水库大坝突发事件及其预测特性分析

谷艳昌，王士军，吴云星，王 宇，庞 琼

（1.南京水利科学研究院，210029，南京；2.水利部大坝安全管理中心，210029，南京）

水库大坝突发事件及其预测特性分析

谷艳昌1,2，王士军1,2，吴云星1，王 宇1，庞 琼1

（1.南京水利科学研究院，210029，南京；2.水利部大坝安全管理中心，210029，南京）

水库大坝突发事件不仅关系大坝自身安全，而且对下游地区生命、财产和社会安全会构成巨大威胁，开展水库大坝突发事件及其预测特性分析，有助于更好地建立预警模型。结合水库大坝自身特点，提出了水库大坝突发事件的定义，归纳总结了五种典型突发事件，即溃坝、地震、洪水、工程结构失稳和供水危机；通过分析，对五种水库大坝突发事件的预测特性进行了研究。结果表明，洪水、结构失稳、水污染导致的供水危机等突发事件是可预测的，溃坝与地震是不易预测的。

水库大坝；突发事件；案例；预测；分析

我国现有各类水库大坝9.8万余座，水库大坝是国民经济与社会发展的重要基础设施，在防洪、发电、灌溉、航运、供水、养殖以及改善生态环境等方面发挥着巨大作用。然而，我国水库大坝工程的安全状况并不乐观，多数水库大坝修建于20世纪50—70年代，受当时的经济技术条件与社会环境制约，“三边”工程和半拉子工程多，且标准低、质量差，加上后期运行管理维护滞后，工程老化失修严重，导致这些工程处于不同程度的病险状态。若出现超标准洪水和地震等极端情况，可能导致漫坝和溃坝突发事件的发生，将对下游地区造成巨大的损失甚至是灾难性的破坏。近年，突发事件因其发生的突然性，造成的危害和损失大，愈来愈受到社会和政府的重视。对水库大坝突发事件及其预测特性进行分析，可为水库大坝突发事件的预报预警和应急预案的编制提供依据，而突发事件的预报预警是应急管理的有效技术支撑，能为应急处置赢得宝贵的时间，大大减少突发事件带来的生命、财产及社会环境等损失。

一、水库大坝突发事件

1.突发事件定义

《中华人民共和国突发事件应对法》将突发事件定义为突然发生，造成或者可能造成严重社会危害，需要采取应急处置措施予以应对的自然灾害、事故灾难、公共卫生事件和社会安全事件。

《水库大坝安全管理应急预案编制导则》将突发事件定义为突然发生的，可能导致溃坝、重大工程险情、超标准泄洪、影响水库正常调度运行的水污染，危及公共安全，需要采取应急处置措施予以应对的紧急事件。

突发事件一般具有突然性、危害性、应急性、关联性和动态性等特点。

2.水库大坝突发事件分类

《水库大坝安全管理应急预案编制导则》依据综合分类法（即根据突发事件发生过程、性质与机理），将水库大坝突发事件分类如下：

①自然灾害类。如暴雨、洪水、上游水库大坝溃决、地震、地质灾害等。

②事故灾难类。如因大坝质量问题而导致的滑坡、裂缝、渗透破坏而产生的溃坝或重大险情，工程运行调度、工程建设中的事故及管理不当等导致的溃坝或重大险情，影响生产生活、生态环境的水污染事件。

③社会安全事件类。如战争或恐怖袭击、人为破坏等。

④其他水库大坝突发事件。

3.水库大坝突发事件

综上所述，将水库大坝突发事件定义为：水库大坝自身或者以水库大坝为载体突然发生的，使得水库大坝的正常运行遭到或者可能遭到破坏，造成或可能造成下游地区严重危害，需要采取应急处置措施予以应对的事件。其后果危害一般包括人员、财产、生态环境、供水危机以及社会负面影响等的公共安全。

