湖北省碾盤(pán)山水利水電樞紐超標(biāo)準(zhǔn)洪水潰堰風(fēng)險(xiǎn)分析

盧少為 柳小珊 林 杰 王彩虹 劉照群

（湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，武漢 430070）

1 項(xiàng)目背景

湖北省碾盤(pán)山水利水電樞紐工程（以下簡(jiǎn)稱碾盤(pán)山樞紐）位于丹江口水利樞紐下游261 km的漢江干流上，以發(fā)電、航運(yùn)為主，兼顧灌溉、供水，為南水北調(diào)中線引江濟(jì)漢工程良性運(yùn)行創(chuàng)造條件。該樞紐為Ⅱ等大（2）型工程，正常蓄水位50.72 m，工程采取圍堰一次攔斷河床，左岸灘地開(kāi)挖導(dǎo)流明渠的導(dǎo)流方式，導(dǎo)流設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)頻率為10%，設(shè)計(jì)流量13 500 m3/s。設(shè)計(jì)導(dǎo)流明渠底寬250 m，開(kāi)挖邊坡1∶3，在42.00～41.00 m 高程設(shè)10 m 寬?cǎi)R道，明渠全長(zhǎng)2.34 km。導(dǎo)流明渠按設(shè)計(jì)防護(hù)要求分段采取了鉸鏈排+鋼筋石籠防護(hù)、鋼筋石籠等防護(hù)措施。圍堰采用土石圍堰，堰頂寬10 m。上游圍堰堰頂長(zhǎng)808 m，堰頂高程51.13 m，下游圍堰全長(zhǎng)1 110 m，堰頂高程49.51 m。

目前，碾盤(pán)山樞紐庫(kù)區(qū)堤防、荊門一期堤防加固尚未完工，施工圍堰會(huì)增大碾盤(pán)山樞紐庫(kù)區(qū)堤防的防洪壓力。碾盤(pán)山樞紐下游兩岸分布有皇莊分蓄洪民垸、陳集分蓄洪民垸、大柴湖分蓄洪民垸、石牌分蓄洪民垸、鄧家湖分蓄洪民垸、小江湖分蓄洪民垸。當(dāng)漢江洪水超過(guò)碾盤(pán)山樞紐圍堰設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)，破堰行洪會(huì)增大碾盤(pán)山樞紐下游堤防的防洪壓力，可能增大下游民垸分洪運(yùn)用的風(fēng)險(xiǎn)。

為預(yù)測(cè)潰堰對(duì)下游的防洪影響，本文開(kāi)展了不同潰堰模式下的潰堰洪水計(jì)算工作。將潰壩模型與一維非恒定流模型進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，建立了潰壩洪水演進(jìn)模型，能同時(shí)進(jìn)行上游調(diào)洪演算、潰口發(fā)展過(guò)程模擬和壩下游洪水演算。計(jì)算結(jié)果為碾盤(pán)山樞紐圍堰超標(biāo)準(zhǔn)洪水防御、漢江防洪應(yīng)急工作提供技術(shù)支撐。

2 超標(biāo)準(zhǔn)洪水發(fā)生概率

漢江中下游防洪工程布局：漢江中下游防洪工程體系由丹江口水利樞紐、堤防、杜家臺(tái)分洪工程、東荊河自然分流及中下游分蓄洪民垸組成。碾盤(pán)山樞紐庫(kù)岸為自然高地及漢江沿岸堤防組成，沿岸堤防主要涉及漢江堤防的荊門段中直堤、潞市堤、聯(lián)合堤、朱堡堤、南泉堤及關(guān)山堤。湖北省荊門漢江堤防加固工程的防洪標(biāo)準(zhǔn)為1964年實(shí)際洪水（相當(dāng)于20年一遇）。目前碾盤(pán)山樞紐上游庫(kù)區(qū)堤防、荊門一期堤防加固尚未驗(yàn)收、下游荊門二期堤防尚未完工。碾盤(pán)山樞紐上下游防洪形勢(shì)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 碾盤(pán)山樞紐上下游防洪形勢(shì)示意圖

