周建平，杜效鵠，周興波

(1.中國電力建設(shè)股份有限公司，北京 100048；2.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120；3.國家能源水電工程技術(shù)研發(fā)中心，北京 100120)

1 問題提出

水庫大壩是國家重要的基礎(chǔ)設(shè)施，高壩大庫在統(tǒng)籌發(fā)展和安全戰(zhàn)略中具有無可替代的作用。積極有序地建設(shè)高壩水庫符合中國基本國情，已成為水利、電力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中不可或缺的重要組成部分[1]。然而，水庫大壩，特別是高壩水庫一旦失事潰決，庫水失控下泄將導(dǎo)致下游梯級壩群的連鎖反應(yīng)，次生災(zāi)害往往超出想象，不可承受[2]。

在國家總體安全觀、應(yīng)急管理體系和能力現(xiàn)代化的要求下，梯級水庫群尤其是高壩水庫在發(fā)揮巨大綜合效益的同時(shí)，其應(yīng)急放空能力亦已成為社會各界關(guān)心的熱點(diǎn)問題。一方面，水庫放空設(shè)施應(yīng)用不乏成功經(jīng)驗(yàn)。2018年11月，為應(yīng)對金沙江上游白格堰塞湖33 900 m3/s的潰決洪峰和5.3億m3的水量，下游梨園水電站緊急降低庫水位，騰出3億m3庫容成功攔蓄潰堰洪水，洪峰流量由入庫的7190 m3/s削減至出庫的4500 m3/s，大大減輕了下游各梯級水庫的防洪壓力[3-5]。奧地利高200 m的科爾布賴恩拱壩，首次蓄水即發(fā)生壩體和壩基開裂，導(dǎo)致嚴(yán)重滲漏；此后10余年，對壩體壩基進(jìn)行多方案補(bǔ)強(qiáng)加固，其中4次利用放空設(shè)施緊急放空水庫，為大壩搶險(xiǎn)加固創(chuàng)造了必要條件[6]。另一方面，水庫放空設(shè)施也有反面教訓(xùn)。一些高壩未設(shè)置放空設(shè)施，成為加固處理的制約因素。始建于偽滿時(shí)期的豐滿老壩，因諸多先天缺陷，修修補(bǔ)補(bǔ)幾十年，仍被評定為“病壩”。在全面治理方案論證階段，其中一個(gè)方案就是降低水位形成干地施工條件，但由于未設(shè)置放空設(shè)施，庫水位降低困難，不得不選擇重建方案。湖南東江水庫，雖然設(shè)置了放空設(shè)施，但由于放空設(shè)施的設(shè)計(jì)施工存在缺陷，加上運(yùn)行維護(hù)不當(dāng)，反倒成了安全隱患而被迫封堵。

為構(gòu)建“系統(tǒng)完備、安全可靠、高效使用、綠色智能”的現(xiàn)代化基礎(chǔ)設(shè)施體系，提升水庫大壩災(zāi)害防御和應(yīng)急能力，根據(jù)流域水庫群系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)防控要求，開展高壩水庫放空能力要求和設(shè)施設(shè)計(jì)研究意義重大。

2 水庫放空有關(guān)概念

2.1 水庫放空的定義、目的及分類本文定義的水庫放空，是指為工程檢修、應(yīng)急搶險(xiǎn)等特定目的，在既定條件下將庫水位人為降低到設(shè)定高程的過程。水庫放空的目的：(1)為消除工程缺陷或安全隱患創(chuàng)造施工條件；(2)為降低壩上水壓力防止發(fā)生事故；(3)為騰出庫容迎峰滯洪，減輕下游防洪壓力。根據(jù)放空的目的和功能要求，水庫放空可分為檢修放空和應(yīng)急放空。檢修放空是在非汛期實(shí)施有計(jì)劃的工程及設(shè)備維護(hù)，是工程運(yùn)行的一種正常工況。應(yīng)急放空又可分為內(nèi)因和外因兩類。內(nèi)因所致的應(yīng)急放空是由于工程自身原因，必須降低庫水位防止事態(tài)惡化。例如大壩滲漏異常增大，需要降低滲壓；或者壩體變形異常需要降低水壓。外因所致的應(yīng)急放空是由于工程外部原因，如地震、上游堰塞湖或水庫失事、可能的戰(zhàn)爭或恐襲等外部事件，需要降低庫水位控制風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)急放空屬于水庫大壩運(yùn)行中的非正常工況。

