賈鵬生 張國(guó)輝 吳 沛 賈大周

（1南陽(yáng)市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院；2河南靈捷水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司）

1 水庫(kù)基本情況及潰壩形式分析

1.1 水庫(kù)概況

1.1.1 虎山水庫(kù)

虎山水庫(kù)總庫(kù)容9 616萬m3，防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇洪水設(shè)計(jì)，2 000 a一遇洪水校核。水庫(kù)主要建筑物有主壩、副壩、溢洪道、泄洪洞和輸水洞等。主壩為均質(zhì)土壩，壩頂高程143.60 m。副壩有3處。溢洪道位于大壩右側(cè)，最大下泄流量1 462 m3/s。泄洪洞為深孔式無壓拱涵隧洞，最大泄量409 m3/s。水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水位141.80 m（吳淞高程，下同），洪水洪峰流量為2 599 m3/s；校核洪水位143.15 m，洪水洪峰流量為4 531 m3/s。

1.1.2 刑川水庫(kù)與烈士陵水庫(kù)

烈士陵、刑川兩座中型水庫(kù)，距離虎山水庫(kù)25.70 km，兩水庫(kù)為并聯(lián)關(guān)系。邢川水庫(kù)流域面積23 km2，總庫(kù)容1 240萬m3；烈士陵水庫(kù)流域面積17 km2，總庫(kù)容1 338萬m3。兩座水庫(kù)洪水標(biāo)準(zhǔn)均為50 a 一遇設(shè)計(jì)，1 000 a 一遇校核。兩座水庫(kù)樞紐也都主要由大壩、溢洪道和輸水涵管等建筑物組成，且均已完成了除險(xiǎn)加固，運(yùn)行正常。

1.2 潰壩原因與潰壩形式

根據(jù)潰壩決口的大小潰壩形式可以分為全潰和局部潰，按潰壩過程時(shí)間的長(zhǎng)短可以分為瞬時(shí)潰和逐漸潰。壩的潰決形式與壩型、基礎(chǔ)以及潰壩原因等因素有關(guān)。土石壩為安全考慮可按瞬時(shí)潰壩考慮。峽谷地區(qū)的主壩可能會(huì)全部潰決，丘陵區(qū)及平原區(qū)壩較長(zhǎng)，一般只潰主要部分，即橫向局部潰壩。刑川水庫(kù)為粘土心墻壩、烈士陵水庫(kù)為均質(zhì)土壩，且大壩均較長(zhǎng)，按照“最不利、最可能”原則，結(jié)合兩水庫(kù)特點(diǎn)，其潰壩形式均按瞬時(shí)橫向局部一潰到底分析。

2 潰壩計(jì)算與潰壩洪水演進(jìn)

2.1 刑川、烈士陵水庫(kù)潰壩洪水計(jì)算

2.1.1 潰壩最大流量

上游刑川、烈士陵兩座中型水庫(kù)壩址潰壩最大流量采用肖克列奇經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，其中土壩的潰決口長(zhǎng)度b值根據(jù)黃河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究所經(jīng)驗(yàn)公式。

其中：QM為壩址最大潰壩流量，m3/s；b 為潰壩決口平均寬度，m；W為潰壩時(shí)的蓄水量，104m3；B為主壩長(zhǎng)度，m；K為潰壩流量經(jīng)驗(yàn)計(jì)算系數(shù)，粘土類壩體取0.65，壤土類壩體取1.30；H0為潰壩時(shí)水頭或最大水深，m；g為重力加速度，取9.80。

2.1.2 潰壩洪水演進(jìn)

上游兩座水庫(kù)潰決后洪水演進(jìn)到虎山水庫(kù)時(shí)的最大流量采用計(jì)算簡(jiǎn)便且在國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的李斯特萬公式估算。

式中：QL為演進(jìn)至控制斷面最大流量，m3/s；L為控制斷面到水庫(kù)壩址的距離，m；K 為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)（山區(qū)取1.10～1.50，半山區(qū)取1.0，平原取0.80～0.90）；VM為特大洪水最大流速（無資料時(shí)：山區(qū)取3.00～5.00 m/s，半山區(qū)取2.00～3.00 m/s，平原取1.00～2.00 m/s）。根據(jù)黃河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究所實(shí)測(cè)資料分析，山區(qū)河道VMK可取7.16，半山區(qū)取4.76，平原河道取3.13。

