田里水库土石坝的溃坝计算分析及抢险措施

诸葛渭航

(浙江省开化县水利局,浙江 开化 324300)

田里水库土石坝的溃坝计算分析及抢险措施

诸葛渭航

(浙江省开化县水利局,浙江 开化 324300)

以田里水库为例，针对超期服役的小型水库土石坝设备失修老化，库区淤积、涵洞渗漏严重等特点，综合分析了危及小型水库安全因素，阐述了渗漏、裂缝、滑移等现象出现的机理，并以此为基础，结合田里水库高水位状况下滑坡抢险成功的实例，通过溃坝计算，认为应采用木支撑的安全支护、修筑围堰、裂缝混凝土灌填等措施抢险应急.

土石坝；溃坝；计算；抢险

0 引 言

在我国各地，现有小型水库近2.1万座，大都建于20世纪50—80年代，90%以上属于土石坝[1-4].由于当时的经济条件与科技水平不够发达，导致大多数小型水库的建设质量较低，使用寿命仅为50年.对于这些小型水库基本上都是超期服役，而部分小型水库在不同程度上存在设备老化与失修，库区有淤积与涵洞渗漏等严重问题[5-7].

小型水库出险的原因，主要是堰体浆砌块石施工质量差、侧堰地质条件差、溢洪道底板不均匀沉陷、渗水压力的作用等.对于水库的安全，是关系到当地人民群众的生命财产安全的大事，因此如何确保水库安全则是水利人的首要职责所在.对于大多数小型水库，危及土坝安全的因素主要存在渗漏、裂缝与滑坡等多种情况[8-9].本文将针对这几种情况产生的机理进行分析，并以田里水库抢险为例，总结溃坝抢险的经验和启示.

1 三类安全隐患

在中国土石坝数量迄今为止居世界首位，这也导致溃坝率成为世界第一.在坝工建设中，土石坝作为应用最为广泛且发展最快的一种挡水坝，一般是用当地土料或石料，经过抛填与辗压等不同的方法堆砌筑成.不过，土石坝虽然具有施工简单与经济实用等特点，但极易因渗漏、裂缝及滑移等原因发生突发溃坝事故，以下据此做具体分析.

1.1 渗漏

对于土石坝，常见的渗漏主要存在如下几种类型.

(1)坝基渗漏

这是一种坝基渗流沿坝基岩中的透水层、节理裂隙与底部边界组成的通道流动而导致的较大扩张性的裂隙渗漏，其主要的破坏机理为引起土石坝沿着渗漏通道出现的竖向塌坑，冲蚀并带走坝体内的土颗粒，从而淘空坝体使土石坝遭到破坏.

(2)坝体渗漏

这种渗漏主要是破坏坝体的抗剪强度，在水库高水位时，十分危险，一旦发生则难以抢救.其破坏机理为在渗透水从上游朝下游方向渗过坝体时，加大了其中滑动力，从而降低了受浸润坝体的抗剪强度.

除了以上两类主要的渗漏，还存在其他不同类型，比如坝肩绕坝渗漏与坝内涵管接触渗漏.渗流总是沿阻力最小的地方集中，这些险情往往发生在水库高水位时，经过不断的冲蚀被带走坝体内的土颗粒，轻者能在坝体上产生连续竖直的塌坑，重者直接引发溃坝.

1.2 裂缝

从力学角度来看，土石坝裂缝可分为不均匀滑坡裂缝、沉陷裂缝、振动裂缝、干缩裂缝，其成因主要是：

(1)由于坝基地质条件与力学性质的差异较大，如果建基面的纵向与横向存在骤然的起伏，加之填土落差的梯度过大及所埋置涵管的管上与管侧坝体的土柱沉陷不同等几种原因，都可能导致不均匀性的沉陷裂缝.

(2)土石坝在加高的时候，如果存在填筑方式与新老土体的结合处理失当，就可引发不均匀性的沉陷裂缝；

(3)在水库高水位渗流作用下，如果坝体湿陷存在不均，则土石坝的下游坡土体抗剪强度将会出险骤降现象，就可引起滑坡性的裂缝.特别地，在坝趾基础存在软弱的夹层时，更易引起滑坡性的裂缝；显然，在渗流的持续作用下，一些兽洞或蚁穴也可能导致局部的裂缝.