從放空的目的和功能來看，水庫放空設(shè)施既包括正常運(yùn)用和非常運(yùn)用的泄水建筑物，也包括緊急工況和極端工況泄放庫水、降低庫水位的其他建筑物。本文將所有能夠過水泄流、控制水庫水位的通道，統(tǒng)稱為放空設(shè)施。一般情況下，水庫放空可利用溢洪道、泄洪洞、壩身或岸邊孔洞等永久泄水建筑物，緊急情況也可利用引水發(fā)電系統(tǒng)、交通洞、船閘，或緊急打通的其他泄水通道，諸如架設(shè)虹吸管、大容量水泵等。

泄水建筑物和放空設(shè)施雖然從功能上都是為泄水而設(shè)計(jì)，但是它們體現(xiàn)樞紐工程的兩種不同的能力。前者反映的是洪水情況下的泄流能力，后者體現(xiàn)的是水庫降水位的能力。泄流能力是控制洪水風(fēng)險(xiǎn)累積，而放空能力不僅要求控制洪水風(fēng)險(xiǎn)，而且還要減輕洪水風(fēng)險(xiǎn)所造成的損害。因此，放空能力要求更高。水庫放空能力以放空水頭比、放空庫容比、放空時(shí)間、庫水位降速等參數(shù)進(jìn)行綜合評估。

2.2 水庫放空能力評價(jià)指標(biāo)為研究水庫放空能力，已有文獻(xiàn)[7-8]提出了水庫放空系數(shù)、放空水頭比、放空庫容比等指標(biāo)，進(jìn)一步厘清指標(biāo)的含義如下：

放空水頭比ηH：最低泄水通道底板高程至最高洪水位(一般取校核洪水位)的垂直距離H1與最大水深H的比值，即ηH=H1/H，與文獻(xiàn)[7]定義的放空系數(shù)含義一致，如圖1所示。

圖1 水庫放空指標(biāo)的定義

放空庫容比ηV：最低泄水通道底板高程以上庫容V1與總庫容V的比值，即ηV=V1/V，如圖1所示。

庫水位降速Dr：庫水位單位時(shí)間下降的幅度，一般以d計(jì)。對應(yīng)正常蓄水位和常遇洪水來水情況，國際大壩委員會(ICOLD)推薦庫水位初始降速(Dr0)不小于1 m/d。

美國墾務(wù)局根據(jù)潛在后果嚴(yán)重程度和大壩的風(fēng)險(xiǎn)等級對水庫水位降速和放空時(shí)間做出了規(guī)定，詳見表2。此外，欣克斯(Hinks)總結(jié)工程經(jīng)驗(yàn)[9]，提出庫水位初始(24 h)降速Dr0(mm/d)按下式計(jì)算：

表2 美國墾務(wù)局水庫應(yīng)急放空時(shí)間要求 (單位：d)

Dr0=300+5H+8640Q10/a

(1)

式中：H為壩高，m；Q10為典型年超過10%天數(shù)的入庫流量，m3/s；a為水庫面積，104m2。針對英國大部分地區(qū)(除威爾士、蘇格蘭西部等之外)，欣克斯建議Q10典型值可近似為0.035 m3/(s·km2)，式(1)也可轉(zhuǎn)換為下式：

Dr0=300+5H+300A/a

(2)

式中A為流域面積，km2。

三個(gè)指標(biāo)從不同維度反映樞紐的應(yīng)急放空能力。放空水頭比體現(xiàn)了可以降低水頭的幅度，主要反映解除工程自身風(fēng)險(xiǎn)的能力。放空庫容比是指能夠騰出庫容的比例，主要反映工程消納流域洪水風(fēng)險(xiǎn)的能力。庫水位降速反映應(yīng)急響應(yīng)的速度，高水位情況下，降速較快，隨著水位降低，降速降低，降水位的速率受到來水流量、泄流水頭、可利用泄水設(shè)施等多種因素影響。

