CN117933670B - 一种堰塞湖上下游水库应急调度设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种堰塞湖上下游水库应急调度设计方法，属于水利工程技术领域，包括如下步骤：评估适用对象堰塞体、评估堰塞湖最大蓄水量及最大下泄水量、下游水库腾库调度以及上游水库增流调度，本发明方法提升甚至改变堰塞湖上下游水库联合调度在堰塞湖应急处置过程中主导地位，结合堰塞体物质结构组成及几何形态，单独通过增大堰塞湖水库下泄流量及下游水库下泄流量，加强冲刷堰塞体砂石料、引溃堰塞体，致使堰塞湖尚未达到最高库水位时便提前溃决，从而有效降低堰塞湖最大蓄水库容及溃决洪峰，避免上游地区更大程度淹没损失及下游地区更大溃决洪水损毁，避免堰塞体疏通开挖所引起的巨大人力物力等工程投资。
Description
技术领域
本发明属于水利工程堰塞湖应急处置技术领域，具体涉及一种堰塞湖上下游水库应急调度设计方法。
背景技术
堰塞湖是高山峡谷区域因河谷坍塌或泥石流等动力地质作用造成山体滑坡堵塞河道形成的天然湖泊，堵塞河道的固体堆积物则称为堰塞体。堰塞体拦阻天然河道正常泄流造成堰塞湖出入库流量不平衡，致使库水位短时间内急剧壅高、甚至漫顶溃决，形成非常态溃决洪峰，严重威胁下游沿岸人民群众生命财产安全。
堰塞湖所处之地通常具有自然环境恶劣、交通及通讯条件险阻以及水文信息匮乏等特点，众多历史案例表明，超过50%以上的堰塞湖将在30天之内漫顶溃决，尤其是大江大河干流的堰塞湖，其应急处置窗口期会更加短暂。
针对堰塞湖险情，当前应急管理部门普遍采取引流槽疏通开挖、爆破拆除堰塞体等工程除险技术措施为主，风险预警、危险人群转移、水库群联合调度等避灾技术措施为辅等应急处置策略。
引流槽疏通开挖即是在堰塞体顶部利用挖掘机、装载机等大型机械设备人工开挖宽缓或陡峭断面引流槽，降低堰塞体过水高程，实现降低堰塞湖蓄水库容及溃决洪峰；爆破拆除堰塞体即是在堰塞体内人工预埋炸药、暴力拆除堰塞体，降低堰塞体堆积高度及方量。此外，为延长引流槽疏通开挖及爆破拆除堰塞体等应急措施作业时间，堰塞湖现场甚至会安装大功率虹吸排水，减缓堰塞湖库水位雍高速度。但虹吸抽排功率有限、抽排能力普遍不足，仅有3-5m3/s，相比于入库流量达到100m3/s-1000m3/s量级的高风险堰塞湖，虹吸抽排基本是杯水车薪，减缓堰塞湖库水位雍高速度效果有限。而且堰塞湖普遍处于高山峡谷深处，挖掘机、装载机等大型机械设备难以快速抵达环境极度恶劣的应急处置现场，此外堰塞体顶部施工作业面有限，大型机械设备普遍难以同时开展，仅只能呈“长蛇阵”式、点对点开挖-转运施工作业，疏通开挖效率极为有限，而堰塞体堆积方量大（高风险堰塞湖堰塞体堆积方量甚至达到数千万m3量级），致使引流槽疏通开挖整体工期长（普遍达到7-10天左右），因而引流槽疏通开挖适用对象有限。爆破拆除堰塞体尽管能有效拆除堰塞体，降低堰塞体堆积高度及方量，但堰塞湖两岸山体地质结构复杂、物质组成松散，局部爆破极易扰动两岸山体、造成二次滑坡，形成涌浪，进而造成更大规模威胁。
风险预警和危险人群转移主要是结合堰塞湖最大雍高水位及最大溃决洪峰流量，评估堰塞湖最大淹没高程及溃决洪水最大损毁范围，提前紧急撤离影响范围内风险人群及重点保护危化品和重点文物等，尽可能减轻溃决洪水损毁。水库群联合调度则是降低堰塞湖上游水库下泄流量，减小堰塞湖来流量及相应蓄水库容，并增大堰塞湖下游梯级水库下泄流量，腾出蓄水库容，尽可能避免梯级水库连溃，出现溃决洪峰叠加，形成更大溃决洪峰，减轻溃决洪水对下游沿岸损毁。
