深步水水库大坝安全监测预警与应急处置管理.pdf

云南水力发电YUNNAN WATER POWER47第 40卷第 4期0 引言中国的重大水利工程大坝建设已经处于世界领先的水平，但是在安全运行方面仍然存在一定的差距。尤其是在遭遇极端事件，如工程老化、洪水、地震、干旱、极寒天气、战争和恐怖袭击时，以及由于人为失误导致的非正常运行情况下1，这种差距更加明显。与中低坝相比，高坝的运行面临着更加复杂的安全形势和技术挑战2，由于它们的库容庞大、水位较高，一旦发生灾害，将会带来极其严重的后果，因此，确保它们的安全至关重要。但迄今为止，保障大坝大库安全技术能力严重不足。1 工程概况1.1 水库概况深步水水库位于西江支流高明河上游，广东省佛山市高明区西南部，属中型水库。现有效灌溉面积 2.2104亩，是一宗以灌溉为主，结合防洪和养殖等综合利用的中型水库，水库的总容量高达 1 408.4104 m3，是一座级中型工程，主要建筑物采用 3 级，次要建筑物采用 4 级，而且按照 50 年一遇洪水的设计标准，还要进行 1 000 年深步水水库大坝安全监测预警与应急处置管理王志伟（广东省佛山市高明区深步水水库工程管理处，广东 佛山 528000）摘要：当前水库的安全保障水平与先进的建设水平相比仍有较大落差，研究水库的风险预警和安全监测与应急处置直接的协同管控非常重要。以深步水水库为背景，在对水库的洪水演算基础上。结合水库已有的调度方案和安全监测系统。提出水库的运行风险分析。并针对此提出相应的险情监测方案和预警行为启动机制，制定相应的抢险和应急处置措施，为水库安全监测、风险管控和应急综合管控提供相应的经验。关键词：水库监测；风险管理；应急预警；应急管理中图分类号：TV698文献标识码：B文章编号：1006-3951(2024)04-0047-05DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2024.04.012Safety Monitoring,Early Warning,and Emergency Response Management of Shenbushui Reservoir DamWANG Zhiwei(Guangdong Foshan Gaoming District Shenbushui reservoir project management office,Foshan 528000,China)Abstract:There is still a significant gap between the current level of safety assurance in reservoirs and the advanced construction level.It is very important to study the direct collaborative control of risk warning,safety monitoring,and emergency response in reservoirs.This article takes Shenbushui Reservoir as the background,and based on the flood routing of the reservoir,combined with the existing scheduling plan and safety monitoring system of the reservoir,proposes an operational risk analysis of the reservoir.It proposes corresponding risk monitoring plans and early warning action initiation mechanisms,formulates corresponding rescue and emergency response measures,and provides corresponding experience for reservoir safety monitoring,risk control,and emergency comprehensive control.Keywords:reservoir monitoring;risk management;emergency warning;contingency management收稿日期：2023-08-15作者简介：王志伟（1980-），男，广东佛山人，工程师，主要从事水利水电工程及中型水库工程管理及行政工作。