我國西南某工程最大壩高315 m，正常蓄水位2895 m，校核洪水位2896.42 m，水庫總庫容38億m3，設(shè)置3條溢洪洞、1條泄洪洞、兩層放空洞[10]。溢洪道堰頂高程2873m。泄洪洞進(jìn)口底板高程2827 m，開啟水位為2896.42 m。第一層放空洞進(jìn)口底板高程2784 m，開啟水位為2856 m。第二層放空洞進(jìn)口底板高程2745 m，開啟水位為2817 m。水庫放空過程中，先開啟表孔3條溢洪洞及1條泄洪洞進(jìn)行泄水，待水位降至2856 m水位時(shí)，開啟第一層放空洞，與泄洪洞同時(shí)進(jìn)行泄水；當(dāng)水位降低到2817 m水位時(shí)，開啟第二層放空洞，與第一層放空洞同時(shí)進(jìn)行泄水；當(dāng)水位降至最低平衡水位2780.31 m/2754.32 m(汛期/枯期)時(shí)，完成水庫放空。水位降至第一層放空洞底板高程2784 m時(shí)，放空庫容29.69億m3，放空率79%。降至第二層放空洞最低平衡水位2754.32 m(枯期)時(shí)，放空庫容33.22億m3，放空率87%。應(yīng)急放空時(shí)，汛期最大月均入庫流量1460 m3/s，出庫流量為5300 m3/s(20年一遇)時(shí)，放空平衡水位為2780.31 m，水位平均降幅2.06～6.93 m/d。檢修放空時(shí)，枯期月平均入庫流量279 m3/s，出庫流量為3690 m3/s(5年一遇)時(shí)，放空平衡水位為2754.32 m，水位平均降幅3.52～9.89 m/d。放空庫水位降速過程曲線、放空水位與出庫流量關(guān)系曲線分別見圖2、圖3。

圖2 放空水位降速過程曲線

圖3 放空庫水位與出庫流量關(guān)系曲線

據(jù)此，該工程放空水頭比ηH=(2896.42-2745)/(2896.42-2592)=49.7%，放空庫容比ηV=(38-4.96)/38=86.9%。20年一遇洪水條件下，應(yīng)急放空庫水位平均降速為6.87 m/d，庫水位初始降速8.28 m/d。

3 國內(nèi)外水庫放空的要求

3.1 國外水庫放空要求目前，美國、英國、法國、德國、澳大利亞等對水庫放空均有較長時(shí)間的深入研究，普遍認(rèn)為水庫設(shè)置放空設(shè)施是必要的，但尚未形成統(tǒng)一的放空標(biāo)準(zhǔn)。盡管如此，考慮水庫大壩檢查、維護(hù)、檢修、拆除以及應(yīng)急管理的需求，一些國家和地區(qū)組織也提出了相關(guān)的技術(shù)規(guī)定，詳見表1[11-19]。

表1 部分國家或地區(qū)水庫大壩放空要求

國際上對水庫放空的要求，一是體現(xiàn)了風(fēng)險(xiǎn)防控的理念，與潛在后果和風(fēng)險(xiǎn)等級掛鉤；二是要盡可能降低庫水位。例如降到汛期自然河道水位或者10%庫容所對應(yīng)的水位。風(fēng)險(xiǎn)防控的理念在我國也逐漸被行業(yè)所采納，但是水位降至原始河床水位的規(guī)定只能適應(yīng)于低壩小庫。對于高壩水庫，既不可能也不現(xiàn)實(shí)，大多數(shù)情況下更無必要。

3.2 國內(nèi)水庫放空要求我國大壩樞紐工程設(shè)置放空設(shè)施一方面為工程安全留有余地，滿足檢修或補(bǔ)強(qiáng)加固的要求，另一方面是防災(zāi)減災(zāi)，滿足公共安全需要。我國對水庫降低水位或放空設(shè)施設(shè)置的有關(guān)規(guī)定詳見表3[20-26]。

