線如圖7所示，由于2014年庫(kù)水位維持在較低水位、一個(gè)較小幅度內(nèi)波動(dòng)，滲漏量測(cè)值與庫(kù)水位變化趨勢(shì)大體相同，總體看，滲漏量較小，最大為年初時(shí)的35.90L/s，但滲漏量相對(duì)波動(dòng)較大；庫(kù)水位和滲漏量存在一定的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.56。

圖7 攔河壩滲漏量過程線圖

綜上，測(cè)壓管測(cè)值主要受庫(kù)水位變化影響，但由于粘土內(nèi)的水壓消散較慢，測(cè)值變化滯后于庫(kù)水位變化；由于庫(kù)水位較低，測(cè)壓管測(cè)值較小，且相對(duì)波動(dòng)較大；測(cè)壓管測(cè)值和庫(kù)水位的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性不顯著，表明粘土斜墻和水平鋪蓋組成的防滲體系效果較好。主壩滲流量與庫(kù)水位有關(guān)，滲漏量較小。

2.3 壩坡抗滑穩(wěn)定復(fù)核

結(jié)合實(shí)測(cè)資料，采用有限元法計(jì)算分析當(dāng)前工況、各種可能工況及可能遭遇極端工況（極端干旱、旱澇急轉(zhuǎn)）下上、下游壩坡穩(wěn)定性。同時(shí)，為更好地反映當(dāng)前大壩實(shí)際性態(tài)、預(yù)測(cè)水位持續(xù)下降后性態(tài)，根據(jù)實(shí)際庫(kù)水位動(dòng)態(tài)變化過程和滲流分析結(jié)果，確定壩體的孔隙水壓力分布，耦合滲流分析結(jié)果，采用有效應(yīng)力法計(jì)算復(fù)核各種工況下上、下游壩坡的穩(wěn)定性。

根據(jù)地勘資料，確定各區(qū)域穩(wěn)定計(jì)算物理指標(biāo)、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，見表2。壩坡穩(wěn)定分析計(jì)算工況在滲流分析的工況上增加極端干旱工況，即計(jì)算工況包括2014年動(dòng)態(tài)變化過程、當(dāng)前水位、死水位、動(dòng)用死庫(kù)容、動(dòng)用死庫(kù)容后庫(kù)水位急劇上漲、極端干旱等6種。下游水位近似取下游排水溝底或地面高程，在穩(wěn)定滲流期以及庫(kù)水位快速降落期，孔隙水壓力根據(jù)滲流分析確定。選取的計(jì)算工況具體如表3所列。采用圖8所示的有限元模型，結(jié)果如表3所列?？煽闯觯鞴r下的上、下游壩坡整體安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值。

圖8 有限元網(wǎng)格模型圖

表2 穩(wěn)定分析選用物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)表

表3 壩坡穩(wěn)定計(jì)算成果表

3 結(jié)論和應(yīng)急對(duì)策

文章提出了應(yīng)對(duì)持續(xù)干旱、低水位的水庫(kù)運(yùn)用綜合決策方法，并以2014年昭平臺(tái)水庫(kù)應(yīng)急對(duì)策決策為例，分別估算了昭平臺(tái)死水位以下的庫(kù)容曲線，綜合監(jiān)測(cè)資料分析和復(fù)核計(jì)算，分析了當(dāng)前工況、動(dòng)用死庫(kù)容工況和可能極端工況（極端干旱、旱澇急轉(zhuǎn)等）下壩坡穩(wěn)定性，具體說(shuō)明了方法的可行性和科學(xué)性。主要得到以下結(jié)論和對(duì)策：一是旱限水位為一個(gè)單一值，對(duì)持續(xù)干旱、低水位工況，旱限水位標(biāo)準(zhǔn)偏高，而需要靈活采用應(yīng)急決策方法。二是考慮到中長(zhǎng)期流域內(nèi)持續(xù)干旱、無(wú)明顯降雨的極端工況，保持當(dāng)前供水量，將導(dǎo)致庫(kù)水位顯著下降；而采取暫停工業(yè)供水的方案，可在一定程度上保障居民生活用水。三是水庫(kù)當(dāng)前安全狀態(tài)尚好，持續(xù)干旱下水庫(kù)大壩上、下游坡安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值。但當(dāng)庫(kù)水位為死水位和動(dòng)用死庫(kù)容時(shí)，是壩體運(yùn)行的較不利工況。同時(shí)，庫(kù)水位持續(xù)下降導(dǎo)致粘土鋪蓋和大壩上游無(wú)護(hù)砌壩坡裸露，持續(xù)干旱易導(dǎo)致壩面產(chǎn)生大范圍的裂縫，使鋪蓋失效，影響壩基滲流安全，危及大壩安全。因此，為了保證工程安全，短期內(nèi)庫(kù)水位不宜低于死水位159.00m；中期內(nèi)仍無(wú)明顯降雨，庫(kù)水位不宜低于158.50m，以確保主壩水平鋪蓋不發(fā)生大面積裸露；形成分布裂縫破壞壩基防滲體系，誘發(fā)滲透破壞失事。四是近年來(lái)，我國(guó)干旱災(zāi)害加重，研究可為持續(xù)干旱、低水位工況下水庫(kù)運(yùn)用綜合決策提供參考。

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