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山西水利科技第 2 期（总第 228 期）Impact Analysis of the Upstream Reservoir Dam Failure on the Design Floods for Zihong ReservoirYANG Ju-xiangAbstract:In the river cascade reservoirs袁when the check standard of the upstream reservoir is lower thanthe check flood standard of the downstream reservoir袁it is necessary to consider the impact of dam failure floodon the design flood of the downstream reservoir project in case of dam failure of the upstream reservoir due tothe super standard rainstorm flood in the basin.Taking Zihong Reservoir and Beiguan Reservoir in ChangyuanRiver Basin as examples袁the design floods of the Zihong reservoir considering and not considering the damfailure of Beiguan Reservoir were calculated respectively袁and the impact of Beiguan reservoir dam-break onthe check flood of the Zihong reservoir was quantitatively analyzed.In addition袁suggestions were made tostrengthen the construction of water regime monitoring and forecasting system in Zihong Reservoir.Keywords:reservoir曰dam failure flood曰impact analysis文章编号：1006-8139渊2023冤02-043-04上游水库溃坝对子洪水库设计洪水的影响分析杨菊香（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司 山西太原 030024）摘要：在河流梯级水库中，当上游水库校核标准低于下游水库校核洪水标准时，应考虑因流域内发生超标准暴雨洪水时造成上游水库溃坝，溃坝洪水对下游水库工程设计洪水的影响。以昌源河流域子洪水库和北关水库为例，分别对考虑和不考虑北关水库溃坝的子洪水库设计洪水进行了计算，并定量分析了上游北关水库溃坝对下游子洪水库校核洪水的影响程度，提出了加强子洪水库水情测报系统建设的建议。关键词：水库；溃坝洪水；影响分析中图分类号：TV62文献标识码：B0引言在河流梯级水库中，当上游水库校核标准低于下游水库校核洪水标准时，工程设计中应考虑因流域内发生超标准暴雨洪水时造成上游水库溃坝，溃坝洪水对下游水库工程设计洪水的影响1。本文以昌源河流域子洪水库和北关水库为例，分析上游北关水库溃坝对下游子洪水库校核洪水的影响。1工程概况昌源河是汾河水系的一级支流，位于汾河中游段，发源于山西晋中市平遥县孟山乡北岭底村，流经晋中市平遥县、祁县、长治市武乡县等 2 个市 3 个县（区），在祁县城赵镇原西村汇入汾河。流域面积 2 424 km2，河流长度为 85.0 km。子洪水库位于祁县县城东南 25 km 古县镇子洪村上游处的昌源河干流上，坝址以上干流长度 56.0km，控制流域面积 576 km2，水库总库容 2 450 万 m3。水库设计防洪标准为 100 年一遇，校核防洪标准为 1 000 年一遇，是一座以防洪为主、兼顾灌溉和县城工业生活供水的中型水库。水库枢纽大坝为均质土坝，最大坝高 44 m。