表3 我國設(shè)計(jì)規(guī)范對水庫放空設(shè)施或降低庫水位建筑物的設(shè)計(jì)要求

我國對水庫放空設(shè)施的設(shè)計(jì)要求更多體現(xiàn)了“綜合因素”，包括工程重要性、地震危險(xiǎn)性和壩址地質(zhì)條件的復(fù)雜性。此外，壩型不同要求也不同。如混凝土拱壩不需要放空?？傮w來看，設(shè)置放空設(shè)施還是側(cè)重于工程本身安全。同時(shí)，我國放空設(shè)施設(shè)計(jì)也體現(xiàn)了強(qiáng)烈的壩工發(fā)展歷史背景。新中國成立初期，高壩樞紐等重要工程都考慮人防因素，防止戰(zhàn)爭引發(fā)的次生災(zāi)變。例如，針對豐滿水電站，周恩來總理指示增加應(yīng)急泄洪洞，以備在戰(zhàn)爭預(yù)兆前緊急降低水位，或者其他泄洪設(shè)施損壞后也可應(yīng)急放空。后來國際緊張局勢緩解，應(yīng)急泄洪洞改成了三期電站。著名的三峽工程，在論證階段人防也是一個(gè)很重要的考慮因素。

1984年頒布的《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SDJ 218—1984)1.0.6規(guī)定：“為保證水庫運(yùn)行安全和滿足人防要求，建議設(shè)置必要的排砂和泄水底孔，并宜優(yōu)先考慮改建導(dǎo)流建筑物的方案”。此時(shí)明顯考慮了人防因素的放空。此后，要求有所變化。2007年，電力行業(yè)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5395—2007)修訂，對放空設(shè)施的要求具體為：“樞紐中的泄水建筑物應(yīng)能滿足工程需要的運(yùn)用條件和要求。建筑物運(yùn)用應(yīng)靈活可靠，其泄洪能力應(yīng)滿足宣泄設(shè)計(jì)洪水、校核洪水要求，并應(yīng)滿足水庫排沙、排污和排冰的要求。宜研究設(shè)置放空設(shè)施的必要性”。水利行業(yè)還對是否設(shè)置放空設(shè)施增加了一些限定條件。如2001年發(fā)布的《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274—2001)3.2.3規(guī)定：“設(shè)計(jì)烈度為8度、9度的地區(qū)或1級、2級土石壩，應(yīng)論證是否設(shè)泄水孔”。可以看出，這期間的設(shè)計(jì)要求傾向于寬松。

汶川地震后，高壩大庫放空降水位的重要性再次受到重視。2020年修訂后的(SL 274—2020)3.2.4規(guī)定：“對地震設(shè)計(jì)烈度為Ⅶ度及其以上的土石壩，應(yīng)研究盡快降低庫水位的措施?！?.2.5條強(qiáng)制性規(guī)定：“設(shè)計(jì)烈度為Ⅷ度、Ⅸ度的土石壩或1級、2級高壩應(yīng)論證設(shè)置放空設(shè)施?！?021年，能源行業(yè)新修訂后的《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 10872—2021)、《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 10871—2021)均明確提出了設(shè)置放空設(shè)施或降低水庫水位的要求。

從長期運(yùn)行和工程全生命期視角來看，變化的氣候和地質(zhì)環(huán)境以及極端條件導(dǎo)致建筑材料性能劣化和工程結(jié)構(gòu)性能演化，風(fēng)險(xiǎn)增加。對于混凝土壩而言，長期循環(huán)加載卸載和周期性環(huán)境變量，壩體內(nèi)的細(xì)微裂縫可能發(fā)展成宏觀裂縫，壩體缺陷可能轉(zhuǎn)化為隱患。同樣，止水等材料的老化造成滲漏。這些缺陷和隱患的處理都需降水位。當(dāng)?shù)夭牧蠅坞m然適應(yīng)環(huán)境的能力較強(qiáng)，但防滲系統(tǒng)是致命弱點(diǎn)，處理壩體壩基滲漏，防止管涌流土等，也需降低或放空水庫。所以，設(shè)置放空設(shè)施是工程全生命期風(fēng)險(xiǎn)管理和隱患治理的客觀需要。

