龙王沟水库溃坝分析与安全管理

吴淑艳

（山西省汾河一坝管理局）

1 水库概况

龙王沟水库地处阳曲县黄寨镇杨兴河上，坝控流域面积17.3 km2，1972年建成投入使用。大坝为土坝，坝高10 m，坝长76 m，总库容50万m3，其中，防洪库容30万m3，兴利库容17万m3，死库容10万m3。泄洪建筑物为岸坡式，泄洪能力为38.56 m3/s。属小（2）型水库，其主要功能是缓洪，并为农田灌溉提供水源。工程等别为Ⅳ等，其主要建筑物级别为4级，次要建筑物级别为5级。坝控流域地势北高南低，呈羽形，流域地貌以黄土丘陵阶地为主，植被覆盖稀疏，水土流失严重。流域下游为河谷阶地，多为农田，地势平缓，排水不畅。水库设计标准为20 a一遇，相应洪峰流量为152 m3/s；校核标准为100 a一遇，相应洪峰流量为263.9 m3/s。

2 水库运行管理及水情监测

龙王沟水库管理单位为黄寨村委，主管部门为黄寨镇政府，水行政主管部门为阳曲县水务局。水库管理运行调度由水库管理单位报县防汛抗旱指挥部办公室批准执行。

目前，龙王沟水库上游无水文测站，编制有龙王沟水库防洪应急预案。为确保汛期防洪安全，水库制定了调度运用计划，对发生不同标准的洪水分别采取调度措施。

3 水库突发事件分析

根据龙王沟水库大坝现有工程情况及流域洪水特点、环境变化、工程地质情况，结合工程安全现状、水库运行管理水平、水库功能以及区域社会经济发展环境等综合分析，水库发生影响社会安全的突发性事件可能性较小，可能导致水库出现重大险情的种类有：溢洪道无法正常泄洪、下游河道无法安全宣泄水库下泄洪水，以及坝体管涌和局部脱漏。

若出现以上险情，可能导致坝体受损变的单薄，水库蓄水位迅速升高，大坝本身无法承受巨大压力而发生倾覆或溃决，从而致使水库工程受损无法发挥其正常效益，同时也会对下游的城镇、人民群众的生命及财产安全、电力设施、通讯设施等造成不可估量的损失。

4 溃坝分析及计算

根据龙王沟水库多年来的运行情况，可能导致水库大坝溃决的主要因素有：超标准洪水、工程隐患、地质灾害、地震灾害等。根据实际情况，只考虑研究遇到超标准洪水时而造成的垮坝。

由于溃坝水流冲击能力极强，从决口开始到基本形成最终稳定断面时为止，为时甚短（一般0.5 h左右）。一般峡谷区的土石坝水库坝长较短，可能全部溃决；丘陵区或平原区水库，坝长达几公里，一般只溃主要部分，即横向局部溃坝。

龙王沟水库大坝为土坝，根据溃坝类型的分析，结合土坝的特点以及大坝溃坝对下游产生后果的严重性及影响的恶劣性，在计算分析时，按大坝瞬时横向局部一溃到底情况考虑。

4.1 溃坝决口宽度

计算公式:

式中：b——溃坝决口平均宽度，m；

W——溃坝时蓄水量，万m3；

B——溃坝时沿坝前水面宽度或坝顶长度，m；

H——溃坝时水头或溃坝时坝前水深，m；

k——与坝体土质有关的系数，黏土取0.65，壤

土取1.3。经计算，b=21.32 m。

4.2 垮坝流量

根据《水力计算手册》，大坝瞬时横向局部一溃到底的最大流量Qm计算公式：

式中：Qm——溃坝最大流量，m3/s；

b——溃坝决口平均宽度，m；

H0——溃坝时水头或溃坝时坝前水深，m。

由资料知：垮坝前的水位为853.46 m，上游库区淤积高程849.8 m，H0=3.66 m。

经计算：Qm=190.235 m3/s。

4.3 决口处水深

计算公式：

式中：hd——决口处水深，m。其他符号同前。

经计算hd=3.015 m。

4.4 决口处流速

计算公式：

式中：vd——决口处流速，m/s。其他符号同前。

经计算vd=2.955 m/s。

4.5 垮坝后泄空时间

计算公式：

式中：T——泄空时间，s；

K——系数，四次抛物线一般为4-5，2.5次抛物线为3.5；

W——水库垮坝前的蓄水库容，m3。

经计算：T=13 062 s。

4.6 溃坝流量演进

计算方法很多，如非恒定流的河道洪水演进、马斯京根法等。由于水库溃坝的洪水过程线较陡，这些方法应用有一定的限制，同时考虑与坝址处最大洪峰流量计算方法相衔接，选用目前常用的经验公式—溃坝洪水演进公式：