北关水库位于子洪水库上游、祁县县城东南 41 km来远镇北关村东南 0.25 km 处的昌源河干流上，坝址收稿日期：2023-04-20修回日期：圆园圆3原04原27作者简介：杨菊香（1976-），女，2007 年毕业于西安理工大学，高级工程师。432023 年 5 月山西水利科技以上干流长度 33.0 km，控制流域面积 320 km2，水库总库容 218 万 m3。水库防洪标准为 30 年一遇设计，200 年一遇校核，是一座以防洪为主兼顾灌溉的小（1）型水库。水库枢纽大坝为浆砌石重力坝，坝高 19.5 m。当子洪水库发生 1 000 年一遇（P=0.1%）的校核洪水时，由于北关水库校核洪水标准仅为 200 年（P=0.5%）一遇，北关水库有溃坝的可能，故子洪水库设计洪水分别按北关水库溃坝和不溃坝两种情况考虑。2不考虑上游水库溃坝的子洪水库设计洪水分析子洪水库控制流域面积 576 km2，距离上游北关水库（控制流域面积 320 km2）23 km，子洪水库-北关水库区间（简称“区间”）面积为 256 km2，本次子洪水库的设计洪水考虑为北关水库入库洪水经调洪后下泄，再与区间洪水错峰叠加。2.1 天然设计洪水分析计算昌源河干流上有盘陀水文站，控制流域面积533km2。根据盘陀水文站 19542021 年共 68 年洪水系列，并加入历史洪水后进行频率分析，采用 P-芋型分布曲线适线，推求出不同频率的设计洪水计算成果。北关水库、区间及子洪水库天然洪水采用盘陀水文站设计洪水成果按面积指数法计算：Q设=（F设/F盘）n伊Q盘式中：Q设为设计断面洪峰流量或洪水总量，m3/s或万 m3；F设为设计断面控制流域面积，km2；F盘为盘陀站控制流域面积，km2；Q盘为盘陀站洪峰流量或洪水总量，m3/s 或万 m3；n 为面积指数（洪峰取 2/3，洪量取 1.0）。经计算，设计洪峰流量、24 h 洪量、3 d 洪量计算成果见表 1。表 1天然设计洪水成果2.2 设计洪水过程线盘陀水文站实测系列中 1970 年洪水较大，且具有峰高量大、峰型集中的特点，经分析比较选取 1970 年8 月 2 日 4：008 月 3 日 4：00 洪水作为典型洪水过程线。采用峰量同频率分段控制的方法分别放大北关水库、区间及子洪水库设计洪水过程线。2.3 考虑上游水库调蓄后的子洪水库设计洪水上游北关水库的入库洪水经过水库调洪下泄，下泄洪水过程与区间洪水过程错 0.5 h 叠加，计算得到子洪水库的入库设计洪水。经计算，子洪水库 100 年一遇（P=1%）设计洪峰流量为 1 490 m3/s，1 000 年一遇（P=0.1%）校核洪峰流量为 2 837 m3/s。子洪水库1 000 年一遇（P=0.1%）校核洪水过程见图 1。图 1子洪水库洪水过程线（P=0.1%）3考虑上游水库溃坝的子洪水库设计洪水分析3.1 北关水库溃坝洪水分析计算溃坝的类型有各种各样：从溃坝过程的时间长短，可分为瞬时溃坝和逐渐溃坝；从溃坝缺口规模的大小，可分为全部溃坝和局部溃坝。坝的溃决方式主要取决于坝的类型、坝的基础以及溃坝原因，水库坝体溃决的可能情况，应根据挡水建筑物的材料性质、结构性能及荷载情况等综合拟定。混凝土坝溃决时间一般都很短，可以按瞬时溃决处理；土坝和堆石坝的溃坝原因主要是洪水漫顶、基础渗漏和管涌，一般属于逐渐溃坝，但由于溃坝水流冲击力很强，相对溃决时间较短，为安全起见，一般可按瞬时溃坝考虑23。北关水库为浆砌石重力坝，溃坝流量按照瞬时全溃考虑，首先计算坝址处溃坝最大流量，其次计算溃坝最大流量向下游的演进。断面流域面积/km2项目不同频率洪水成果P=0.1%P=1%盘陀站533洪峰/（m3/s）2 9021 47724 h 洪量/万 m33 6822 1373 d 洪量/万 m35 4453 346北关水库320洪峰/（m3/s）2 0651 05124 h 洪量/万 m32 2111 2833 d 洪量/万 m33 2692 009子洪水库576洪峰/（m3/s）3 0561 55524 h 洪量/万 m33 9792 3093 d 洪量/万 m35 8843 616区间256洪峰/（m3/s）1 78090624 h 洪量/万 m31 7681 0263 d 洪量/万 m32 6151 607杨菊香：上游水库溃坝对子洪水库设计洪水的影响分析44山西水利科技第 2 期（总第 228 期）杨菊香：上游水库溃坝对子洪水库设计洪水的影响分析3.1.1 坝址处溃坝最大流量计算以瞬间全溃及局部溃的最大水流理论为指导，在总结国内外各种计算方法的基础上，得到了适合于瞬间全溃或局部溃的坝址处溃坝最大流量Qm计算公式：Qm=827Bg姨H03/2式中：B为矩形断面的宽度，m；H0为坝址上游水深（静水头），m；g为重力加速度，m/s2。