总体而言，当前堰塞湖应急处置主要是以工程除险技术措施为主、避灾技术措施为辅的处置策略，因而严重依赖工程除险技术措施施工效率，此外工程除险技术会产生大量人力、物力等投资，而避灾技术措施仅作为辅助措施，尽量减少溃决洪水损毁，其中堰塞湖上游水库调度技术更是仅作为延长应急处置窗口期的技术手段，难以主动调节堰塞湖溃决发展过程。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明目的在于提供一种堰塞湖上下游水库应急调度设计方法。本发明改变传统堰塞湖应急处置过程中工程除险技术措施为主、避灾技术措施为辅的应急处置策略，即提升甚至改变避灾技术措施在堰塞湖应急处置过程中主导地位，尤其是堰塞湖上下游水库联合调度技术。结合堰塞体物质结构组成及几何形态，增大堰塞湖上游水库下泄流量及预泄堰塞湖下游水库，利用增大堰塞湖入库流量及所携带动能，加强冲刷堰塞体砂石料，引溃堰塞体，致使堰塞湖尚未达到最高库水位时便提前溃决，从而有效降低堰塞湖最大蓄水库容及溃决洪峰，避免上游地区更大程度淹没损失及下游地区更大溃决洪水损毁，从而减低堰塞湖应急处置人力、物力等投资成本。
本发明通过下述技术方案实现：
一种堰塞湖上下游水库应急调度设计方法，包括如下步骤：
（1）评估适用对象堰塞体：
选取上游坝坡大于1:2～1:3、下游坝坡大于1:3～1:4、堰塞体纵向长度与堰塞体垂直高度之比小于7倍类型的堰塞体作为适用对象；
选取堰塞体物质结构组成D50≤5mm类型的堰塞体作为适用对象；
（2）评估堰塞湖最大蓄水量Vmax及最大下泄水量△Vmax；
（3）下游水库腾库调度；
（4）上游水库增流调度：
减小堰塞湖上游水库大坝下泄流量Q1至（1/3-1/2）堰塞湖河段年平均流量Q0以下，壅高当前上游水库大坝库水位H7至接近设计洪水位H8；
待下游人群转移完毕，快速增大堰塞湖上游水库泄放流量Q1，使Q1至少达到5-8倍的堰塞湖河段年平均流量Q0，冲刷堰塞体使其坍塌溃决。
优选地，步骤（1）中，在堰塞湖现场通过无人机航拍堰塞体，量测堰塞体垂直高度h1、顺河长度L1，测定堰塞体上游坡比1:m1、下游坡比1:m2、顶部长度L0。
优选地，步骤（1）中，在堰塞体顶部实地选取三典型剖面，量测堰塞体物质结构组成。
优选地，步骤（2）中，评估堰塞湖最大蓄水量Vmax及最大下泄水量△Vmax的方法包括：
量测堰塞湖库区地形，推算堰塞湖库容与库水位关系曲线，拟合库容随库水位函数关系，即V=f(H)，H为堰塞湖库水位，V为堰塞湖蓄水库容；
量测当前堰塞湖库水位H1及堰部高程H2，则估算当前蓄水库容V1及堰塞湖最大蓄水库容Vmax，即V1=f(H1)，Vmax=f(H2)；
根据堰塞体物质结构组成，估算堰塞湖溃决后堰塞体残留高程H3及相应残留库容V3，V3=f(H3)，则堰塞湖溃决最大下泄水量△Vmax=Vmax-V3。
优选地，步骤（3）中，下游水库腾库调度的方法包括：
选取堰塞湖下游沿线3-5座相邻水库，将所选的3-5座下游水库当前库水位H4均降至所能达到最低水位H5，并获取所选的3-5座下游水库累积的腾出库容V累；其中，V累≥(1.5-1.8)△Vmax。
优选地，步骤（3）中，以堰塞湖下游第一座水库R-1为例，结合R-1水库库容与库水位关系，量取水库所能达到最低水位H5及相对应库容V5和设计水位H6及相对应库容V6，记R-1水库腾出库容为△V1，即△V1=V6-V5；依次类推，获得堰塞湖下游其他座水库的腾出库容；所选的3-5座下游水库的腾出库容之和即为腾出库容V累。
