王继福

(巨野县水务局，山东 巨野 274900)

1 概 述

近几年，由于社会经济的快速发展，给自然环境造成较大破坏，提高了自然灾害发生的频率[1]，而且灾害的类型也逐渐变多。在众多灾害中，洪水所影响的范围和造成的损失较大，且发生的频率较高[2]。同时，随着社会经济的发展，大量的水电站应运而生。水电站通常起着发电、航运、养鱼、防洪等功能，水库容量较大，一旦发生溃坝，就会引发洪水灾害，给当地居民的生命财产安全造成不可估量的损失[3-4]。所以，研究水电站溃坝风险，并对其破坏范围进行分析，提出相应的对策具有重要的意义。范鸿杰[5]以DAMBRK模型为基础，计算分析了官地电站的溃坝风险和影响范围，并提出了相应对策。

基于此，为了进一步分析水电站溃坝风险并掌握其破坏范围，本文以某水电站为例进行深入研究，利用瞬时全溃公式计算出溃坝处的最大流量，并通过Mikell模型模拟计算溃坝洪水向下游的演进过程，为相关工程提供指导和借鉴。

2 水电站相关概况

2.1 工程概况

某水电站属于引水式电站，其坝区、厂区是深切峡谷的河曲，坝址左岸是低山，右岸山势陡峭，坝址为非对称V形河谷。该水电站组成包括发电厂房、引水隧洞、混凝土宽缝重力坝等，具体建筑物包括开关站、引水道、拦河坝、发电厂房等。地面式厂房为发电厂房的结构类型，厂房尺寸为140m×23.3m×19.2m(长×宽×高)。堤坝等级为1级，大坝全长、坝顶长以及最大坝高分别为826、845和114m，上下游坝坡分别为1：0.2和1：0.3。其中，溢流坝段长315m，设有7.5m×11.0m溢流孔21个、4.25m×4.25m底孔4个，每个溢流孔泄洪量可达900m3/s。大坝洪水设计标准为千年一遇洪水，校核为万年一遇洪水，下泄流量最大值为24 750m3/s。水电站发电厂房位于河曲右岸下端，坝前右岸有两条引水隧洞的进口，洞长为776和760m，洞口直径为8.5m，均在末端安装差动式调压井，并设置两条压力钢管接入发电厂进行发点，钢管内直径为5.2m。在发电场内配备4台水轮发电机组，单机容量达到10×104kW，50和60Hz的周波各两台，设计水头为90。

2.2 水电站地质条件

水电站安全防护设置的结构形式、抗损坏能力、适宜性在很大程度上取决于水电站附近的岩体性质，并且物资运输道路的规划和建设也会受到地层性质的影响，所以水电站的地质条件对其安全性、使用性有着关键的作用。通过勘查发现，水电站附近岩体类型以火山碎屑岩、安山岩和花岗岩为主。各岩石种类中，火山碎屑岩风化程度为中等，岩体大多不完整，岩体质量等级为Ⅲ、V级，有着中等级别的抗损坏性，属于较硬岩类；花岗岩、安山岩大多数风化程度不高，上部覆土厚度基本未超过1m，是比较完整的坚硬岩，有着中等级别的抗损坏性，岩石的质量等级为Ⅲ级，其中少数安山岩质量等级为Ⅱ和IV级。

由上述可知，水电站附近岩体上部土层厚度较小，岩体的抗损坏等级为中等，在岩体风化程度较高区域有一定危险，容易被洪水破坏，从而使水电站的运转受到影响，所以要在水电站周围地势较高处建造安全防护设施。

3 评估水电站溃坝风险

水电站水库库区库容最大值和库区面积分别为46×108m3和103.5km2，是当地重要的天然屏障和水资源，但在利民的同时也存在不小的安全隐患。若是洪水对大坝造成冲击而导致溃坝，下泄水量会给下游造成巨大的破坏，因此对水库溃坝风险进行评估是非常有必要的。

3.1 计算溃坝处流量最大值

以时间进行分类，可以将水库的溃决类型分成逐渐溃与瞬时溃。在研究溃坝风险时，对其可能产生的最坏结果进行预测，以便于制定相应的应对措施。在计算水电站溃坝范围时，研究预测其最不利的后果，以便采取最有效的措施。所以，选择瞬时溃坝来计算水电站溃坝的淹没范围，同时采用水库的最高水位和最大库容。

通过瞬时全溃公式计算溃坝处的最大流量，公式如下：

(1)

式中：Qm为坝址部位的流量峰值，m3/s；B、H分别为大坝宽度和溃坝高度，m；g为重力加速度，m2/s。

选择概化典型流量过程线法计算溃坝流量过程，公式如下：

(0≤t/T≤0.3)

