大坝险情处置典型案例分析*

2018-12-05

中国水能及电气化 2018年11期

(1.水利部大坝安全管理中心,江苏南京 210029；2.浙江省水利河口研究院,浙江杭州 310020)

我国大坝建造受地质、水文、设计、施工等不确定因素影响，建设中存在隐患，管理中存在薄弱环节，加之暴雨洪水、地震等极端灾害天气频发，大坝险情时有发生，甚至发生溃坝事件。

1975 年8月，河南特大洪水导致板桥、石漫滩、竹沟、田岗等大中型水库相继溃坝失事，死亡2.6万人，是世界上迄今为止最为惨痛的溃坝事件；2007年，甘肃小海子水库，因坝基渗流破坏导致溃决，淹没农田5000多亩，造成直接经济损失179万元；2013年初连续发生3起溃坝事故，分别是新疆联丰水库、黑龙江星火水库、山西曲亭水库，其中新疆联丰水库在加固过程中溃坝，1人死亡，20多人受伤；2018年，内蒙古增隆昌发生溃坝。美国的提堂坝(Teton)于1976年6月因右岸坝基键槽处心墙因内部冲蚀(管涌)而破坏发生溃坝失事，造成15人死亡，25000人无家可归；2018年老挝桑片—桑南内电站溃坝，死亡28人，失踪130人。

根据对我国病险水库大坝出险情况统计结果分析，土石坝主要安全隐患险情归纳为5大类，22小类，具体见下表。

土石坝主要安全隐患险情分类表

下面通过作者参加现场抢险处置的4座水库土石坝典型案例，对大坝出险过程、原因分析、险情处置进行详细介绍。

1 案例一：接缝渗漏引起溃坝

1.1 工程概况

水库总库容为100万m3，正常高水位为3320.91m，死水位为3310.83m，30年一遇设计洪水位为3320.97m，300年一遇校核洪水位为3322.01m。水库于1991年7月开工，1995年10月建成后蓄水；2002年11月15日完成除险加固工程。水库枢纽主要由主坝、副坝、溢洪道及放水涵管等建筑物组成。

大坝为壤土均质坝，库区3321.00m高程以下及库岸斜坡采用土工膜防渗铺至上游坝脚3305.00m高程。最大坝高20.0m，坝顶宽5.0m，大坝总长753.5m，其中主坝长352.0m、左副坝长157.5m、右副坝长244.0m。坝顶设有浆砌石防浪墙，高60cm，上游坝坡为1∶3、1∶2.75，下游坝坡为1∶2.75、1∶2.5，坝脚采用贴坡排水。大坝典型剖面见图1。

图1 案例一水库剖面

溢洪道建于大坝右副坝上，溢洪道由进口导流翼墙、闸室段、陡坡段、渐变段和泄槽组成，长317.0m。进口为1孔弧形钢闸门控制的宽顶堰，堰顶高程3319.40m，堰顶净宽6.0m，正常泄量17.1m3/s,最大泄量39.4m3/s，弧形钢闸门采用卷扬式启闭机启闭。溢洪道闸底板基础为9根混凝土井桩，置于坝基砂砾石层上，渐变段、陡坡段、和泄槽基础置于坝体和岸坡土基上。

放水管位于主坝坝内，全长103.0m，采用直径1.0m的钢管做内壁，外包30cm的C15钢筋混凝土，进口设一启闭机塔，塔高16.4m，启闭塔设检修钢闸门，进口底高程3310.80m，设计流量1.0m3/s，最大流量6.59m3/s。

1.2 溃坝过程

2005年4月27日19时43分12.3秒，距离水库60～70km处发生Ms 4.2级地震。28日0时7分又发生Ms 3.8级地震。溢洪道渗漏示意见图2。

图2 溢洪道渗漏示意

据水库管理人员介绍，2005年春季该地区降雪严重，积雪较厚，当时几日气温回升较快，消冰水量较大。2005年4月27日水库蓄水位为3320.3m；早上8—9时来水逐渐增大，至晚上10时，打开冲沙闸放水。27日晚水库管理部门安排工作人员上坝巡视，至28日凌晨1时，溢洪道正常。巡视人员继续绕库巡视，3时30分回到溢洪道位置，手电筒照明发现溢洪道下游陡坡右侧位置处有龙碗粗水流，于是决定开启溢洪道闸门放水。两人轮流用手动开闸，约5～6min后见水流增至汽油桶大小，此时发现溢洪道上游左侧出现漩涡。4时30分赶赴水库抢险人员发现距离大坝约5.0km处的下游沟道出现大水，水深约1m。4时40分开始溢洪道下游陡槽开始垮塌，至5时30分溢洪道右侧坝顶出现3.0m宽缺口，后水流增大，溢洪道下坝体被冲毁淘空，至凌晨6时40分左右溢洪道被全部冲垮，右副坝缺口达20.0m。溃坝现场见图3、图4。