當(dāng)前，立足新發(fā)展階段，我們需要重新審視后建壩時(shí)代的大壩風(fēng)險(xiǎn)防控和安全管理，防止高壩水庫極端災(zāi)變是關(guān)系國家防災(zāi)減災(zāi)工作的頭等大事。放空能力是樞紐工程應(yīng)急能力的重要指標(biāo)，而放空設(shè)施是流域系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)防控的重要安全設(shè)施。不同目的的水庫放空具有不同的設(shè)計(jì)要求。對檢修放空，工程設(shè)計(jì)應(yīng)初擬檢修放空計(jì)劃，通常安排在枯水期放水，降低庫水位至能夠滿足水下探測、檢查和修補(bǔ)的要求；放空水位太高可能增加水下作業(yè)難度，而水位太低可能導(dǎo)致較大經(jīng)濟(jì)損失，故需要系統(tǒng)分析論證，進(jìn)而確定水庫檢修放空水位。對內(nèi)因所致的應(yīng)急放空，汛期險(xiǎn)情處置難度大，對此應(yīng)研究制定應(yīng)急放空預(yù)案，目標(biāo)是降低庫水位，防止事態(tài)惡化，解除潰壩風(fēng)險(xiǎn)，最大限度降低災(zāi)害損失。對外因所致的應(yīng)急放空，具有調(diào)節(jié)能力的水庫，能夠起到截?cái)囡L(fēng)險(xiǎn)傳導(dǎo)的作用，應(yīng)急預(yù)案需要研究流域梯級水庫群的應(yīng)急聯(lián)合調(diào)度，制定水庫放空方案，提前騰空庫容，為攔蓄即將到來的異常洪水做好準(zhǔn)備，減輕下游地區(qū)的防洪壓力。

4 我國高壩水庫放空能力分析

在文獻(xiàn)[7-8]的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析我國部分高壩水庫在非汛期的放空水頭比、放空庫容比和庫水下降平均速率，成果詳見表4。壩高、庫容與庫水位下降平均速率的散點(diǎn)關(guān)系分別見圖4和圖5。

分析表4和圖4、圖5可見，我國高壩水庫放空指標(biāo)具有以下特點(diǎn)：

圖4 壩高與庫水下降速率關(guān)系

圖5 庫容與庫水下降速率關(guān)系

表4 部分高壩水庫放空能力分析

(1)放空水頭比介于17.5%～71.8%，其均值為42.7%。也就是可放空水頭占正常蓄水位至壩基高程垂直距離的42%。其中，13座堆石壩放空水頭比均值約46.3%，8座混凝土拱壩放空水頭比均值約40.2%，4座混凝土重力壩放空水頭比均值約36.2%。

(2)放空庫容比介于47.2%～99.2%，其均值為81.7%。也就是可放空的庫容占總庫容的82%左右。其中，13座堆石壩放空庫容均值約79.3%，8座混凝土拱壩放空庫容比均值約84.6%，4座混凝土重力壩放空庫容比均值約83.4%。

(3)放空時(shí)間介于7.2～123 d，其均值為42.7 d。其中，13座堆石壩放空時(shí)間均值約42.9 d，8座混凝土拱壩放空時(shí)間均值約42.4 d，4座混凝土重力壩放空時(shí)間均值約42.4 d。

(4)庫水降速介于0.71～9.03 m/d，其均值為3.0 m/d。其中，13座堆石壩庫水下降速率均值約3.0 m/d，8座混凝土拱壩庫水下降速率均值約3.4 m/d，4座混凝土重力壩庫水下降速率均值約2.8 m/d。

不同壩型的放空水頭比、放空庫容比、放空時(shí)間和庫水降速對比見圖6所示。

圖6 不同壩型的放空能力指標(biāo)對比

高壩水庫放空能力主要受水庫總庫容、放空水位、泄水建筑物泄流能力等設(shè)計(jì)指標(biāo)影響，同時(shí)也受河流形態(tài)、河谷形狀和庫盆特點(diǎn)等因素的影響。從工程實(shí)踐看，我國高壩水庫放空能力大部分僅按照檢修要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，放空時(shí)段設(shè)定在枯水期，因庫容、枯水期入庫流量的差異較大，水庫放空時(shí)間差別較大。同時(shí)，受低高程泄水孔閘門工作水頭限制，壩越高放空后剩余水頭越高、剩余庫容越大。

高壩水庫庫容越大，放空水位越低，深孔設(shè)置的技術(shù)難度越大，放空所需要的時(shí)間越長。糯扎渡水電站水庫總庫容237億m3，放空庫容比達(dá)84.4%，但放空時(shí)間達(dá)102 d；龍灘電站水庫總庫容273億m3，放空庫容比85.7%，放空時(shí)間123 d。對于高壩水庫雖放空時(shí)間長，降低水壓的效率卻不明顯，但騰出庫容應(yīng)對上游洪水，對流域系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)防控作用很大。