*48云南水力发电2024 年第 4 期一遇洪水的严格检测。这座水库的主要建筑物包括大坝、溢洪道、输水管道和后面的发电厂。这座巨大的水库由优质的土壤建造，总长124 m，坝高 15.3 m，坝顶宽 16 m，坝顶高程达到37.57 m，防浪墙顶部高度达到 38.42 m。水库的迎水坡采用混凝土面板护坡，上游坝坡的坡度为1 3，而背水坡则采用草皮护坡，下游坝坡的坡度也是 1 3。大坝的基岩是花岗岩，下游设有一个排水棱体，其顶部宽 6 m，高 6 m，底部宽 20 m，内坡比例为 1 1，外坡比例为 1.5，人工填土层的厚度介于 3 15 m 之间，由黏土、粉土和含砂低液限黏土构成，土质结构紧密，表面细腻，压实度较高。溢洪道位于大坝左侧山坳处，为宽顶堰开敞式溢洪道，地质条件良好。堰顶净宽 18.35 m，最大溢洪泄量 111 m3/s，经四级跌水后，在 1.5 km 处归河；堰顶高程32.64 m，堰高0.21 m，堰后接12陡坡，陡坡末端设一级消力池消能，消力池中间设有消力墩，一级消力池后设有 1 6 的缓坡，缓坡末端设二级消力池。输水涵管布置于大坝左岸，为钢筋混凝土有压圆管，直径 1.2 m，最大流量为 3.60 m3/s，进口底高程为 26.92 m，全长总长 81.6 m，壁厚250mm。采用塔式进水口，直升闸门控制，闸门为平板钢闸门，所用启闭设备为螺杆式启闭机。1.2 设计洪水计算由暴雨途径推求水库设计洪水，暴雨参数采用 2003 年颁布的广东省暴雨参数等值线图中查取的数值。分别采用广东省综合单位线法和推理公式法进行设计洪水计算。深步水水库位于高明区高明河上游集水区内，该流域属低丘陵区，植被较好。水库设计洪水计算基本参数见表 1。表 1 深步水水库设计洪水计算参数表项 目此次安全鉴定参数集雨面积F/km230.39主河长L/km10.588平均坡降J0.006 89=L/J1/355.64暴雨径流查算图表分区VII1珠江三角洲设计雨型珠江三角洲设计暴雨定点定面关系暴雨低区计算时段/h1推理公式汇流参数m0.78单位线滞时m12.66采用推理公式法和综合单位线法 2 种方法分别计算设计洪水，进行比较。2 种方法计算的设计洪水成果比较见表 2。表 2 设计洪水结果比较表频率推理公式法综合单位线法洪峰流量差Q/(m3/s)W24/104m3W72/104m3Q/(m3/s)W24/104m3W72/104m3/%3.33%199.05516.6637.9239.01497.1638.916.722.00%224.56578.0714.5261.92561.9714.614.271.00%257.85660.4818.7291.68648.4819.411.600.50%292.19747.9931.8321.86738.6930.89.220.33%312.99799.6997.7339.63791.9998.17.840.10%372.47953.01190.7390.68947.41190.44.66从表 2 中可以看出，推理公式法和综合单位线法计算的洪水总量很接近，设计洪峰流量相差不超过 20，综合单位线的洪峰流量相对较大3。为安全起见，此次安全鉴定防洪标准复核将对 2种方法计算的洪水进行调洪演算，并对调洪结果进行比较，取相对较大值作为安全鉴定的设计洪水位及校核洪水位4。1.3 调洪演算分析深步水水库的溢洪道为开敞式溢洪道，净宽 18.35 m，堰为有底坎的宽顶堰，堰顶高程为32.64 m，底坎高程为 32.43 m。大坝左侧有一钢筋混凝土涵管，直径为 1.2 m，管长 81.6 m，进口高程为 26.92 m，坡度为 1 200，采用管螺杆式启闭。偏于工程安全不利的角度，不考虑涵管的泄洪作用。根据水量平衡原理进行调洪演算，调洪演算采用的水库水量平衡方程为：t=（Q1 Q2）-（q1 q2）t/2式中：t计算时段长，s；vt时段内库容变化量，m3；Q1、Q2时段初和时段末的入库流量，m3/s；q1、q2时段初和时段末的出库流量，m3/s。