经计算，溃坝流量为 1 0546 m3/s。3.1.2 溃坝最大流量向下游演进的计算根据国内外许多单位的研究，在距溃坝下游 L 处形成的最大流量QLM采用经验公式计算4：QLM=WWQm+LvK式中：QLM为溃坝最大流量演进至距坝址为L处时，在该处出现的最大流量，m3/s；W 为水库溃坝时的库容，万 m3；Qm为坝址处的溃坝最大流量，m3/s；L为距坝址的距离，km；v为河道洪水期断面最大平均流速，m/s；K为经验系数。黄河水利委员会水利科学研究所根据实际资料分析认为，式中 vK 值应取下列数值：山区河道vK=7.15；半山区河道vK=4.76；平原河道vK=3.13。北关水库位于山区河道上，vK取 7.15。在距溃坝下游L处最大流量结果见表 2。表 2北关水库溃坝流量计算成果表北关水库溃坝后，演进至子洪水库洪峰流量为374 m3/s。3.1.3 溃坝洪水传播时间和流量过程线5黄河水利委员会水利科学研究所根据实验求得溃坝洪水传播时间及概化流量过程线如下3。溃坝洪水起涨时间计算公式：t1=K1L1.75（10-h0）1.3W0.2H00.35式中：t1为洪水起涨时间，s；H0为坝上游水深，m；W为水库溃坝时的库容，m3；h0为溃坝洪水到达前下游计算断面的平均水深，m；L为距坝址的距离，m；K1为系数，取平均数为 0.7伊10-3。最大流量到达时间计算公式：t2=K2L1.4W0.2H00.5hM0.25式中：t2为最大流量到达时间，s；hM为最大流量时的平均水深，m；K2为系数，等于 0.81.2。一般来说，洪水起涨陡，峰值到达快，峰后流量下降比峰前缓慢。如果将溃坝下游流量过程概化为三角形，可得t3的计算公式：t3=2WQLM+t1式中：t3为溃坝流量过程线末端时间，s；W为下泄总水量，m3；QLM为溃坝最大流量演进到坝址处的流量，m3/s。分别采用上述公式进行计算，t1为 2.53 h，t2为3.14 h，t3为 4.39 h，从而得到溃坝洪水过程的底宽为1.86 h。3.1.4 考虑北关水库溃坝后的设计洪水当子洪水库发生 1 000 年一遇洪水时，北关水库最大溃坝流量为 10 546 m3/s，由于水库库容仅为125 万 m3，演进至子洪水库坝址仅为 374 m3/s，溃坝洪水、北关水库下泄与区间洪峰流量叠加后洪峰流量为 3 211 m3/s。考虑北关水库溃坝情况下子洪水库 P=0.1%校核洪水过程线见图 2。4结论通过上述分析计算，考虑、不考虑上游北关水库溃坝洪水影响时子洪水库洪峰流量分别为 3 211 m3/s、2 837 m3/s，前者较后者大，差值为 374 m3/s，偏大比例为 13.2%。为了进一步论证上游水库溃坝洪水的影响6，L/kmW/万 m3Qm/（m3/s）vKQLM/（m3/s）备注012510 5467.1510 546北关水库0.4912510 5467.156 7031.6412510 5467.153 5902.7612510 5467.152 4724.3112510 5467.151 7304.9012510 5467.151 5536.0612510 5467.151 2937.8012510 5467.151 0329.6612510 5467.1584911.6712510 5467.1571313.2112510 5467.1563514.1412510 5467.1559515.0312510 5467.1556216.6312510 5467.1551117.7412510 5467.1548018.9612510 5467.1545019.8712510 5467.1543121.9512510 5467.1539123.0212510 5467.15374子洪水库452023 年 5 月山西水利科技目标规划模型计算不同方案的综合效益，得知方案三的效益最高。