河谷性狀和庫盆特點(diǎn)決定了庫容和水位關(guān)系，影響水庫放空能力。整體而言，較寬闊的U型河谷，放空庫容相對較小，放空較快；而窄高的Ⅴ型水庫，放空庫容相對較大，放空時(shí)間較長。如“大肚子”的三峽水庫，總庫容450.4億m3，放空時(shí)間僅10 d；而窄河谷的錦屏一級電站水庫79.9億m3，放空時(shí)間需70 d。

因此，工程設(shè)計(jì)和流域梯級水庫群應(yīng)急管理中，應(yīng)通過樞紐工程水庫特征和放空能力的分析評價(jià)，賦予其能力相匹配的防災(zāi)減災(zāi)和應(yīng)急功能，可以提高流域梯級系統(tǒng)應(yīng)對突發(fā)極端事件的能力。

5 放空設(shè)施設(shè)計(jì)與啟用條件

水庫放空設(shè)施設(shè)計(jì)研究需要基于水庫放空目的，考慮水庫放空時(shí)來水條件、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、啟動(dòng)條件、應(yīng)對突發(fā)事件的類型和風(fēng)險(xiǎn)等級等因素，通過多方案的研究比較和分析論證，擇優(yōu)選擇放空設(shè)施設(shè)計(jì)方案。工程運(yùn)行中，放空設(shè)施的啟用，調(diào)度和調(diào)控優(yōu)化需要基于應(yīng)急預(yù)案所設(shè)定的情景，基于現(xiàn)場的實(shí)際情況，實(shí)時(shí)推演預(yù)測，跟蹤分析評估和做出合理的決策，以最大限度減少和避免災(zāi)害損失。

5.1 放空入庫流量檢修放空通常是有計(jì)劃的。可根據(jù)檢修要求和水庫蓄水安排，分析確定放空時(shí)間、放空速率和放空水位。放空入庫流量可采用檢修時(shí)段相應(yīng)的5年一遇或10年一遇洪水流量過程。應(yīng)急放空具有很大的不確定性，受強(qiáng)震、暴雨洪水或壩體異常現(xiàn)象等影響，需要及時(shí)予以響應(yīng)。2014年8月云南魯?shù)榈卣?，牛欄江天花板水電站為?yīng)對地震形成的紅石巖堰塞湖，20 h內(nèi)就將庫水位降低近50 m，剩余庫容僅為正常蓄水位相應(yīng)庫容的1/10。制定應(yīng)急放空預(yù)案可采用汛期來水作為包絡(luò)線，通常采用汛期常遇洪水、或5年一遇洪水流量過程線進(jìn)行分析，必要時(shí)，再按10年一遇洪水復(fù)核。

5.2 放空指標(biāo)確定水庫放空指標(biāo)包括放空水頭比、放空庫容比、放空歷時(shí)和庫水位降速等。綜合能力評估體現(xiàn)在限定時(shí)間能否將庫水位降低至目標(biāo)水位。專項(xiàng)能力評估是考察限定時(shí)間庫水位降低的幅度，或限定時(shí)間可騰出的庫容。應(yīng)對不同突發(fā)事件應(yīng)采用不同的指標(biāo)進(jìn)行評估。對檢修放空，滿足檢修要求按計(jì)劃放空即可；對于應(yīng)急放空，一方面為滿足應(yīng)急要求盡可能快速降低庫水位、騰出庫容，另一方面還要根據(jù)邊坡和建筑物的穩(wěn)定情況控制水位下降速率。應(yīng)急放空指標(biāo)選取是一項(xiàng)基于突發(fā)事態(tài)控制與潛在附加損失的風(fēng)險(xiǎn)決策。

內(nèi)因所致的應(yīng)急放空的目標(biāo)是降低水位，釋放水壓或水推力。對于大壩受損承載力降低的情況，可考慮庫水位與水推力的關(guān)系，逐級降低水推力20%、30%、50%進(jìn)行分析，確定相應(yīng)的放空水位。外因所致應(yīng)急放空的目的是騰出庫容，攔洪錯(cuò)峰。騰庫啟動(dòng)時(shí)間和騰出庫容的大小，應(yīng)按照洪水演進(jìn)和梯級水庫群應(yīng)急聯(lián)合調(diào)度分析確定。既要兜住上游入庫洪水防止漫壩，又要控制下泄流量滿足流域公共安全要求。