王志伟 深步水水库大坝安全监测预警与应急处置管理49运行调度规则：深步水水库的溢洪道没有闸门控制，当水位超过溢洪道堰顶高程 32.64 m 时，水通过溢洪道自动泄洪。因此，此次安全鉴定的起调水位为 32.64 m。根据水量平衡原理及运行调度规则，进行调洪演算，结果见表 3。表 3 深步水水库调洪演算成果表项 目1992年设计复核复核成果（综合单位线）复核成果（推理公式）堰顶高程/m32.6432.6432.64起调水位/m32.6432.6432.640.1%校核洪峰流量/(m3/s)396.00390.68372.47最大下泄流量/(m3/s)109.16111.00115.00最高库水位/m35.3035.0134.97相应库容/104m31 5401 408.401 392.99最高堰上水头/m2.662.372.332%设计洪峰流量/(m3/s)224.60261.92224.56最大下泄流量/(m3/s)55.4562.9058.30最高库水位/m34.3334.2534.17相应库容/104m31 2071 171.291 148.69最高堰上水头/m1.691.611.53 综上可以看出，综合单位线推求的设计洪水位及校核洪水位大于推理公式法相应成果。2 运行调度方案和监测系统2.1 运行调度方案水库溢洪道为开敞式溢洪道，净宽 18.35 m，最大泄洪量 111 m3/s。涵管为螺杆式启闭，位于大坝左侧，为钢筋混凝土管，直径 1.2 m，最大流量为 3.60 m3/s。2.1.1 水库水文基本情况暴雨特征：每年降水量季节性变化明显，汛期在 6-9 月降雨高度集中，占全年降雨总量的 80%，尤以7-8月更为明显，期间暴雨频繁，强度大，雨量多，易形成大暴雨洪水。多年平均降雨量为 1 606 mm，历史最大1d降雨量163 mm（有记录以来）。坝顶高程：37.57 m（珠基高程）溢洪道底高程：32.64 m（珠基高程）。汛限水位：32.28 m（珠基高程）。2.1.2 洪水调度方案特殊情况除外，水库汛期的防限水位控制在 32.28 m 以下运行，当水位超过 32.64 m 时，开始自由溢流，当气象部门预测有特大暴雨时，水库工程管理处提前利用涵管预泄，降低水库水位，确保安全。汛期限制水位 32.28 m，警戒水位 34.33 m，校核水位 35.30 m。正常洪水调度：雨前水位低于 32.28 m 时，预计雨后水位不超过 32.64 m 时，不泄洪。雨前水位已达汛限水位32.64 m 时，但溢洪道泄量小于 109.16 m3/s 时，利用下游河安全泄洪。2.2 水库安全监测系统深步水水库现有工程监测系统和水情监测系统，其中工程监测采用人工观测，水情监测采用自动化监测、控制5。监测项目只有坝体浸润线，采用人工测读测压管水位的方式，没有坝体位移、沉降等涉及大坝结构安全的监测项目。大坝共设有 8 个测压管，分别位于坝中 4 个（编号为 A1、A2、A3、A4）及坝体右侧 4 个（编号为 B1、B2、B3、B4）。自 2008 年起，深步水水库工程管理处每年都对大坝测压管监测原始记录数据进行整编成册存档，现存有 20082021 年共 4 a 的大坝渗流监测整编数据。水库大坝巡查内容及方式：在巡查大坝前坡时，应该沿着水面到坝顶的路线行进，仔细检查护坡是否存在裂缝、塌陷或滑坡等危险情况。而在巡查大坝后坡和坝顶时，应该沿着坝顶行进，重点检查坝顶是否存在塌陷现象。沿坝后坡走，观察有无渗漏。巡查坝脚外侧，查测有无渗漏现象6。检查输水建筑物有无裂缝、渗漏。检查溢洪道有无堵塞，两岸护坡有无坍塌，滑坡迹象。水库大坝安全巡查频次库水位在汛限水位以下时，所有设施每 3 d 检查 1 次；库水位超过汛限水位时，每天2次，必要时安排专人加密观测次数。3 水库风险分析3.1 溃坝事件后果分析3.1.1 溃坝洪水分析深步水水库选定以下代表性的工况来计算溃坝洪水，初始条件如下：假设在校核洪水位35.30 m，对应库容 1 408.4104 m3时溃坝。大坝的溃决形式为逐步全部溃决。1）坝址处的溃坝流量计算。确定溃坝洪水流量对于识别溃坝风险至关重要，然而，大多数情况下，仍然依赖于传统的经验公式来估算溃口流量。报告采用铁道部科学院 1980 经验公式计算溃坝最大洪峰流量。该公式是目前水利部门计算水库溃决的最大洪峰流量最常用的一种方法，考虑了溃口平均宽度 b 和坝体残留高度 h 的影响，与土石坝逐渐溃的假设相符。