图3 溃坝现场1

图4 溃坝现场2

1.3 溃坝原因

大坝的破坏主要是右副坝上溢洪道底板和边墙与坝体的接触部位裂缝产生接触渗流和地震加剧接触渗漏造成的。

a.溢洪道建在均质土坝上，底板基础采用9根混凝土井桩置于坝基砂砾石层上，而底板及侧墙都是光板与坝体接触。施工中只在闸室两侧墙补做了高2.4m、厚0.4m、底宽1.2m、顶宽0.6m的混凝土刺墙，而没设置相应的防渗措施，保证有足够的渗径长度。

b.溃坝前溢洪道闸室与坝体接触部位存在裂缝。由于坝体与溢洪道闸室不均匀沉陷引起闸室与坝体接触部位产生裂缝。

c.地震加剧了接触渗漏。由于地震破坏了原来的平衡状态，加速了渗漏发展。

d.安全鉴定中已经指出溢洪道进口翼墙、底板与坝体接触带产生裂缝。虽然加固初设方案采取拆除重建是合理可行的，但技施设计修改为保留溢洪道原闸室结构，仅对溢洪道侧墙裂缝部位垂直向下开挖3m回填土料的处理方案。

e.除险加固中，对溢洪道进口翼墙、底板与坝体接触带产生的裂缝未做任何处理，未能消除接触渗漏隐患。

f.大坝安全监测系统不健全。除险加固中，设了9个表面标点、1个水位观测断面、4个观测孔。三年中,库水位每年均超过溢洪道底板高程0.5～1.0m运行，而接触渗漏的发生不是在短时间內能够形成的，如果及时监测出渗流异常，采取措施，溃坝是可以避免的。

1.4 处置意见

a.考虑溢洪道重新选址的可能性。

b.坝前土工膜应铺至坝顶与防浪墙、溢洪道及边墙相连，形成完整的防渗体系。

c.埋设必要的大坝监测设施，健全大坝安全监测系统，提高安全运行管理水平，保证水库长期安全运行。

2 案例二：库水位超汛限水位引起坝基渗漏险情

2.1 工程概况

水库总库容2.55亿m3。水库于1991年8月动工兴建，1996年12月竣工并投入运行。水库枢纽由大坝、放水洞、侧槽溢洪道组成。平面布置见图5。

图5 案例二水库平面布置

大坝为复合土工膜防渗斜墙砂砾石坝，坝顶高程3960.80m，最大坝高17.5m，坝顶长880.0m，顶宽8.0m，上、下游坝坡分别为1∶3.0和1∶2.5。坝基采用高压摆喷塑性混凝土防渗墙防渗，深入坝基相对不透水的黏土或亚黏土夹层1.5m。大坝上、下游均设有压震平台，上游压震平台高程3952.00m左右，下游压震平台高程3950.00m左右。大坝断面图和水库现场见图6、图7。

图6 大坝断面(单位：cm)

图7 水库现场

放水洞布置在右岸，由引渠段、进水塔、洞身段、消力池段和尾水渠等部分组成，为城门洞形无压隧洞，设计最大流量27.0m3/s。进水塔为钢筋混凝土结构，塔高15.0m，进口底板高程3947.00m，设2.0m×4.0m(高×宽)平面检修闸门和2.0m×2.0m弧形工作闸门各一扇。

正常溢洪道布置在右岸，为开敞式侧槽溢洪道，长530.0m，由引水渠、溢流堰、陡槽段、消力池、尾水渠等部分组成。校核流量为117.47m3/s。引水渠底部高程为3955.00m，采用浆砌石结构。溢流堰采用浆砌石外包混凝土结构，堰面为WES曲线，无闸门控制，堰长25.0m，堰高1.4m，堰顶高程为3956.40m。侧槽为梯形断面，首端底宽3m，末端底宽6.0m，纵坡i=1/40，边坡比1∶0.5。陡槽为矩形断面，底宽6.0m，纵坡i=1/85。消力池为扩散式矩形断面，池长22.5m，池深1.65m。尾水渠采用梯形断面，底宽16.0m，边坡坡比1∶1.5。