5.3 放空啟動(dòng)條件檢修放空啟動(dòng)條件可根據(jù)檢修計(jì)劃安排，綜合考慮庫水位變化、時(shí)間段來選定。應(yīng)急放空往往是險(xiǎn)情應(yīng)對措施，通常按照應(yīng)急預(yù)案設(shè)定條件啟動(dòng)水庫放空。換言之，工程設(shè)計(jì)中研究水庫放空就是為應(yīng)急預(yù)案編制提供技術(shù)支持，應(yīng)急預(yù)案為工程運(yùn)行中遭遇突發(fā)事件進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)處置并確定與險(xiǎn)情相適應(yīng)的放空啟動(dòng)條件提供指導(dǎo)。若出現(xiàn)較大險(xiǎn)情，庫水位高且來流量較大，庫水位持續(xù)上漲，嚴(yán)重影響大壩正常運(yùn)行，或非正常泄水可能造成較大社會環(huán)境等影響，則需啟動(dòng)應(yīng)急放空程序并跟進(jìn)評估。若出現(xiàn)重特大險(xiǎn)情，大壩工作性態(tài)持續(xù)惡化，可能漫壩或潰壩，則需立即啟動(dòng)水庫放空，增大放空水庫力度，同時(shí)為減輕下游損失，還要相應(yīng)啟動(dòng)下游應(yīng)急轉(zhuǎn)移和搶險(xiǎn)救災(zāi)措施。

5.4 分級決策模式水庫應(yīng)急放空啟動(dòng)主要針對非常或極端狀況下保證工程自身安全和公共安全。非?；驑O端狀況往往是針對超設(shè)計(jì)預(yù)期的突發(fā)事件。由于意外事件的突發(fā)性，災(zāi)變演化的復(fù)雜性和處置的緊迫性，決策偏差將導(dǎo)致不堪設(shè)想的嚴(yán)重后果。因此，傳統(tǒng)的“預(yù)測-應(yīng)對”的決策模式難以應(yīng)對復(fù)雜多變的突發(fā)事件，需要向“情景-應(yīng)對”的決策模式轉(zhuǎn)化。也就是對已發(fā)生的或者可能發(fā)生的事件進(jìn)行分析、推演、歸納，總結(jié)其演化規(guī)律，構(gòu)建出不同階段的應(yīng)急場景，根據(jù)應(yīng)急活動(dòng)、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體等要素，開展監(jiān)測分析、跟蹤評估和實(shí)時(shí)調(diào)度。降水位和騰庫容是不同應(yīng)急場景下的目標(biāo)，泄水放空是應(yīng)急活動(dòng)。應(yīng)急調(diào)度需要對孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體的影響程度采取不同的調(diào)度形式。放空設(shè)施設(shè)計(jì)和調(diào)度運(yùn)用要考慮分級調(diào)度下孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體之間的平衡。

(1)非常工況以校核入庫洪水為基準(zhǔn)，滿足降水位或騰庫容為目標(biāo)，確定參與放空的泄水建筑物的規(guī)模、型式及布置，大壩、各類泄水建筑物和泄水設(shè)施要滿足正常使用的承載能力要求，以此來構(gòu)建非常狀況的應(yīng)急場景。應(yīng)急調(diào)度以盡可能減小下游損失為目標(biāo)，確定閘門開啟順序、開啟孔數(shù)及開度等。此外，還需應(yīng)用數(shù)字化、智能化、虛擬現(xiàn)實(shí)等現(xiàn)代信息技術(shù)，建立流域梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)，通過電子沙盤、桌面推演和數(shù)字模擬，在流域尺度下開展放空設(shè)施啟用和優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度。

(2)當(dāng)入庫來水大于校核洪水且判斷有增大趨勢，此時(shí)既要考慮工程安全，又要考慮公共安全，既要防止?jié)?，又要避免下游?zāi)害損失。在險(xiǎn)情處置初期以滿足公共安全進(jìn)行應(yīng)急調(diào)度，為下游人員撤離預(yù)留時(shí)間；隨著事態(tài)發(fā)展，例如庫水位持續(xù)上漲或大壩性態(tài)有惡化跡象，那就需要加大水庫放空力度，保證工程安全，避免出現(xiàn)漫壩或潰壩。按照流域應(yīng)急管理要求，保持與地方政府和相關(guān)部門的緊密聯(lián)系，實(shí)時(shí)跟蹤分析評估工程所處風(fēng)險(xiǎn)等級、應(yīng)急調(diào)度情況及其變化趨勢。合理的應(yīng)急調(diào)度能夠確保水庫大壩安全，并實(shí)現(xiàn)人員零傷亡且最大限度地減輕災(zāi)害損失。