式中：QLM——演进至距坝址L（m）处的溃坝最大流量，m3/s；

W——水库溃坝时的库容，m3；

QM——坝址处的溃坝最大流量，m3/s；

L——距坝址的距离，m；

v——河道洪水期断面最大平均流速，一般山区取3-5 m3/s，半山区取2-3 m3/s，平原区取1-2 m3/s；

K——经验系数，一般山区取1.1-1.5，半山区

取1.0，平原区取0.8-0.9。

黄河水利委员会水利科学研究所根据实际资料分析认为，上式中的vK值应取：山区7.15，半山区4.76，平原区3.13。据此，计算结果见表1。

表1 龙王沟水库溃坝洪水演进计算成果表

4.7 垮坝淹没范围

据测算，龙王沟水库垮坝后的淹没面积为0.6 km2，淹没农田266.7 hm2，受灾人口1.3万人，工厂企事业单位6个，影响主要公路铁路4条，房屋4 500间。涉及被淹没村镇有：黄寨镇、园子村、河里村和青龙镇。详见表2。

表2 龙王沟水库溃坝洪水淹没估算表

5 水情工情监测及应急调度

5.1 水情工情监测

按照“早发现、早报告、早处置”的原则，加强对坝体、坝基和坝肩渗漏点、溢洪道、放水涵洞等存在安全隐患的部位，每天进行重点巡视检查监控，做好风险分析，对水库大坝可能发生的突发事件进行及时预警。由于龙王沟水库大坝为均质土坝，所以水库管理人员应配合专业技术人员在汛前和汛后对水库建筑物进行全面彻底的检查，发现险情后及时进行整治。在汛期，要经常巡回检查观察，具体时间、次数及内容，根据水情工情具体情况合理安排。

5.1.1 坝体的观察检查

（1）坝体裂缝。坝体有无裂缝，裂缝是平行于轴线的纵缝，还是垂直于轴线的横缝，或者是圆弧形缝，并度量缝宽、缝长及缝深。对于纵缝要注意其平面形状及延展趋向，横缝则应着重查明其深度是否贯穿坝体，圆弧形裂缝要注意其延伸范围及滑动错落情况。对于可能导致重大险情的裂缝，要加强观察，分析和判断发生的原因，密切注意其变化趋势。

（2）渗水与塌陷。对背水坡、接合部、坡脚一带注意观察有无散浸、漏水、管涌、流土及地面凸起软化等现象，并观察坝顶及坝坡有无滑坍、塌陷。

5.1.2 放水涵洞的观察检查

（1）放水涵洞有无裂缝、渗漏、管涌、坍塌、倾斜、滑动现象，表面有无脱壳松动或侵蚀现象。

（2）放水涵洞与坝体结合部有无缝隙、渗漏、蛰陷、水沟等损坏现象。

（3）放水涵洞出口与下游河道衔接是否顺畅。

5.1.3 溢洪道的观察检查

因溢洪道在2012年应急除险加固时对其进行了改建完善，泄槽段为钢筋混凝土断面，出口设消能设施，因此，溢洪道的检查重点是出口段与现状河道的衔接，水流是否通畅。

观察检查的方式主要靠眼看、耳听、手摸或借助简单工具（人工或机械锥探）进行，必要时采用电测法探测坝体内部隐患。

5.2 应急调度

黄寨村委应加强水库的日常管理和巡查，在巡查中发现险情，应以最有效的方式向镇防汛抗旱指挥部汇报。

当入库水位达851.7 m（正常蓄水位）时，溢洪道准备泄洪，抢险队进入准备状态，按责任地段实施巡坝查险和出险部位加固，0.5 h观察1次，重点检查坝顶、上下游坝坡、下游坝脚、溢洪道进口等部位。

当入库水位达852.32 m（设计洪水位）时，溢洪道自由泄洪，抢险队进入紧急防守状态，按责任地段实施巡坝查险和出险部位加固，10 min观察1次，重点检查坝顶、上下游坝坡、下游坝脚、溢洪道进口等部位。

当入库水位达853.46 m（校核洪水位）时，溢洪道自由泄洪（溢洪道堰顶高程854.54 m），抢险队进入特别紧急防守状态，按责任地段实施巡坝查险和出险部位加固，24 h不间断循环观察，重点检查坝顶、上下游坝坡、下游坝脚、溢洪道进出口等部位。同时镇人武部指挥其他民兵协助镇政府组织险区群众转移、护厂以及抢救人民生命财产和国家财产。

6 结语

对阳曲县龙王沟水库溃坝计算分析与安全管理探讨，可以及时发现解决水库突发事件，并对溃坝的影响进行评估，从而有效预防、规范处理险情、减小造成重大经济损失，对保证人民的生命财产安全具有重要的意义。