1.3 滑坡

在土石坝边坡失稳的同时，其坝顶或坝坡之处将会导致裂缝出现.一般而言，裂缝的发展在初始时较为缓慢，极易被人忽视，但不久之后则急剧地发展，最终形成滑坡险情.对于小型水库，如果高水位持续的时间过长，那么在渗透水的作用下，土石坝的坝体浸润线会有所升高，则饱和区土体的抗剪强度将相应降低，就可引起土石坝下游坡的失稳，从而出现滑坡现象.另外，土石坝如果是在冬季施工，又没有采取较好的防冻措施，就有可能形成冻土层，那么在蓄水后，库水的渗入将形成软弱的夹层，最终也可能引起土石坝滑坡险情.

2 田里水库高水位状况下滑坡抢险成功的实例

田里水库位于开化县池淮溪支流翁星河源头的田里村旁.该水库于1977年建成投入运行，水库集雨面积5.0 km2，坝高25.70 m，坝顶长76 m，总库容151万m3，正常蓄水位22.05 m，相应库容120万m3.坝型为粘土心墙坝，水库溢流为侧槽式溢洪道布置，溢流堰段长51 m.1998年7月19日上午约7时田里水库堰顶开始溢流，随后导致裂缝滑坡现象，最终出现溃坝险情.

2.1 出险的原因

由于田里水库在修建时，工程投资和施工队伍基本上是以群众性投工投劳为主，相对在工程建设施工过程中，难以做到技术要求和施工质量的严格控制，留下安全隐患.在水库长期处于高水位运行状态，坝体(土坝)含水率过大，溢流堰基础软化，导致水库土坝裂缝，出现水库险情(见图1).

图1 侧堰裂缝部位断面结构

2.2 溃坝计算

对溃坝坝址最大流量的计算，通常采用肖克列奇经验公式[10]

(1)

其中：Qmax—最大流量；g—重力加速度； B—坝顶的长度；b—溃口的宽度； H0—溃坝之前上游的淹深.

这里，溃口宽度b一般采用如下经验公式计算[11]：

b=KW1/4B1/4H1/2

(2)

其中：K—经验系数，根据田里水库的土壤性质，取为1.27；

W—水库的总库容；H—坝体的高度.

由式(2)，在田里水库校核水位溃坝时，溃口的宽度b=240.33 m，进而可计算得出坝址的最大流量Qmax=49 107.35 m3/s.

依据水量平衡原理可知，田里水库溃坝的时候库容泄空时间为:

(3)

其中:Q0=3 008.00 m3/s为田里水库校核水位溃坝初期的入库流量.

由此，计算可得校核水位溃坝时间，T=2.11 h.

田里水库上下游的水力学各个参数在溃坝时引起巨大变化，形成涌波，在较短的时间里对下游承溃区形成极大的威胁.依据下游1 ∶1 000地形图，田里水库校核水位溃坝和设计水位溃坝淹没面积分别为17.32 km2和15.78 km2.

2.3 抢险措施及效果

根据险情及现场实际，做出了固结堰体临时应急抢险方案：

(1)在溢流堰上游侧抢筑围堰，从导墙始端开始逐渐向前推进；

(2)围堰筑好后，采用小骨料混凝土灌填裂缝捣实，使分裂成两半的溢流堰形成整体，考虑堰顶将会溢流，面层采取防冲刷保护措施；

(3)考虑溢流堰正处于不稳定状态，在抢筑围堰前，在有安全措施的前提下，先用木支撑对溢流堰进行支护，再进行筑围堰、混凝土灌填作业，以保证抢险人员的人身安全.

依据抢险方案，采用木支撑的安全支护、修筑围堰、裂缝混凝土灌填等措施的实施.整个抢险始终处于在有组织、有分工、有次序、保安全的过程中展开，经过一整夜的奋战，在黎明时分完成了上述各项临时应急抢险措施，侧堰顶溢流水深也逐渐减小.

3 经验教训与启示

(1)实施除险加固水库安全工程建设

除险加固是保证水库安全的有效举措.水库安全关系到民生和社会稳定，对于50—80年代兴建的水库、特别是以农村投工投劳为主的土坝工程而言，相对在施工、技术、质量控制等方面存在着一些问题，而且对工程地质未作详细探勘，资料不全隐患较多.田里水库投入运行已经二十多年，在连续多日暴雨、长时间高水位蓄水的情况下，由于坝体填筑土料含水量的饱和、未置于岩面的构筑物基础软化产生不均匀沉降等因素，使水库极易出现险情.为此，近几年来开展对运行多年的水库进行安全鉴定、除险加固消除隐患是十分必要的.