根据水库大坝突发事件的定义，结合水库大坝已发生事故与失事历史资料的总结，将以下五种事件作为水库大坝突发事件进行分析，即：

①溃坝，大坝部分或整体溃决事件。

②地震，指地震对水库大坝造成的灾害事件。

③洪水，因超标准洪水、上游水库大坝溃决，以及库岸滑坡等其他因素引起的库水漫顶事件。

④结构失稳，坝体滑坡、开裂、渗透破坏、滑移失稳、库岸滑坡等事件。

⑤供水危机，水库水质污染引起供水危机事件。

上述不同类型的突发事件可能是相互交叉和关联的，某类突发事件可能与其他类别的事件同时发生，或引发次生、衍生事件。如“75·8”超标准洪水导致板桥、石漫滩两座水库溃决，两座水库溃决的下泄洪水导致下游水库漫坝溃决。

二、水库大坝突发事件预测特性分析

1.溃坝

国际大坝委员会（ICOLD）对国际上近200座溃坝案例统计表明：溃坝坝型中，土石坝占80%，溃坝原因包括漫顶、渗透破坏、基础抗剪强度不足，溢洪道泄洪能力不够，运行不当，库岸滑坡等。英国2004—2007年统计的24座溃坝资料中，有22座为土石坝，溃坝原因主要为漫顶、渗透破坏（尤其是大坝与辅助建筑物接触渗透破坏）和变形。

据《全国水库垮坝登记册》资料，我国由于洪水漫顶导致溃坝所占比例为51%，施工质量不良导致渗漏而溃坝的占38%；在国外，洪水漫顶导致溃坝的占39%，其次为坝体渗透破坏占18%，再次是坝基渗透破坏占12%。由此可见，洪水漫顶和渗透破坏是导致大坝溃决的两个主要原因。从溃坝坝型来看，我国土石坝溃坝数量占溃坝总数的98%以上，而混凝土坝溃坝案例则较为少见，尤其是拱坝。从工程规模来看，1954—2012年的59年间，我国共发生水库溃坝3 520座，其中大型水库2座、中型水库127座、小型水库3 391座（占溃坝总数的96.3%）。通过对溃坝案例分析，可以得出如下溃坝启示：

①溃坝作为水库大坝突发事件的一种极端形式，其形成原因是多样的。据统计，超标准洪水与泄洪设施不能正常工作是最主要的原因，渗透破坏与变形也是导致溃坝的主要原因。溃坝案例中土石坝占溃坝案例绝大多数，除漫顶导致土石坝溃决以外，渗流产生是土坝破坏的主要原因。土坝的薄弱环节，如新老坝体接触面、溢洪道与坝体接触处、涵洞（管）与坝体接触处、坝体新老接合面等，这些部位处置不良很容易发生渗透破坏，严重的可导致大坝溃决。

②大坝溃决是有前兆的，如异常渗透水流、异常声响以及大洪水等，如能及时辨识并发出预警，启动应急预案，通知下游地区群众转移，可以避免人员伤亡。因此，现场检查与监测是必要的，这样才能及时发现隐患，采取应急泄水、启动应急预案等处置措施。

③大坝在什么情况下溃决、何时溃决，很难预测。但大坝溃决是有过程的，尤其是土石坝，该过程为大坝溃后预警赢得了宝贵的“时间”空间。充分利用“时间”空间，及时采取预警与应急处置，可大大降低大坝溃决所造成的人员与财产损失。

2.地震

当前的科技发展水平还无法预测地震的到来，且在未来相当长的一段时间内，地震也是无法准确预报的。地震导致土石坝破坏的形式主要有裂缝、滑坡、沉陷、渗漏、基础液化以及泄水建筑物受损等，地震直接导致溃坝的事件极少。2001年1月25日，印度古吉拉特邦的普杰地震（Bhuj earthquake in Gujarat）造成240座水库大坝震损；2008年6月14日，发生在日本岩手县—宫城县的Nairiku7.2级地震，造成134座水库大坝震损。

我国地处环太平洋地震带和地中海—喜马拉雅山地震带之间，地质构造规模宏大且复杂，造成地震频发。自20世纪以来我国发生24次震级超过7级的地震，其中2008年“汶川”地震造成四川、重庆、甘肃、陕西等8省（直辖市）2 666座水库大坝震损，有69座水库达到溃坝险情，331座水库达到了高危险情、2 266座水库达到次高危险情。虽最终没有造成水库大坝溃决，但这些震损水库大坝出现了塌陷、裂缝、滑坡和渗漏等不同程度的险情，形成脆弱性结构体，已不能安全运行和正常发挥工程效益，并可能在余震、洪水等不利条件下溃决，引发地震次生灾害，严重威胁下游地区群众、基础设施安全与社会稳定。