50云南水力发电2024 年第 4 期 式中：Qm坝址处溃坝最大洪峰流量，m3/s；g重力加速度，9.8 m/s2；B 坝址处的库面宽，取坝长 124 m；H坝前水深，m；L库区长度，m，若L/B大于5后，按L/B=5计；b溃口平均宽度，m，V100104 m3时，b=KV1/4B1/7H1/2，V100104 m3时，b=KV1/4H1/4，最大取坝长；h 溃口处残留坝体平均高度，m；K经验系数，K=1.4（bh/BH）1/3。水库计算得坝址处溃坝最大洪峰流量Qm=2414 m3/s。2）溃坝最大流量沿程演进估算。溃坝坝址处最大流量向下游演进至坝址 L（m）流程时的最大流量，可采用下式估算：式中：QL距坝址 L（m）控制断面最大溃坝演进流量，m3/s；W水库总库容，m3；Qm坝址最大流量，m3/s；L控制断面距水库坝址的距离，m；Vmax特大洪水的最大流速（无资料时，山区统一取 4.0 m/s，丘陵区取2.5 m/s，平原区取1.5 m/s）；K经验系数（山区统一取 1.3，丘陵区取 1，平原区取0.85）。若 W=1 408.4104 m3，Vmax=4 m/s，K=1，计算结果如下：到平塘村流量为 QL=2 048 m3/s，（L=2 600 m）；到更合镇中心小学流量为 QL=1 710 m3/s，（L=6 000 m）；到沧江河汇入口流量为 QL=1 545 m3/s，（L=8 200 m）。3.1.2 淹没区生命损失、经济损失和社会环境影响分析如深步水水库发生险情时，受影响的分别是平塘、沙村、中岭、坪岗、蛟塘、珠塘、鹅村、陇村、千岁、马律以及更楼社区等 11 个村、居。3.2 水污染风险分析1）可能水污染的严重程度。深步水水库集雨面积为 30.94 km2，到库支流主要有潭山、云河及泽河三大支流。水库集雨面积范围内没有工业，只有林业、水产养殖和农田耕作等作业，其中 1 000 亩约有 118 口山塘；林地 2.5104亩，其中桉树种植面积约 1.45104亩。主要污染源为农业基肥污染、农药污染和水产养殖造成的水体污染等7。2）确认并估算可能的水质污染影响区，并确定水质污染可能对生命、经济以及社区环境造成的影响。由于水库上下游河道不是饮用水源也不是工业用水源，水库水体如被污染，对上下游影响不大。4 应急处置与风险管控4.1 险情监测和预警启动水库大坝巡查内容包括沿着前坡的坡段前行，仔细检查护坡是否存在裂缝、塌陷、滑坡等危险情况。接着，沿着坝顶的坡段前行，仔细检查坝顶是否存在塌陷现象；最后，沿着坝后坡继续前行，仔细检查是否存在任何安全隐患；沿坝后坡走，观察有无渗漏。巡查坝脚外侧，查测有无渗漏现象。检查输水建筑物有无裂缝、渗漏。检查溢洪道有无堵塞，两岸护坡有无坍塌，滑坡迹象。水库大坝安全巡查库水位在汛限水位以下时，所有设施每 3d 检查 1 次；库水位超过汛限水位时，每天 2 次，必要时安排专人加密观测次数。根据突发事件的严重程度，将其划分为 4 个级别：红色、橙色、黄色和蓝色，并且根据表 4中的标准，提供更加详尽的信息，包括事件的类型、严重程度、发生时间、可能造成的影响范围、警示内容、应采取的措施以及发布机构等。表 4 分级标准表事件严重性（级别）特别重大（级）重大（级）较大（级）一般（级）生命损失 L/人L 5050L 1010L 3L3 当遇到以下问题，会导致严重或重大的损失时，可以立即实施预警计划并发出红色警报。这些问题包括：超出极限的洪水、地震或地质灾害导致水库大坝破裂或即将破裂、上游水库破坏、工程发生重大危险、战争、恐怖活动、人为破坏等因素导致大坝破裂或即将破裂，以及库区水质污染严重威胁人民生命和生活以及严重破坏生态环境。如果水库大坝受到严重损害，并且发出橙色或更高级别的警报，应该立刻召开会议，讨论是否启动应急预案。由于监测数据表明存在异常情况，可能导致大坝崩塌，因此必须采取有效措施规定了必要的措施来确保大坝的安全。根据水情预报，超标准洪水8的发生几率非常高，而上游水库的溃堤更是一个严峻的挑战。此外，战争、恐怖袭击、人为破坏等多种因素也有可能导致大坝崩塌，从而对当地居民的生命安全、经济发展以及生态环境造成极大的危害。4.2 抢险和应急措施实施了多重策略以阻止滑坡的发生。进行了王志伟 深步水水库大坝安全监测预警与应急处置管理51加重固定以稳固坝体，并通过减少滑坡主要裂缝的存在，提高了坝体的防滑能力。