2.1.3 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算得到刑川、烈士陵水庫(kù)壩址斷面瞬時(shí)橫向局部一潰到底的洪峰流量分別為11 160 m3/s和18 618 m3/s，傳播至虎山水庫(kù)最大流量分別為1 875 m3/s，2 122 m3/s，詳見表1。

表1 壩址潰壩最大流量及演進(jìn)后最大流量計(jì)算成果表

潰壩洪水比一般洪水的傳播要快得多，其波速在壩址附近最大，距壩址越遠(yuǎn)，波速削減愈快。按流速3 m/s 計(jì)算，潰壩洪水傳播至虎山水庫(kù)時(shí)間為2.40 h。一般來說，潰壩洪水起漲陡，峰值到達(dá)快，峰后流量下降比峰前快，將洪水過程概化為三角形，得到潰壩洪水過程的底寬為3.50 h。

2.2 刑川、烈士陵潰壩后虎山水庫(kù)入庫(kù)洪水計(jì)算

上游水庫(kù)在發(fā)生潰壩之前的洪水為水庫(kù)的正常下泄，通過調(diào)洪演算得到其下泄過程；潰壩發(fā)生后期水庫(kù)泄空以后的洪水為天然洪水過程；上述兩個(gè)過程與前文計(jì)算的潰壩洪水過程組成了上游水庫(kù)發(fā)生潰壩的完整洪水過程，該洪水過程與區(qū)間洪水過程進(jìn)行疊加后即可得到虎山水庫(kù)入庫(kù)洪水過程。

上游水庫(kù)與區(qū)間洪水組合方式為：上游水庫(kù)與虎山水庫(kù)發(fā)生同頻率洪水，區(qū)間發(fā)生相應(yīng)洪水。區(qū)間洪水過程采用推理公式法計(jì)算，并按相應(yīng)洪水的洪量進(jìn)行修正。

按最不利情況，刑川、烈士陵水庫(kù)同時(shí)潰壩情況下，虎山水庫(kù)1 000 a一遇洪峰流量為5 929 m3/s，2 000 a一遇洪峰流量為6 687 m3/s，較不考慮兩水庫(kù)影響的洪峰流量大61%～63%。

3 考慮上游水庫(kù)潰壩的虎山水庫(kù)調(diào)洪演算

調(diào)洪演算計(jì)算原則：水庫(kù)調(diào)洪演算自139.50 m起調(diào)，該水位下泄洪洞閘門開啟可下泄358 m3/s，由泄洪閘控制按來水量下泄，保持興利水位；當(dāng)入庫(kù)流量≥358 m3/s時(shí)，泄洪閘全部開啟泄洪，同時(shí)溢洪道開始參與泄洪，泄流量自溢洪道底部139.50 m計(jì)，水庫(kù)下泄流量為泄洪洞和溢洪道二者下泄流量之和。

從調(diào)洪演算結(jié)果來看，考慮上游兩個(gè)水庫(kù)影響但均未發(fā)生潰壩的情況，其洪峰和洪量均小于天然情況，調(diào)洪演算水位也低于按天然洪水調(diào)洪演算結(jié)果。

在考慮潰壩后，由于洪峰和洪量均有較大增長(zhǎng)，調(diào)洪演算水位有較大增加，最不利情況2 000 a 一遇洪水兩個(gè)水庫(kù)均潰壩的情形，校核水位相比天然洪水情況增加了0.89 m，已超過現(xiàn)狀壩頂高程0.34 m(143.60 m)；2 000 a 一遇洪水發(fā)生一個(gè)水庫(kù)潰壩(烈士陵)的情況，此時(shí)校核水位增加0.44 m，庫(kù)水位143.49 m，未超過現(xiàn)狀壩頂高程，考慮波浪爬高（1.31 m）和安全加高后（0.40 m），需要的壩頂高程145.20 m，高于現(xiàn)狀防浪墻頂高程0.20 m。

4 上游水庫(kù)潰壩可能性分析及應(yīng)對(duì)措施

4.1 邢川、烈士陵水庫(kù)遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水潰壩可能性分析

刑川水庫(kù)2 000 a 一遇水位比1 000 a 一遇校核水位高0.21 m，考慮壩頂超高后，刑川水庫(kù)壩頂高程能夠滿足2 000 a一遇洪水要求，且根據(jù)刑川水庫(kù)洪水調(diào)度原則，當(dāng)發(fā)生接近1 000 a 一遇校核洪水時(shí)，在入庫(kù)流量＞188 m3/s 時(shí)，水庫(kù)提前全開閘門泄洪，可進(jìn)一步降低最高庫(kù)水位。