地震突发事件案例统计分析表明：

①就目前科学技术水平而言，地震突发事件是不易预测的。

②虽然地震导致大坝溃决的可能性很小，但地震对水库大坝造成的损坏是明显的，主要有裂缝、滑坡、渗漏以及沉陷等，因此震后及时检查、快速判断震损程度是非常重要的。同时，地震对水库大坝损伤存在时间滞后现象，后期进行连续监测是必要的。若不及时处理，又可能出现次生灾害。

3.洪水

本文所称“洪水”指的是超标准洪水或上游大坝溃决的漫顶或非常泄洪，但是并未导致大坝溃决突发事件发生。这种洪水现象一般发生于具有较强抗冲刷性能的混凝土大坝。

如佛子岭水库位于淮河南岸支流淠河东支—东淠河上，距下游安徽省霍山县城17 km，是20世纪50年代治淮初期兴建的以防洪、灌溉为主，结合发电等综合利用的大型水利水电工程。1969年7月上游连续降雨，发生了百年不遇的特大洪水，库区14日又降大暴雨，一天降水480 mm以上（相当于常年降水量的1/3），最大入库洪峰 12 254 m3/s，库水位130.60 m，中午11时左右，洪水漫过佛子岭水库大坝坝顶1.08 m，持续时间长达25小时15分。经水库调蓄，漫顶时下泄最大流量5 510 m3/s，发生在14日14时，其中溢洪道下泄流量4 000 m3/s，漫顶下泄流量1 180 m3/s，其余为钢管下泄。漫顶事故导致坝后两岸基岩遭到严重冲刷破坏，并使大坝2号、3号以及21号垛基础稳定条件恶化，渗水加剧，扬压力增高，威胁大坝安全；顺流而下的漂浮物，将老厂房砸毁，机组也遭到严重损害，新厂房也受到一定程度的进水破坏。

佛子岭水库漫顶前，正逢坝址下游修建双曲拱桥，为了保护修桥所用木材等建筑材料，水库一直没有采取泄流措施，将汛限水位抬高了 1 m多；而洪水来了之后，又为了下游霍山县的撤退，限制泄洪，流量较小；后来又发生电源中断，闸门不能开启。

洪水漫顶案例分析表明：

①洪水可能导致漫顶和非正常泄洪，导致下游坝趾冲刷、结构破坏以及影响大坝安全。

②库区配置可靠的水情测报系统是重要的，如果能准确预报洪水过程，输泄水设施保障正常工作条件下，在设计标准以内的洪水，按事先制定的调度方案是可以避免漫顶发生的。

③在极端降雨、上游水库溃决造成的超标准洪水或近坝岸坡滑坡情况下，如果未及时采取应急措施，洪水可能导致漫坝或溃坝。

4.工程结构失稳

水库大坝结构失稳依据不同的坝型，失稳的具体表现形式也不同。土石坝结构失稳其表现形式主要有渗透破坏、坝体滑坡、不均匀沉降以及裂缝等；重力坝结构失稳形式主要有坝体坝基或其他软弱面滑移和应力失稳等；拱坝的结构失稳形式主要有坝体沿坝肩滑移、坝体开裂等；而碾压混凝土坝除上述结构失稳形式外，还存在渗透破坏问题。

（1）渗透破坏

从发生渗透破坏的案例资料分析可知：

①渗漏过程是漫长的，但是渗透破坏的发生具有突发性。如邱庄、龙门、白浪河、龙凤山等水库，渗漏时间短则数月，长可达数年，但是渗漏过程尚未对大坝稳定构成威胁；而随着时间的推移，渗漏不断恶化，进而导致渗透破坏的发生，直接威胁大坝安全，如龙凤山水库，渗漏发生4个多月之后坝后涌沙现象突然加剧，孔径迅速扩大到60 cm，管理方及时降低水位进行抢险，幸免坝体溃决。

