小型水库大坝溃坝风险识别研究

2010-02-27刘德峰宰维东

水利与建筑工程学报 2010年3期

刘德峰,宰维东,谢营

(1.东平县东平湖开发工程处,山东东平271500;2.山东省德州水文水资源勘测局,山东德州253016)

小型水库遭破坏的危险主要是溃坝风险[1～4],因此需要进行溃坝风险的识别。危险包括内因和外因,内因是指水库枢纽建筑物自身存在的问题;外因是指洪水、地震、人为失误等因素导致的水库大坝破坏。危险识别是识别可能引起水库大坝破坏的所有危险。把所有可能的危险都找出,然后确定其对大坝的危害程度。导致水库大坝破坏的危险有些比较明显,如洪水、地震、库水位急剧下降、大坝滑坡,有些则不太明显,如操作人员失误、故意破坏、战争破坏、火灾、水库边坡滑坡、雷击、大风、火山活动等。本文通过对历史溃坝资料的统计分析,得出水库溃坝的主要原因,在此基础上分析水库的溃坝原因和溃坝模式及主要溃坝路径,为小型水库大坝的溃坝概率的确定奠定基础,并为其除险加固提供依据。

1 历史溃坝资料统计

根据1954年～2008年的统计资料,我国已发生溃坝的3 462座水库中,小型水库有3 336座,占溃坝总数的 96.4%,其中小(一)型水库668座,小(二)型水库2 668座。

1.1 小(一)型水库

1954年～2008年,全国小(一)型水库溃坝 40座以上的省(区)分别有新疆、四川、陕西、山西、云南、黑龙江,溃坝概率为9.601×10-4。55 a中有两个溃坝高峰,其一是1960年前后,1959年、1960年、1961年,年溃坝概率分别为49.06×10-4、44.97×10-4、41.56×10-4。其二是 1973年前后,1973年和1972年的溃坝概率分别为51.79×10-4、27.94×10-4。出现溃坝高峰的主要原因是,1960年前后属于蓄水初期,而且在特定的历史条件下,疏于管理;1973年前后主要是管理问题。1980年后随着管理的加强,年溃坝概率明显持续下降,近30 a内溃坝概率为 2.777×10-4,低于 1954年～2008年间的年平均溃坝概率的1/3。

1.2 小(二)型水库

1954年～2008年,溃坝100座以上小(二)型水库的有11个省(市、自治区),150座以上有5个省。1973年的年溃坝率已高达72.5×10-4。1982年加强管理后,溃坝概率下降为0.763×10-4。

1.3 不同时期的溃坝概率的比较

不同时期的溃坝概率不同。表1是小型水库在不同时期的年平均溃坝概率。

表1 小型水库在不同时期的年平均溃坝概率(×10-4)

1.4 坝型的溃坝情况统计

表2是已溃决小型水库坝型来统计所占的溃坝比例。

表2 按坝高统计溃坝的比例

均质坝、心墙坝、土石混合坝均称为土石坝,已溃坝中土石坝占97.8%。由此可知,进行风险分析,防止或减少溃坝,必须重点研究土石坝溃决的原因和机理。

2 小型水库溃坝原因及分析[5～8]

2.1 小型水库溃坝主要原因

根据历史溃坝资料的分析得出我国小型水库溃坝原因见表3

表3 小型水库溃坝原因

由上表可知,我国已溃坝的溃坝原因主要有洪水漫顶、各种大坝质量引起的溃坝、管理不当及其他。其中最主要的是漫坝和质量引起的溃坝。

2.2 溃坝原因分析

对表3列出的多种溃坝原因深入进行分析如下。

2.2.1 漫顶导致溃坝

很多原因可以导致漫坝,进而发展为溃坝,往往一座水库大坝的漫顶是多种原因共同作用的结果,先将主要原因概括如下,见表4。

表4 导致大坝漫顶的主要原因

对于已溃决的大量小水库来说,集中暴雨、防洪标准低、上游水库溃决、溢洪道泄流能力不足是最主要的原因。

2.2.2 渗流破坏导致溃坝

渗流破坏是土石坝中最常见的病险症状之一。大坝溃决的一种表现为集中渗流,逐渐发展成为管涌、流土,冲刷周边通道不断坍塌、扩大,管涌无法控制而最终溃坝。另一种是异常渗流导致浸润线抬高,坝后大面积散浸,使得下游坝体稳定性下降而导致滑坡,引起坝顶高程不足,库水漫溢而溃坝。由于渗流破坏而导致溃坝的原因是多方面的,表5列出了渗流破坏的主要原因。