通常这些方法会用到砂石排列，如压实平台和加固坡体。一旦排水系出现故障，坝体的湿润线将会上升，可能导致坝体饱和而发生滑坡。为了预防这种情况，需要及时进行导渗沟的开挖工作。首先，将清理冒出的土体，然后在坡顶至坝脚间进行导渗沟的开挖，并填充砂石或其他可导渗的材料。在此之后，将平整掉陡坎以上的土体，并将其替换为砂石土壤，最终回填原土。面对大规模严重的背坡渗漏，需要采用反渗透背水的紧急应对措施。应急处理的重要手法是启动渗透导槽并把粗沙和石头填入，在进行填充时为了保证反渗效果，必须逐层填充，每层厚度大约要有 20 cm。然而，如果大坝自身具有较大的渗透性而且背坡土质松散，在水中甚至会变得稀薄，最理想的方式是用具有反渗功效的砂石等物质建立背水反渗层，因为此时挖掘渗水导槽会非常地困难。在紧急修复堤坝的过程中，如果发现有破洞，而且溢出的水量非常大，那么随着时间的推移，这些破洞会越来越大。因此，在抢险行动中，必须首先封堵前方的溢水口，然后清除后方的积水，同时要处理好迎水面和背水面的破洞。如果堤坝迎水坡出现水下坍塌，而又无法降低水位，那么可以采取一些措施来解决问题：首先，使用草袋、麻袋或编织袋将其中的粘土填充到水下，然后将其封堵；其次，应该对堤坝迎水坡上的渗水通道进行封堵；最后，应该清除坍塌产生的松土或湿土，并在其中铺设反滤层，以防止出现更多的损失。对于管涌和流土的紧急修理，优先考虑使用反滤压盖方法，挖除背水坡脚的危险区域内的杂物和软土，并彻底清理，然后使用砖石等建筑材料，在危险区域的出口建立密实的防护结构。接下来，在管涌或流土表面按顺序铺设粗砂、小石子和大石子，并用砖石对其进行压实，以确保每一层的稳定性。通过使用减压井圈技术，可以减少渗透水压，降低水能之坡度。用土袋填充井圈，提升井内水位，降低水的压差，满足止渗需求，从而保障管涌、流土的危险区域更加安全。在应对流土的防护方面，首要之策是在流土的凸起部位铺设大约 20 cm 的麦草、稻草或其他野草，接着覆盖大约 25 cm 的硬质柳树枝或林草，以降低流土的流动速度。对于那些稳定的横向裂缝，由于不会导致滑坡，因此可以采取开挖和填充的紧急防护措施。具体而言，可以采用梯形断面的方式进行开挖，其深度应当超过裂缝 30 50 cm。在填充土料时，应该采取与原坝体相同的方法，使其紧密结合，形成一个完整的结构。此外，为了有效地阻止横向裂缝的扩展，可以采取“十”字形开槽的方法，即沿着裂缝的延伸方向，以 3 5 m 的间隔性，将槽底的长度设定为 2 m。再用坝体同质土料回填压实。如果裂缝尺寸较小，宽度仅为 1 cm，深度约为 1 m，且没有进一步扩大的趋势，那么就可以采取灌缝的方法，将细腻的砂壤土均匀地填充到裂缝处，并用木板条紧密压实，最后再施加压力，以防止雨水渗入。随着汛期水量的增加，伴随着雷雨大风的天气，大坝迎水坡极易受到风浪的侵袭，因此，采取有效的防风防浪措施是十分必要的。为此，可以采取扎挂木排、挂柳、挂枕、土袋、编织物等措施来加强防护。5 结束语以深步水水库的安全风险监测评估和应急预警管理管控为研究背景。提高深步水水库（以下简称水库）突发事件应对能力，保证水库遭遇突发事件时的防洪抢险调度和险情抢护工作高效有序进行，力保水库工程安全，最大程度保障人民群众生命财产安全，减少损失。参考文献：1康进辉，李高正，王健.基于 UWB 定位技术的应急管理系统在水库导流洞工程中的应用 J.人民黄河，2023,45（S1）:163-164.2王健.古皂水库工程突遇强降雨应急演练效果与经验J.人民黄河，2023,45（S1）:17-18.3马翔，由丽华，廖宁，等.水库面对可能最大洪水时的应急调度优化研究J/OL.中国农村水利水电,2023:1-15.4何成斌.小型水库智能化云监测预警分析系统的搭建J.水科学与工程技术，2023,（3）:93-96.5普国棉，李保华，杨龙，等.智能监控体系在双柏县子石冲水库工程的应用J.云南水力发电，2022，38（12）:302-305.6伏旭鹏.苏巴什水库监测预警预报方案探析J.地下水，2023,45（2）:187-188+204.7周民哲.董铺和大房郢水库生态水位确定及保障研究J.安徽水利水电职业技术学院学报，2023,23（1）:18-22.8张立志，南海峰.赤峰市中小型水库雨水情测报及大坝安全监测平台建设应用J.内蒙古水利，2023,（2）:52-53.