漢江中下游河道的現(xiàn)狀泄流能力是根據(jù)丹江口水庫(kù)按初期規(guī)模建成并運(yùn)行30多年來(lái)的實(shí)測(cè)資料分析得到的。丹江口大壩加高后，碾盤(pán)山樞紐河段泄流能力為27 000～30 000 m3/s，新城河段18 400～19 400 m3/s。

當(dāng)遭遇上游來(lái)水洪峰流量大于10 年一遇標(biāo)準(zhǔn)（13 500 m3/s）時(shí)，認(rèn)為是碾盤(pán)山樞紐圍堰遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水，可根據(jù)來(lái)水情況、水位上漲情況及工情險(xiǎn)情適時(shí)破堰行洪，會(huì)增大碾盤(pán)山樞紐下游堤防的防洪壓力和碾盤(pán)山樞紐下游民垸分洪運(yùn)用的風(fēng)險(xiǎn)，需啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)[1]。

3 潰堰洪水演進(jìn)模型構(gòu)建

碾盤(pán)山樞紐圍堰潰堰下泄洪水影響河段較長(zhǎng)，潰堰應(yīng)急搶險(xiǎn)時(shí)間緊、任務(wù)重，潰堰洪水演進(jìn)采用MIKE11 軟件，將一維非恒定水動(dòng)力學(xué)模型與潰壩模型耦合進(jìn)行模擬計(jì)算[2]。

（1）基本方程。一維潰壩洪水基本方程組可用圣維南方程組描述：

式中：Q為流量，m3/s；x為沿程距離，m；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；t為時(shí)間，s；ql為側(cè)向單位長(zhǎng)度注入流量，m2/s；β為動(dòng)能修正系數(shù)；g為重力加速度，m/s2；Z為水位，m；n為糙率系數(shù)；R為斷面水力半徑，m。

方程的離散采用6點(diǎn)中心隱格式，算法為三對(duì)角矩陣法（Abbott-Ionescu 法），除進(jìn)行非恒定流計(jì)算外，模型中還可對(duì)壩、堰、涵洞等水工建筑物進(jìn)行計(jì)算。

（2）計(jì)算范圍。根據(jù)漢江洪水調(diào)度方案，計(jì)算范圍從轉(zhuǎn)斗彎、經(jīng)皇莊站至興隆站，全長(zhǎng)約148.1 km，其中轉(zhuǎn)斗彎至碾盤(pán)山樞紐壩軸線38.5 km、壩軸線至皇莊站約8.0 km、皇莊站至興隆站101.6 km。斷面采用2012 年實(shí)測(cè)斷面。導(dǎo)流明渠（明渠軸線全長(zhǎng)2 338.1 m）采用2020 年實(shí)測(cè)地形進(jìn)行加密。

（3）模型率定驗(yàn)證。率定洪水選取2011 年9 月6 日至10月10日實(shí)際洪水過(guò)程，驗(yàn)證洪水選取2010年7月8日至8 月14 日、2019 年9 月15-24 日實(shí)際洪水過(guò)程，并結(jié)合天然河道糙率取值綜合分析，糙率取值如下：

漢江干流皇莊-興隆河段主槽糙率0.018～0.022，邊灘糙率0.023～0.030。轉(zhuǎn)斗彎-碾盤(pán)山樞紐河段綜合糙率0.024，碾盤(pán)山樞紐-皇莊河段綜合糙率0.020。

（4）邊界條件及初設(shè)條件。模型進(jìn)口邊界條件為碾盤(pán)山樞紐入庫(kù)洪水過(guò)程（受丹江口水庫(kù)調(diào)度影響的1975 年8 月型設(shè)計(jì)洪水過(guò)程），下邊界為沙洋站水位-流量關(guān)系。模型初設(shè)水位根據(jù)控制站初始水位插值設(shè)定。