烈士陵水庫(kù)2 000 a 一遇水位比1 000 a 一遇校核水位高0.23 m，考慮壩頂超高后，烈士陵水庫(kù)壩頂高程僅差0.08 m 即滿足2 000 a 一遇洪水要求，由于現(xiàn)狀溢洪道是在原溢洪道基礎(chǔ)增設(shè)4 m高的連接土壩段縮窄而來，可以通過扒開一部分連接壩段，擴(kuò)寬溢洪道加大泄量等緊急措施來避免潰決。

4.2 應(yīng)對(duì)上游水庫(kù)潰壩的措施

4.2.1 加強(qiáng)監(jiān)測(cè)及聯(lián)合調(diào)度

建議虎山水庫(kù)與上游刑川、烈士陵水庫(kù)所在的防汛指揮部門對(duì)接并建立聯(lián)動(dòng)機(jī)制，尤其在汛期要加強(qiáng)對(duì)上游兩座中型水庫(kù)來水、水位、下泄量、險(xiǎn)情等狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及早掌握上游水情、工情，為虎山水庫(kù)防汛調(diào)度提供有力支撐。當(dāng)上游水庫(kù)預(yù)報(bào)可能發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)，及時(shí)將信息傳遞至虎山水庫(kù)管理單位，虎山水庫(kù)提前開啟閘門泄洪，及早騰出庫(kù)容來應(yīng)對(duì)。

4.2.2 加強(qiáng)虎山水庫(kù)防汛準(zhǔn)備

建議加強(qiáng)水庫(kù)自身運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)，定期排查并消除工程隱患，石料和編織袋等防汛物資設(shè)施按儲(chǔ)備定額備足備齊，為迎戰(zhàn)大洪水做好充分的準(zhǔn)備。汛期24 h 專人值守，定期進(jìn)行防汛演練。

4.2.3 3#副壩的應(yīng)急措施

3#副壩為2004 年除險(xiǎn)加固原主溢洪道基礎(chǔ)上封堵而建，在遇緊急情況下，可炸開3#副壩加大泄量降低庫(kù)水位，以保主壩安全。

5 結(jié)論與建議

①由于在虎山水庫(kù)歷次設(shè)計(jì)中均未考慮潰壩洪水，且潰壩影響因素復(fù)雜，相關(guān)問題還處于研究階段，故在虎山水庫(kù)近期的除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)水庫(kù)規(guī)模仍建議以不考慮上游水庫(kù)影響的洪水為依據(jù)確定，考慮上游潰壩洪水的計(jì)算結(jié)果可作為“考慮上游水庫(kù)失事對(duì)設(shè)計(jì)水庫(kù)的影響”分析的參考。除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)中壩頂高程144.00 m，防浪墻頂高程145.20 m，在壩頂高程上適當(dāng)留有余地是較為適宜的。②我國(guó)水庫(kù)眾多，分布情況也較為復(fù)雜，洪水標(biāo)準(zhǔn)和工程狀況差異較大，潰壩雖然是一種極端情況，有關(guān)計(jì)算也尚在研究之中，但在工程設(shè)計(jì)及運(yùn)行管理中對(duì)上游水庫(kù)尤其是水庫(kù)群的潰壩影響應(yīng)引起足夠重視，按照“最不利、最可能”原則合理確定計(jì)算工況，進(jìn)行潰壩洪水分析，并據(jù)此提出合理可行的工程及非工程應(yīng)對(duì)措施。③建議加強(qiáng)虎山水庫(kù)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)建設(shè)，以及時(shí)掌握流域雨情、工情，尤其是上游兩座中型水庫(kù)的運(yùn)行狀態(tài)。鑒于上游兩個(gè)中型水庫(kù)位于湖北省，建議由河南、湖北兩省防汛主管部門建立虎山水庫(kù)與上游兩座中型水庫(kù)的防汛聯(lián)動(dòng)機(jī)制。同時(shí)，要建立洪水預(yù)警機(jī)制，制定超標(biāo)準(zhǔn)洪水應(yīng)急預(yù)案，備足防汛物資，做好防汛演練。