本发明方法的基本原理如下：堰塞湖入库流量决定堰塞体冲刷能否启动及溃槽冲刷发展进程；堰塞体物质结构组成直接影响堰塞体抗冲性能，细颗粒砂石料居多类型堰塞体抗冲性能较弱，粗颗粒砂石料居多类型堰塞体抗冲性能较强；堰塞体几何形态直接影响堰塞体在动态水流侵蚀作用下自身稳定性，宽缓矮胖类型堰塞体自身稳定性相对较高，高瘦尖锐类型堰塞体自身稳定性相对较低。针对物质结构疏松类型及高瘦尖锐类型堰塞体，在下游相邻水库腾空库容、足以消纳堰塞湖最大下泄水量基础上，增大堰塞湖上游水库下泄流量，即增大堰塞湖来水量、加强冲刷堰塞体，致使堰塞湖库水位尚未漫顶时便造成堰塞体坍塌溃决，从而有效降低堰塞湖蓄水库容及相应溃决洪峰，即利用上游水库增大泄量造峰除险、下游水库预泄腾库纳洪等水库联合调度技术，以堰塞湖上游水库联合调度技术为主要处置策略，避免引流槽疏通开挖等工程除险技术措施所引起的大量人力、物力等工程投资，从而达到尽可能实现堰塞湖平稳泄流的前提下降低堰塞湖应急处置成本前提下亦实现堰塞湖平稳泄流。
相比于传统堰塞湖应急处置以工程除险技术措施为主、避灾技术措施为辅的处置策略，本技术方法主要有如下优点：
1）相比于传统引流槽疏通开挖等工程除险技术措施为主的堰塞湖应急处置策略，本技术方法提升避灾技术措施在堰塞湖应急处置中的地位，避免引流槽疏通开挖等工程除险技术措施所引起的大量人力、物力等工程投资，达到尽可能实现堰塞湖平稳泄流的前提下，降低堰塞湖应急处置成本。
2）相比于传统引流槽疏通开挖等工程除险技术，本技术方法充分考虑堰塞体物质结构抗冲性能、几何形态和下游水库预泄腾出库容，增大上游水库泄放流量，加速冲刷掏蚀堰塞体砂石料、诱导堰塞体提前溃决，人工调控堰塞湖溃决发展过程，避免更高库水位时堰塞湖漫顶溃决，从而有效减低堰塞湖最大雍高水位及溃决洪峰，避免上游地区更大程度淹没损失及下游地区更大溃决洪水损毁。
3）相比于堰塞湖应急处置工程除险技术措施耗费时长，本技术发明能有效缩短应急处置时间，减少灾区受灾时长及灾区人民群众恐慌时长。
附图说明
图1为堰塞湖与上下游梯级水库示意图；其中，i为天然河道坡降，D-0为堰塞湖上游大坝，R-0为堰塞湖上游水库，B为堰塞体，L为堰塞湖，D-1、D-2、D-3、D-4依次为堰塞湖下游大坝，R-1、R-2、R-3、R-4依次为堰塞湖下游水库。
图2为堰塞湖下游水库蓄水示意图（以D-1大坝为例）；其中，H5为下游水库紧急降低所能到达最低水位，H4为下游水库当前库水位，H6为下游水库紧急上涨所能到达最高水位。
图3为堰塞体示意图；其中，H1为堰塞湖溃决前初始水位，H3为堰塞湖溃决后最终水位，H2为堰塞湖最大雍高水位，h1为溃决前堰塞体垂直高度，m1为上游坡比，m2为下游坡比，L0为堰塞体顶部长度，L1为堰塞体纵向长度。
图4为堰塞湖上游水库大坝示意图；其中，D-0为堰塞湖上游水库大坝，H7为堰塞湖溃决初期上游水库大坝库水位，H8为上游水库大坝所能达到最大壅高水位，Q1为堰塞湖上游水库大坝下泄流量。
图中：1-天然河道；2-溃决前堰塞体；3-溃决后堰塞体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，显然，本发明不限于具体实施方式的范围。