（5）潰堰方案擬定。由于實(shí)際失事機(jī)制的不確定性以及計(jì)算參數(shù)不易確定等困難，通過(guò)模擬潰口細(xì)部沖刷、坍塌和擴(kuò)展過(guò)程的精確模型還達(dá)不到實(shí)用要求。目前采用的簡(jiǎn)化和廣泛適用的方法為根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和其他失事大壩的數(shù)據(jù)給定潰口開(kāi)始到最后終止的時(shí)間和潰口的最終尺寸與形狀。以往計(jì)算中，通常假定潰口起始底寬，在潰口發(fā)展過(guò)程中即潰決時(shí)間τ內(nèi)，潰口底寬以線性速度擴(kuò)大，直至達(dá)到最終底寬b或潰口發(fā)展至壩底。模擬大壩潰決時(shí)，假設(shè)水庫(kù)水位超過(guò)指定值hc時(shí)便開(kāi)始潰口計(jì)算。當(dāng)hc高于壩頂高程，為模擬漫頂潰決的情況（稱漫頂潰決）；當(dāng)hc低于壩頂高程，為模擬施工質(zhì)量及地質(zhì)條件等原因造成潰決的情況（稱非漫頂潰決）[3]。

本計(jì)算中先假定梯形小潰口，其邊坡系數(shù)m=2，起始潰口底部高程為51.13 m。在潰口發(fā)展過(guò)程中以線性速度拓展至最終潰口形狀，至達(dá)到最終底部高程40.00 m，即全潰；如潰壩不徹底，假定潰至防滲墻高程45.00 m，即半潰。由于50年一遇洪水峰量較大，潰口僅按照全潰考慮，即潰后底寬800 m、底部潰至地面高程40.00 m。3種頻率洪水與8種潰壩方案組合得到20種計(jì)算方案，見(jiàn)表1。

表1 潰壩計(jì)算方案表

4 潰堰計(jì)算結(jié)果

潰壩水流受潰口尺寸變化、潰決歷時(shí)、起潰水位等多因素的影響。堰址洪水過(guò)程是天然洪水過(guò)程和潰堰引起的洪水過(guò)程疊加的結(jié)果。20種計(jì)算方案結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 潰堰計(jì)算結(jié)果

（1）洪水頻率P為10%不同潰壩方案的潰口流量過(guò)程見(jiàn)圖2，5%不同潰壩方案的潰口流量過(guò)程見(jiàn)圖3。20種潰壩方案計(jì)算結(jié)果表明，相同頻率洪水條件下，潰口寬度800 m的方案潰壩后堰址洪峰流量整體大于潰口寬度300 m的方案。

圖2 不同潰堰方案潰口流量過(guò)程線（1975年型10%洪水）

圖3 不同潰堰方案潰口流量過(guò)程線（1975年型5%洪水）

（2）潰堰洪水波從堰址傳至沙洋站（約83 km）坦化較快，10%洪水潰堰后，堰址-皇莊河段洪峰坦化8.84%～16.30%，堰址-沙洋河段洪峰坦化31.76%～37.90%，洪峰沿程變化符合潰壩水力學(xué)規(guī)律。1975年型10%洪水潰堰沿程洪峰過(guò)程見(jiàn)圖4（以潰堰方案5為例）。

圖4 潰堰后沿程流量過(guò)程（1975年型10%洪水，方案13）

（3）1975 年型10%洪水，碾盤(pán)山樞紐入庫(kù)設(shè)計(jì)洪峰流量13 500 m3/s，無(wú)圍堰時(shí)演算至沙洋洪峰流量坦化為12 345 m3/s。10%洪水潰堰后沙洋站洪峰13 357～13 427 m3/s，與未建圍堰時(shí)沙洋洪峰12 345 m3/s 相比，潰堰使沙洋站流量增加1 012～1 082 m3/s，均未超過(guò)沙洋站安全泄量18 400 m3/s。