2.2.3 结构破坏导致溃坝

结构破坏包括两大部分:坝体过度变形造成的大坝裂缝和大坝整体失稳。

几乎所有的大坝都有裂缝,关键是是否会发展成为大坝溃决的因素。裂缝都有个发展过程,一旦裂缝发展到某种程度,就可能成为大坝溃决的隐患。如果裂缝是贯穿性的横向裂缝,则可能成为集中渗流通道,导致大坝渗流冲刷破坏,可能溃决。即使是表层裂缝,虽然在正常高水位以上,但洪水期库水位上升时,也有可能成为过水通道,危及安全。而且汛期多水,雨水渗入裂缝,将加速裂缝的发展。如果是纵向裂缝,则可能是坝体整体破坏的前兆。如果裂缝两端向上游或下游发展,则更有整体滑动的可能;再遇到汛期雨水多,雨水进入裂缝,将加速滑动的发生。如果是水力劈裂的水平裂缝,属于深层内部裂缝,难以发现,危险性较大,即使没有发展成为贯穿性裂缝,但已经使得渗经缩短,坡降加大,较易发展为集中渗漏通道。

表5 导致渗流破坏的主要原因

2.2.4 溢洪道、坝下涵管破坏导致溃坝

溢洪道破坏是指溢洪道质量差,在泄洪过程中被冲毁,或者由于溢洪道和坝体、坝基结合不好,发生接触冲刷导致溢洪道冲毁。溢洪道上闸门和结构方面的问题、溢洪道滑塌引起溃决部分包括在漫顶部分。

我国小水库坝下埋管隐患严重、质量差,衬砌不好、埋管周围碾压不实,和坝体结合部位无截渗环等防渗措施,还有的改变功能,用作压力管道。种种隐患造成了坝下埋管的损坏而导致溃坝。

2.2.5 其他原因导致溃坝

其他原因主要包括管理、设计不当,库区塌方,水库淤积,人为破坏等。

3 溃坝模式和溃坝路径分析

溃坝模式分析是水库大坝风险分析过程中的重要环节,根据各种可能出现的外荷载,分析在荷载作用下,大坝组成部分(包括挡水、输水、泄水建筑物及附属建筑物)可能出现的破坏形式,并分析是否可能发展成为溃坝事件,最终形成从荷载～建筑物～破坏～溃坝的途径。水库大坝溃决是在内部薄弱环节和外部荷载共同作用下发生的,可能方式很多。内部薄弱环节的存在和外部荷载的出现都具有不确定性,不同的荷载组合会出现不同的溃决模式。如果在水库大坝发生溃决事故前就能够分析出可能发生的溃决方式和可能性,则对于水库大坝的安全将会起到决定性的作用,可以针对性地预防溃坝灾害和减少溃坝带来的损失。

根据上文对我国已溃坝情况的分析,可以总结出小型水库主要的溃决模式如下:

(1)汛期由于无泄洪设施或泄量不足、坝顶高程不足、闸门故障等原因引起漫坝;

(2)汛期坝体、坝基或坝下埋管渗透破坏导致溃坝;

(3)汛期由于溢洪道冲毁或坝体滑坡导致溃坝;

(4)非汛期坝体、坝基或坝下埋管渗透破坏、生物破坏导致溃坝;

(5)地震导致溃决;

(6)操作失误、破坏等人为因素导致溃坝。

由于我国95%以上的小型水库为土石坝,根据小水库特点和溃坝原因,对小型土石坝的可能溃坝模式进行初步分析后得到以下6大类溃决模式和20种可能的土石坝溃决路径,详见表6。但对某一小水库来说,大坝特性不同,内部环节不同,溃决模式和破坏路径都会有所区别。