(2)

(0.3≤t/T≤1)

(3)

(4)

式中：Qm为代表坝址部位的流量峰值，m3/s；T为溃坝出流总时间，s；Q为t时刻坝址处流量，m3/s；W为水库库容，m3。

经过计算，得出不同溃坝高度下水库的峰值流量、出流库容和出流总时间，见表1。由表1可知，随着溃坝高度的增大，出流库容和流量峰值也随之增大，出流总时间则呈现降低趋势。表明溃坝高度越大，库水流出量和流出速度越大，造成的破坏也就越大。

表1 不同溃坝高度下水库的峰值流量、出流库容和出流总时间

3.2 计算溃坝洪水向下游的演进过程

选择Mikell模型来模拟计算此次溃坝洪水向下游的演进过程。其模型计算原理是通过Abbott六点隐式格式来对一维河流非恒定流进行求解，即圣维南方程组。

当发生特殊情况导致水库受到破坏时，可能会使大坝出现不同深度的溃口。在本次研究中，设定溃口深度依次为5、10、15、20、50m，模拟计算下游地区在各溃坝情况受到的影响程度，同时计算各断面洪峰在各溃口对应的达到时间和水深，见图1和图2。

图1 各断面洪峰在各溃口对应的水深

图2 各断面洪峰在各溃口对应的达到时间

可以看出，各断面在同一溃口深度下水深基本相同，距离测区出口距离越短，洪峰所到达所需时间也就越长。测区内河流两侧地形坡度较高，只有小部分沿岸地区地形平缓，地势较低，有较多的村镇。经过计算能够得到，在溃口深度为5m时，岸边部分村镇居民区就会被洪水所淹。随着溃口深度的增加，村镇被淹没范围逐渐增大；在溃口深度达到20m时，村镇区域就已被完全淹没；但因为两边地势坡度较大，溃口深度在50m时，洪水也不能穿过两岸的地形高点。

3.3 分析溃坝风险评估结果和安全防护措施

进过以上分析，水电站防护重点为发电厂和大坝，而且当前对于物资运输道路的管理和防护较为薄弱，通道的安全防护管理还很薄弱。经过综合分析，水电站附近为中等级别的抗损坏性岩体，上部土层厚度较小，比较适合地表工事构筑，可以在水电站周围的山脊和地势较高处建造安全防护设施，建造方式选择机械构工。在水电站南侧的土体有较高的承载力，地势平坦，具有良好的建造运输道路的条件，但也易受到洪水的侵蚀，所以对该区域也要提高防护力度。当大坝在溃坝高度只有5m时，就可以造成较为严重的洪水灾害，破坏岸边大多数村镇，给人民生命财产造成巨大的损失，并且产生大面积积水，阻碍道路正常交通。建议如果有特殊情况发生，要提前降低库水位和库容，让库水位低于警戒线；要快速、合理疏散可能会受到洪水威胁的居民，保证其安全；对大坝局部区域进行加固，提高大坝强度；在重要的生活设施和工业厂区附近修建防护工程，保证其正常运转。

4 结 论

为了分析水电站溃坝风险并掌握其破坏范围，本文以某大坝为例进行了深入分析，结论如下：

1)随着溃坝高度的增大，出流库容和流量峰值随之增大，出流总时间则呈现降低趋势，表明溃坝高度越大，库水流出量和流出速度也越大，造成的破坏也就越大；在溃口深度为5m时，岸边部分村镇居民区就会被洪水所淹，随着溃口深度的增加，村镇被淹没范围逐渐增大；在溃口深度达到20m时，村镇区域就已被完全淹没。

2)水电站防护重点为发电厂和大坝，且当前对于物资运输道路的管理和防护较为薄弱。经过综合分析，水电站附近为中等级别的抗损坏性岩体，上部土层厚度较小，比较适合地表工事构筑，可以在水电站周围的山脊和地势较高处建造安全防护设施，建造方式选择机械构工。在水电站南侧的土体有较高的承载力，地势平坦，具有良好的建造运输道路的条件，但也易受到洪水的侵蚀，所以对该区域也要提高防护力度。

3)大坝在溃坝高度只有5m时，就可造成较为严重的洪水灾害，破坏岸边大多数村镇，给人民生命财产造成巨大的损失，并且产生大面积积水，阻碍道路正常交通。建议如果有特殊情况发生，要提前降低库水位和库容，让库水位低于警戒线；要快速、合理疏散可能会受到洪水威胁的居民，保证其安全；对大坝局部区域进行加固，提高大坝强度；在重要的生活设施和工业厂区附近修建防护工程，保证其正常运转。