（4）1975 年型5%洪水，碾盤(pán)山樞紐入庫(kù)設(shè)計(jì)洪峰流量17 000 m3/s，無(wú)圍堰時(shí)演算至沙洋洪峰流量坦化為15 620 m3/s。5%洪水潰堰后沙洋洪峰16 236～16 367 m3/s，與未建圍堰時(shí)沙洋站洪峰流量15 620 m3/s相比，潰堰使沙洋站流量增加616～747 m3/s，均未超過(guò)沙洋站安全泄量18 400 m3/s。20年一遇潰堰方案5沿程洪峰過(guò)程見(jiàn)圖5（以潰堰方案5為例）。

圖5 潰堰后沿程流量過(guò)程（1975年型5%洪水，方案20）

（5）1975 年型2%洪水，碾盤(pán)山樞紐入庫(kù)設(shè)計(jì)洪峰流量20 200 m3/s，無(wú)圍堰時(shí)演算至沙洋站洪峰流量坦化為18 418 m3/s。2%洪水潰堰后沙洋站洪峰18 693～18 748 m3/s，與未建圍堰時(shí)沙洋站洪峰18 418 m3/s相比，潰堰使沙洋站流量額外增加275～421 m3/s，超過(guò)沙洋站安全泄量18 400 m3/s。50年一遇沙洋站水位流量過(guò)程線見(jiàn)圖6（潰堰方案8），若上游發(fā)生2%洪水，圍堰應(yīng)全潰，以避免額外增加沙洋河段防洪壓力。

圖6 沙洋站水位流量過(guò)程線（1975年型2%洪水，方案8）

5 防洪風(fēng)險(xiǎn)分析及應(yīng)對(duì)

5.1 防洪風(fēng)險(xiǎn)分析

丹江口大壩加高后碾盤(pán)山樞紐下游漢江河段的過(guò)流能力為：碾盤(pán)山樞紐河段27 000～30 000 m3/s，新城河段18 400～19 400 m3/s。上游發(fā)生10%洪水（洪峰13 500 m3/s）、5%洪水（洪峰17 000 m3/s））潰堰后，潰壩洪水波在傳播過(guò)程中坦化，不會(huì)超過(guò)沙洋河段安全泄量。上游發(fā)生2%洪水（洪峰20 200 m3/s）潰堰后，沙洋斷面將超過(guò)安全泄量18 400 m3/s，對(duì)碾盤(pán)山樞紐下游漢江防洪產(chǎn)生壓力。

5.2 應(yīng)急響應(yīng)

（1）2020年汛期洪峰流量大于13 500 m3/s或壩上1.5 km處（水位站點(diǎn)）水位達(dá)到49.25 m 時(shí)，即認(rèn)為是碾盤(pán)山樞紐超標(biāo)準(zhǔn)洪水，工地啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)。

主基坑內(nèi)的施工設(shè)備及人員應(yīng)全部撤離，將上下游橫向圍堰破開(kāi)，使部分洪水從主基坑分流，確保中直堤等度汛安全。根據(jù)48 h 短期洪水預(yù)報(bào)，當(dāng)預(yù)測(cè)壩址遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水（13 500 m3/s 或壩上1.5 km 處現(xiàn)有水文站點(diǎn)水位49.25 m）時(shí)，防汛指揮部緊急啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，并做好破堰準(zhǔn)備。在預(yù)計(jì)洪峰到達(dá)壩址前24 h協(xié)調(diào)和組織承建單位完成人員、材料與機(jī)械設(shè)備撤離至預(yù)設(shè)安置區(qū)域，在洪峰到達(dá)壩前6 h完成基坑充水和破堰工作。

（2）啟動(dòng)充水破堰程序，分為3步：①虹吸管預(yù)充水，將基坑水位充至40.00 m高程；②下游橫向圍堰80 m破口段充水（采用鉆爆法破口），將基坑水位充至與下游水位齊平高程；③將上、下游橫向圍堰扒口段破開(kāi)，洪水從主基坑過(guò)流。

（3）當(dāng)碾盤(pán)山樞紐圍堰遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，應(yīng)立即通知下游有關(guān)單位，啟動(dòng)碾盤(pán)山樞紐下游防洪應(yīng)急預(yù)案。