本发明主要适用于高山峡谷地区堰塞湖上下游水库应急调度，尤其是针对堰塞体物质结构疏松、几何形态高瘦类型堰塞湖，增大上游水库下泄流量，加速冲刷堰塞体坝体、避免更高堰塞湖库水位堰塞体漫顶溃决，有效减小堰塞湖蓄水库容和溃决洪峰，实现在不开展大规模疏通开挖堰塞体条件下，堰塞湖平稳泄流，有效节省堰塞湖应急处置成本、缩短堰塞湖灾区受灾时长。
实施例1：
如图1至图4所示，本发明提供一种堰塞湖上下游水库应急调度设计方法，包括如下步骤：
（1）评估适用对象堰塞体
1）在堰塞湖现场通过无人机航拍堰塞体，量测堰塞体垂直高度h1、纵向长度L1，测定堰塞体上游坡比1:m1、下游坡比1:m2、顶部长度L0，如图3所示。
2）选取上游坝坡大于1:2～1:3、下游坝坡大于1:3～1:4、堰塞体纵向长度与堰塞体垂直高度之比小于7倍类型堰塞体作为适用对象。
3）在堰塞体顶部实地选取三典型剖面，量测堰塞体物质结构组成，选取堰塞体物质结构组成D50≤5mm这一类型堰塞体作为适用对象。
（2）评估堰塞湖最大蓄水量及最大下泄水量
1）量测堰塞湖库区地形，推算堰塞湖库容与库水位关系曲线，拟合库容随库水位函数关系，即V=f(H)，H为堰塞湖库水位，V为堰塞湖蓄水库容。
2）量测当前堰塞湖库水位H1及堰部高程H2，则估算当前蓄水库容V1及堰塞湖最大蓄水库容Vmax，即V1=f(H1)，Vmax=f(H2)。
3）根据堰塞体物质结构组成，估算堰塞湖溃决后堰塞体残留高程H3及相应残留库容V3，V3=f(H3)，则堰塞湖溃决最大下泄水量△Vmax=Vmax-V3，如图3所示。
（3）下游水库腾库调度
1）选取堰塞湖下游沿线3-5座相邻水库，以下游第一座水库R-1为例，降低下游水库当前库水位H4至所能达到最低水位H5（接近死水位），尽可能快速降低水库当前蓄水库容。
2）结合R-1水库库容与库水位关系，量取水库所能达到最低水位H5及相对应库容V5和设计水位H6和相对应库容V6，记R-1水库腾出库容为△V1，即△V1=V6-V5，如图2所示。
3）依次类推，以堰塞湖下游4座水库R-1、R-2、R-3、R-4为例，记下游水库短时间内能累积腾出库容V累=△V1+△V2+△V3+△V4，如图1所示。
4）为确保堰塞湖下游沿线水库大坝等基础设施安全，要求V累达到1.5-1.8倍△Vmax，甚至更大，即V累≥(1.5-1.8)△Vmax。
（4）上游水库增流调度
1）减小堰塞湖上游水库大坝下泄流量Q1至1/3-1/2堰塞湖河段年平均流量Q0以下、壅高当前上游水库大坝库水位H7至接近设计洪水位H8，为堰塞湖下游影响范围内人群转移争取时间，如图4所示。
2）待下游人民群众基本转移完毕，快速增大堰塞湖上游水库泄放流量Q1，使Q1达到5-8倍（甚至更大）堰塞湖河段年平均流量Q0，加强冲刷堰塞体，加快堰塞体坍塌溃决，如图3所示。
对比例1：
本例与实施例1的区别在于：针对同等垂直高度、几何形态宽缓矮胖以及物质结构组成堰塞湖作为对象，其中，上游坝坡为1:3、下游坝坡为1:4、堰塞体纵向长度与堰塞体垂直高度之比为6倍；堰塞体物质结构组成D50=3mm，其他设计方法与实施例1相同。经模拟测试，若按照常规引流槽疏通开挖堰塞体等工程除险技术措施，堰塞湖上游水库泄放流量Q1，按照天然河道平均流量Q0控制，待堰塞湖最大雍高水位超过堰塞体顶部4-5m左右时，堰塞体才渐进式坍塌溃决，溃决洪峰达到64倍天然河道平均流量Q0，且引流槽疏通开挖需大量机械设备，初步评估需要7-10天左右时间才能完成疏通开挖；若选用本方案，利用堰塞湖上游水库增大泄放流量Q1达到10倍天然河道平均流量Q0，堰塞湖库水位在超过堰塞体顶部2-3m左右时，堰塞体便渐进式溃决，溃决洪峰仅达到30倍天然河道平均流量Q0，且堰塞湖上游淹没时间大幅缩短，引流槽疏通开挖等工程量显著降低。