(2)切实落实好水库安全管理的各项制度

加强水库大坝等水工设施的检查巡查，建立健全岗位责任制，每年对水库巡查员进行专业知识的培训，提高巡查员的业务素质，是水库安全的保障.巡查员要善于捕捉和分析可能出现有险情的迹象，尽可能地做到及时发现、及时报告、为抢险争取时间.面对险情，各级政府领导要有沉着镇定、快速反应和科学决策的能力.要保持清醒头脑，切不可头脑发热、盲目指挥，必须把握好重点：一是确保下游受威胁人员的安全，应立即组织群众避险转移；二是全力抢险，决不轻言垮坝，要采取一切措施尽快降低水位，这是缓解险情的重要手段；三是在抢险过程中，要有保障抢险人员自身安全的措施.

(3)强化提高专业技术人员的业务素质

险情发生后，在第一时间赶到的专业技术人员，应深入实地进行核查，对险情做出研判，及时提出相应措施，这是应急处置的基础.抢险相对于到现场的水利专业技术人员来说是一个考验，因为所面对的是领导急需的抢险方案，面对的是抢险时间的紧迫性，面对的是抢险措施适用和实效性.如果抢险方案考虑不周，没能对症下药；或优柔寡断方案迟缓；或没弄清是非，缺乏险情发展的正确分析判断，都会造成险情得不到有效遏制，甚至还会加剧险情的扩展，劳命伤财.为此，现场的技术人员必须应有扎实的专业知识、经验丰富、坚持真理、果断而敢于承当责任，并具有一定的抢险组织协调能力.做出抢险方案既要符合水利工程的特性和一般科学原理，又要结合当地实际情况，分层次互补递进的具体抢险措施，以供领导决策.

(4)保证库区抢险道路的畅通无阻

落实好抢险物资和设备，保证库区抢险道路的畅通无阻.水库险情的出现，一般为突发性事件，在抢险措施制定后，必须立即组织人力、物资、材料、设备的迅速投入，这就需要有抢险物资的储备，对外交通以及上坝道路的贯通，从而保证抢险人员、材料、设备的调运，尽可能争取抢险时间.田里水库当时的对外交通只有机耕路，且连日多雨，道路泥泞坑陷，空压机风钻设备的运输近10个小时才到达水库.在汛前必须要落实好水库抢险物资储备，县里要有定点的材料和机械设备，各乡镇要有一支固定的抢险小分队，是抢险需求的重要保障.

(5)应制定紧急情况下的抢险操作程序

抢险是在和时间赛跑，在抢险现场的最高负责人要果断、敢于承当责任的勇气.对于专业技术人员提出的抢险方案经比较后认为可行的，应于立即付诸实施，如果是层层请示，只能是拖延时间，造成险情扩展所带来不应有的损失.而在办公室里的人并不了解现场的情况，等到答复未能切合实际，使之应急抢险更处于被动局面.田里水库在人工凿除侧堰缺口因进度缓慢情况下，曾提出采用防震爆破方案，由于当时经层层请示而被否决，直到第二天凌晨敢于承当责任的领导到现场，才拍板决定采取爆破拆除方案时，已耽搁了近16个小时，最终因暴雨来临，未能完成打开侧堰缺口，堰顶再次溢流，在木支撑被冲毁的情况下，幸好没有再次出现险情，否则后果不堪设想.制定相应的抢险操作程序，增强临机处置能动力，以争取利用有效的抢险时间，以减轻或缓解险情是一项十分重要的环节.

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Emergency Measures and Dam-break Analysis of Earth-rock Dam in Tianli Reservoir

ZHUGE Wei-hang

(Kaihua Water Conservancy Bureau, Kaihua 324300, China)

According the characteristics of the earth-rock dam in small-scale reservoirs, especially the ones in extra service, the safety elements and the potential risk mechanism are talked about in this paper, such as the deposition in reservoir area, the culvert seepage, fissure, slippage and so on. Based on it, some emergency measures are put forward by the computation of dam-break flows, cofferdam supporting and concrete filling, taking Tianli Reservoir as an example.

earth-rock dam; dam break; calculation; emergency disposal

2015-12-13

诸葛渭航(1957-)，男，浙江兰溪人，工程师，从事水利工程建设、工程设计与管理、水土保持监督管理及防汛等工作.

TV641

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