②渗透破坏案例中，坝基处理不当占到总数的2/3，坝体质量不合格的占1/3左右。

③渗透破坏是大坝尤其是土石坝最为常见的破坏形式之一，我国在处理渗漏问题方面积累了丰富的经验，技术也较为成熟；此外，渗漏可见性强，易于观测和监控。因此，渗漏问题一般能够被及时发现，当渗漏发展到一定程度时，将对大坝安全构成威胁，而渗漏预警阈值的确定方法一直是亟待解决的课题。

（2）滑坡失稳

从发生滑坡失稳的案例资料分析可知：

①绝大多数滑坡发生在坝体上游坡，且水库水位骤降往往是主要诱发因素。

②已发生的坝体滑坡事件中，均没有设置坝体滑坡监测和预测预警系统；否则，可以避免滑坡的发生。

（3）混凝土坝开裂

混凝土坝开裂问题最常见于拱坝，从发生开裂失稳的案例资料分析可以看出：

①大坝裂缝既可以发生在坝体上游面，也可以出现在下游面，且诱发因素复杂多样；坝体开裂不仅损害整体连续性，降低大坝抵抗外荷载的能力，而且裂缝内的静水压力使得大坝向下游位移增大，同时渗透水流还会使混凝土内钙化物质流失，加速坝体老化。

②坝体开裂时均没有设置监测和预测预警系统，只有当裂缝较大时，甚至裂缝已经贯穿到廊道或整个坝体时，下游面出现大量漏水才会被察觉。这时，裂缝已经发育了一段时间，对大坝的整体性和结构稳定性已经造成损害。因此，只有建立相应的预测预警系统，尽早发现坝体开裂，把裂缝危害控制在萌芽状态，是保证大坝安全的可靠途径。

（4）库岸滑坡或泥石流

当滑坡或泥石流位于库区时，滑坡体或泥石流将会冲击水库，导致库水发生涌浪，翻越坝体；当滑坡或泥石流位于大坝下游时，滑坡体或泥石流可能会堵塞溢洪道或下游河道，导致无法正常泄洪，威胁大坝的安全运行。

如意大利瓦依昂（Vajont）拱坝库岸滑坡事故。该坝坝高262 m，1960年蓄水后，坝前左岸滑坡体缓缓蠕动，至1963年10月7日实测总位移为392 cm，其中最后12天的位移速度达48.3 mm/d，明显加速。但是，当时认识不到这是最危急的信号。10月9日滑坡体 （约2.4亿m3）突然高速滑入水库，形成70m高的涌浪翻坝而过，顷刻间翻泄300万m3水，造成2 600余人死亡的重大事故。

可见，大坝若只安装安全监测设施，而缺少监控项目的判断标准即预警阈值，则起不到有效的预警作用。反之，如果对该高边坡位移量建立起预警阈值以及预警系统，及早采取避险措施，可能会避免该次事故的发生。

（5）结构失稳分析总结

①工程结构失稳包括渗透破坏、变形、开裂与滑坡等，工程结构性态是动态变化的，由量变到质变的过程，可以通过安装安全监测设施与设定预警阈值进行实时监控，并及时分析判断结构变异，工程结构失稳是可以预见的。

②工程结构失稳一般是有征兆的，是可以通过检查发现的，若及时采取措施，如降低水位，采取加固措施，是可以避免的；若不及时采取措施，可能引发次生灾害，甚至导致大坝溃决。

5.供水危机

水库是重要的生活、工业以及生态等供水的水源地。近年，我国突发性水污染事故不断发生，对当地人民生活、社会稳定、经济发展和生态环境造成了严重影响。水库水污染不仅后果严重，而且治理难度较大。因此，保证供水安全具有极为重要的意义。

水库突发水污染事件的发生分两种情况：一种是生产事故，另一种是人为违法偷排污水。前者多是在长期生产过程中产生的废物废渣，使得水库污染到一定程度突然表现出的严重后果。后者由于污染物的偷排放量增加，一旦超过水库的容纳能力，就会造成水库的污染，严重时造成突发性的水库水污染事件，导致水库水质与水环境遭到破坏。