综上，本发明提供一种堰塞湖上下游水库应急调度设计方法，即是提升甚至改变堰塞湖上下游水库联合调度在堰塞湖应急处置过程中主导地位，结合堰塞体物质结构组成及几何形态，通过增大堰塞湖水库下泄流量，加强冲刷堰塞体砂石料、引溃堰塞体，致使堰塞湖尚未达到最高库水位时便提前溃决，从而有效降低堰塞湖最大蓄水库容及溃决洪峰，避免上游地区更大程度淹没损失及下游地区更大溃决洪水损毁，同时显著降低堰塞体疏通开挖所引起的巨大人力物力等工程投资。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (4)
1.一种堰塞湖上下游水库应急调度设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)评估适用对象堰塞体：
选取上游坝坡大于1:2～1:3、下游坝坡大于1:3～1:4、堰塞体纵向长度与堰塞体垂直高度之比小于7倍类型的堰塞体作为适用对象；
选取堰塞体物质结构组成D50≤5mm类型的堰塞体作为适用对象；
(2)评估堰塞湖最大蓄水量Vmax及最大下泄水量△Vmax；
量测堰塞湖库区地形，推算堰塞湖库容与库水位关系曲线，拟合库容随库水位函数关系，即V＝f(H)，H为堰塞湖库水位，V为堰塞湖蓄水库容；
量测当前堰塞湖库水位H1及堰部高程H2，则估算当前蓄水库容V1及堰塞湖最大蓄水库容Vmax，即V1＝f(H1)，Vmax＝f(H2)；
根据堰塞体物质结构组成，估算堰塞湖溃决后堰塞体残留高程H3及相应残留库容V3，V3＝f(H3)，则堰塞湖溃决最大下泄水量△Vmax＝Vmax-V3；
(3)下游水库腾库调度；
选取堰塞湖下游主河道沿线3-5座相邻水库，将所选的3-5座下游水库当前库水位H4均降至所能达到最低水位H5，并获取所选的3-5座下游水库累积的腾出库容V累；其中，V累≥(1.5-1.8)△Vmax；
(4)上游水库增流调度：
减小堰塞湖上游水库大坝下泄流量Q1至1/3-1/2堰塞湖河段年平均流量Q0以下，壅高当前上游水库大坝库水位H7至接近设计洪水位H8；
待下游人群转移完毕，快速增大堰塞湖上游水库大坝泄放流量Q1，使Q1至少达到5-8倍的堰塞湖河段年平均流量Q0，冲刷堰塞体使其坍塌溃决。
2.根据权利要求1所述的堰塞湖上下游水库应急调度设计方法，其特征在于，步骤(1)中，在堰塞湖现场通过无人机航拍堰塞体，量测堰塞体垂直高度h1、纵向长度L1，测定堰塞体上游坡比1:m1、下游坡比1:m2、顶部长度L0。
3.根据权利要求1所述的堰塞湖上下游水库应急调度设计方法，其特征在于，步骤(1)中，在堰塞体顶部实地选取三典型剖面，量测堰塞体物质结构组成。
4.根据权利要求1所述的堰塞湖上下游水库应急调度设计方法，其特征在于，步骤(3)中，以堰塞湖下游第一座水库R-1为例，结合R-1水库库容与库水位关系，量取水库所能达到最低水位H5及相对应库容V5和设计水位H6及相对应库容V6，记R-1水库腾出库容为△V1，即△V1＝V6-V5；依此类推，获得堰塞湖下游3-5座水库的腾出库容；所选的3-5座下游水库的腾出库容之和即为腾出库容V累。
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