方案三在 95%的供水保证率与改变供水结构的情况下实现了对水资源的合理调配，解决了阳泉市水资源短缺与水资源利用率较低的问题，减少了娘子关泉水的取水量，为泉域保护创造条件，同时增加生态环境用水量来改善阳泉市生态环境，提高水资源承载力，使社会经济效益与生态效益均达到最大化，为阳泉市与其他小水源地、水资源短缺、水源地需要保护的地区的水资源配置方案的规划提供了解决思路与决策依据。参考文献：1 唐春雷，晋华，梁永平，赵春红，申豪勇，潘尧云，景泽.娘子关泉域岩溶地下水位变化特征及成因 J.中国岩溶，2020，39（6）：810-816.2 吴俊秀，李红英，刘革.应用 MIKE BASIN 模型规划调配大凌河流域水资源 J.水土保持应用技术，2011（1）：23-25.3 吴迪.基于 MIKE BASIN 的浑河流域水资源管理模型模拟研究 J.黑龙江水利科技，2018，46（5）：25-294 Regina Maria Bessa Santos et al.Development of a Hydrologicand Water Allocation Model to Assess Water Availability in theSaborRiverBasin（Portugal）J.InternationalJournalofEnviron原mentalResearchandPublicHealth，2019，16（13）：2419-2419.5 左其亭，李倩文，马军霞.人水关系学的研究方法及应用前景J.水电能源科学，2022，40（5）：38-41+117.6 李佳伟，左其亭，马军霞，吴滨滨.面向现代治水新思想的水资源优化配置模型及应用 J.水电能源科学，2019，37（11）：33-36.7 王瑶瑶.基于 Mike Basin 模型的莱州市水资源配置研究 D.山东农业大学，2020.8 李芳，李东坪.基于熵权法的组合评价模型 J.信息技术与信息化，2021（9）：148-150.在泄洪设施相同情况下，针对两次洪水过程对下游子洪水库进行洪水调节计算，考虑、不考虑上游北关水库溃坝洪水影响时子洪水库最高库水位分别为894.01 m、893.49 m，前者较后者大，差值为 0.52 m。计算成果对比见表 3。表 3计算成果对比表从计算成果对比表可见，考虑北关水库溃坝洪水影响较不考虑北关水库溃坝洪水影响，洪峰流量、最高库水位及计算坝顶高程均有一定增加，且考虑北关水库溃坝洪水影响时计算坝顶高程已超过水库防浪墙顶高程，故本次改造设计考虑一旦北关水库出现溃坝洪水，必须迅速增加泄洪设施，以降低校核洪水位。计算成果也表明，如果在水库汛期调度运行时未考虑北关水库溃坝洪水影响一旦出现溃坝，将威胁子洪水库的安全，故考虑上游北关水库溃坝洪水是必要的。在水库调度运行中，应加强子洪水库水情自动测报系统建设，实时掌握流域雨情、工情、尤其是上游北关水库的运行状态，建立两库防汛联动机制和洪水预警机制，制定超标准洪水应急预案，备足防汛物资，做好防汛演练，以确保水库度汛安全。参考文献：1 梅锦山，侯传河，司富安.水工设计手册（第 2 版 第 2 卷 规划、水文、地质）M.北京：中国水利水电出版社，2014，6：298-299.2 山西省水利厅.山西省水文计算手册 M.郑州：黄河水利出版社，2011：84-85.3 李炜.水力计算手册（第二版）M.北京：中国水利水电出版社，2006：434-462.4 贾鹏生，张国辉，吴沛，贾大周.上游水库群溃坝对下游水库的影响分析与应对措施 J.河南水利与南水北调，2020（9）：32-33.5 叶合欣，黄锦林.上游溃坝洪水在某水库水文计算中的影响分析 J.黑龙江水专学报，2006（6）：9-12.6 马喜荣.上游小型水库溃坝对茅輋水库特征洪水位影响分析 J.广东水利水电，2009（1）：18-20.图 2考虑北关水库溃坝情况子洪水库洪水过程线（P=0.1%）项目考虑北关水库溃坝洪水影响时不考虑北关水库溃坝洪水影响时差值洪峰流量/（m3/s）3 2112 837+374最高库水位/m894.01893.49+0.52坝顶超高/m1.481.48计算坝顶高程895.49894.97防浪墙顶高程895.3895.3杨菊香：上游水库溃坝对子洪水库设计洪水的影响分析（上接第 42 页）46