(3)當(dāng)遭遇超強(qiáng)地震、上游出現(xiàn)潰壩或者滑坡堵江形成堰塞湖，若庫水位持續(xù)上升即將漫頂或可能導(dǎo)致潰壩的情況，此種情況為極端狀況。極端狀況的首要目標(biāo)是保壩，必須啟動(dòng)所有放空設(shè)施，包括泄水建筑物以及非常規(guī)的泄水措施，控制庫水位上升或迅速降低庫水位。在此種極端狀況下，非常規(guī)泄洪引起下游的潛在損失會很大，但必須認(rèn)識到潰壩造成的損失會更大。工程安全是公共安全的前提。大壩等擋水建筑物整體按照極限使用狀態(tài)控制，局部允許損壞，泄水設(shè)施允許損壞或損毀。極端情況下的水庫放空設(shè)施除泄水建筑物外，可以是引水發(fā)電系統(tǒng)、船閘或升船機(jī)系統(tǒng)，也可以是應(yīng)急重啟的導(dǎo)流洞、人工爆破形成的應(yīng)急溢洪道等。

6 結(jié)論

防止高壩水庫極端災(zāi)變是我國防災(zāi)減災(zāi)工作的頭等大事，放空設(shè)施是流域系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)防控的重要安全設(shè)施，然而，目前我國對高壩水庫樞紐工程設(shè)置放空設(shè)施缺乏強(qiáng)制性規(guī)定，對放空能力、庫水位降速和放空時(shí)間等指標(biāo)更缺乏具體的強(qiáng)制性參數(shù)要求。本文針對高壩水庫提出水庫放空有關(guān)概念，梳理相關(guān)指標(biāo)，系統(tǒng)分析國內(nèi)外水庫放空設(shè)施工程經(jīng)驗(yàn)和設(shè)置要求，選取我國典型高壩水庫分析其放空能力，并就放空設(shè)施設(shè)置和啟用的相關(guān)問題進(jìn)行了探討。主要結(jié)論如下：

(1)高壩水庫放空設(shè)施可以彌補(bǔ)梯級開發(fā)規(guī)劃、工程勘察設(shè)計(jì)和聯(lián)合調(diào)度運(yùn)用可能存在的短板，放空能力提升有助于提高水庫群應(yīng)對流域系統(tǒng)突發(fā)事件的能力。高壩大庫放空能力主要取決于總庫容、放空水位、壩型等設(shè)計(jì)指標(biāo)，也受河流形態(tài)、河谷形狀和庫盆特點(diǎn)等因素影響。

(2)放空設(shè)施設(shè)計(jì)考慮的因素包括來水選擇、放空指標(biāo)、啟動(dòng)條件以及“情景-應(yīng)對”的決策模式。對于每座大壩，可根據(jù)其在流域中的功能要求、水庫調(diào)節(jié)能力、應(yīng)急放空目的和要求，確定與之相適宜的放空設(shè)施設(shè)計(jì)方案；運(yùn)行過程中，則需要根據(jù)應(yīng)急放空預(yù)案和實(shí)際險(xiǎn)情，實(shí)施分級應(yīng)急調(diào)度。

(3)水庫大壩設(shè)置放空設(shè)施應(yīng)基于工程安全觀、系統(tǒng)觀念和科學(xué)方法論，不是僅僅就放空水位、騰空庫容、放空時(shí)間、降水位速率對放空設(shè)施布置和設(shè)計(jì)畫一條紅線。放空設(shè)施的工程應(yīng)用是對現(xiàn)有工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理的補(bǔ)充完善，本文可進(jìn)一步增強(qiáng)水庫大壩的應(yīng)急能力和防災(zāi)減災(zāi)作用。

致謝：本文研究工作得到了中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院專家團(tuán)隊(duì)的大力支持，謹(jǐn)向湛正剛總工、程瑞琳、孫衛(wèi)等致謝。