如阳宗海是云南省九大高原湖泊之一，湖泊及汇水区分属昆明市的宜良县、呈贡县和玉溪市的澄江县，面积为31 km2，总库容6.16亿m3。从2008年6月份以来，阳宗海水体中砷浓度均值开始有所波动，并持续升高，已达不到饮用水安全标准，直接影响到了周边2.6万余人的饮水安全。据云南省环保局提供的监测数据显示，2008年6月份，监测到阳宗海砷浓度值为0.055 mg/L，超过Ⅲ类水0.05 mg/L的标准；而8月的监测结果显示，砷浓度均值达0.111 mg/L；9月10日、16日监测到的砷浓度值分别为0.124 mg/L、0.128 mg/L；而到10月18日，监测到的砷浓度值为0.125mg/L，超过Ⅲ类水质标准1.5倍，超过Ⅴ类水质标准的0.25倍。经调查检测分析，阳宗海水污染是因为沿湖企业长期违法排污造成的。

从造成水库突发性水污染事故的行为来看：

①水库污染是一个渐变过程，可通过水质参数检测，实现对水质量的评价与控制。

②工业生产管理不善和人为违法排污是两大主要原因，需要加强水库管理力度，提高人员水质检测识别素质，严格规定污物排放标准，就可大大降低污染事件的发生频率。

三、结语

本文提出了水库大坝五种突发事件，并对其预测特性进行了分析。

①水库大坝突发事件所造成的危害是巨大的，突发事件预警是减少危害的重要手段。有些突发事件是事先可以预知的，可以通过检查、监测等手段，早期发现隐患，及时采取应对措施，可以避免或减少损失；有些突发事件是无法先知的，只有在事件发生后，才能采取警报与应急措施。

②洪水、结构失稳、水污染导致的供水危机等突发事件是可预测的。基于水情、水质、工情监测与检查，及时整理分析监测资料，研究其监测信息的内在规律，预测其发展趋势，判断事件性质及其危害性，及时发布预警信息并采取应对措施，可以避免突发事件的发生或减少突发事件造成的损失。

③就目前技术水平，溃坝与地震是不易预测的。但是，其所造成的危害是有时间效应的，如地震后造成的大坝损害可能需一段时间后才能全部显现；溃坝洪水演进是有时间过程的，利用事件发生时间与危害产生的时间间隔，及时发出警报并采取应对措施，可减少突发事件造成的损失。

[1]张建云,盛金保,蔡跃波,等.水库大坝安全保障关键技术[J].水利水电技术,2015,46(1).

[2]何晓燕,王兆印,黄金池,等.中国水库大坝失事统计与初步分析[C].2005.

[3]Dam Failures Statistics Analysis [R].ICOLD Bulletin 99,1995,Dam Incidents Association ofState Safety Officials.

[4] Learing from experiences postincidents for UK Dams 2007 Annual Report[R].March,2008,Published by Environment Agency.

[5]马宗晋,杜品仁,高祥林.地震知识问答[M].北京:科学出版社,2008.

[6]王士军,谷艳昌,倪小荣,等.震后水库大坝应急检查[J].中国水利,2012(6).

责任编辑 韦凤年

Analysis on prediction characteristic of reservoir dam emergent events

//Gu Yanchang,Wang Shijun,Wu Yunxing,Wang Yu,Pang Qiong

The emergent events of reservoir dam not only relate to the safety of dam itself,but also have a great impact on the life,property and social security of the downstream people.It is helpful to build up an early warning model with the analysis on the prediction characteristics of reservoir dam emergent events. Combined with the characteristics of reservoir dam,the definition of reservoir dam emergencies is introduced, and five typical reservoir dam emergencies are summed up,including dam break,earthquake,flood,engineering structural instability and water crisis.Through case collection and statistics,the prediction characteristics of the five reservoir dam emergent events were studied.The result of analysis shows that flood,structural instability and water crisis caused by water pollution emergencies are predictable,but dam break and earthquake are difficult to forecast.

reservoir dam;emergent events;case;prediction;analysis

TV698.1

A

1000-1123（2016）16-0010-04

2016-06-28

谷艳昌，高级工程师，博士，硕士生导师，主要从事大坝安全监控与管理研究。

水利部公益性行业科研专项（201501033）；江苏省水利科技项目（2015010）。