2.2 出险过程

2010年7月6日水库入库洪峰流量达789.0m3/s，超过2000年一遇的洪水标准，水库最高水位达到3957.87m，相应库容达到2.44亿m3,超汛限水位1.87m。

a.当时仍处于主汛期，水库坝址以上集水面积达9347km2，汇水面积大，缺乏必要的水文、气象测报设施，对上游来水情况无法预测，未来上游来水对水库安全运行具有潜在的威胁。

b.当时水库水位虽有回落，但仍然超汛限水位1.5m，超控制库容0.265亿m3，如果只用现有溢洪道和放水洞放水，库水位下降至汛限水位还需两个多月时间。大坝坝脚下游先后出现12处渗水翻沙点，虽进行了应急处理，但处理后附近又出现新的渗水翻沙点，坝下游渗水量达23.86L/s，且有增大趋势，水库大坝将长期高水位运行，对坝基渗透稳定不利。

2.3 处置意见

a.当时格尔木河上游奈金河来水量较小，水库下泄水量与奈金河流量叠加后，不会产生大的洪峰，不会对格尔木产生大的防洪压力。

b.尽快开挖应急溢洪道泄水，可迅速降低当前水库水位，使水库蓄水量迅速降低到2亿m3以下，确保大坝安全。应急溢洪道现场见图8。

图8 应急溢洪道现场

3 案例三：闸门失稳水库水位骤降引起面板止水破坏险情

3.1 工程概况

水库总库容2.32亿m3，电站装机容量160MW，多年平均发电量5.24亿kW·h。工程由面板坝、表孔溢洪洞、深孔泄洪洞、发电引水洞及电站厂房等建筑物组成。

大坝为混凝土面板堆石坝，坝顶高程756.30m，坝顶长464.0m，最大坝高140.3m。深孔泄洪洞为无压明流洞，采用龙抬头方式与导流洞结合，设计泄量588.32m3/s，底板高程690.00m，洞身段长510.0m，其中龙抬头段长160.0m，结合段长350.0m。

工程于2009年6月开工，2010年10月截流。2013年7月29日导流洞进水口封堵闸门下闸，水库开始蓄水，并通过深孔泄洪洞泄流。大坝断面见图9。

3.2 出险过程

2013年11月17日16时30分许，水库蓄水位至737.00m，导流洞封堵闸门失控下泄，泄水流量最大达1094m3/s，至2013年11月20日0时30分水库放空，库水位在56h内骤降约100.0m，导致导流洞进、出口结构严重破坏，坝前下部铺盖与盖重区滑塌，部分面板止水结构破损。面板及止水破损情况见图10、图11。

图9 案例三水库大坝断面

图10 面板破损情况

图11 面板止水破坏

3.3 监测资料分析

a.坝体最大沉降发生在687.00m高程，最大沉降量为1147mm，面板最大挠度约46.8cm，目前约为8.74cm，坝体运行基本正常。

b.坝体内部最大水平位移发生在650.00m高程，水平位移量为向上游位移4.906cm，水平位移量不大。

c.左岸700.00m高程测点周边缝剪切位移达到了64.69mm(向右岸方向)，右岸720.00m高程测点周边缝剪切位移达到了35.85mm(向左岸方向)，右岸700.00m高程测点测值已超传感器量程。左岸700.00m高程、右岸700.00～720.00m高程周边缝止水铜片很有可能发生了剪切破坏。

d.695.00m高程三个测点目前脱空位移量已分别达到11.91mm、0.99mm和3.05mm，面板存在局部脱空现象。

e.左、右两岸趾板靠近岸坡处渗压计水位与库水位相关性较好，大坝左右两岸均存在绕坝渗漏。但该处帷幕消杀了很大一部分水头，帷幕效果还是比较好的。

f.库水位到达735.50m时，渗流量达到了242.38L/s，渗流量相对较大，可能与两坝端绕坝渗流有关。

3.4 大坝有限元计算分析

大坝堆石体E-B模型参数反演以及大坝三维有限元计算分析表明：

a.在库水位快速降落过程中，上游铺盖与盖重区在渗流力作用下产生沿面板表面的滑坡，对面板表层止水结构造成破坏，破坏范围在638.76～680.98m高程间，滑坡堆积体以下约11m范围内止水仍存在破坏可能性。上游铺盖与盖重区表面滑坡见图12。

图12 上游铺盖与盖重区表面滑坡

b.根据大坝0+261.00断面水管式沉降仪实测有效沉降变形反演得到的坝体主次堆石区邓肯E-B模型参数合理可行，可用于大坝变形预测分析。

c.竣工期、水位骤降期以及蓄水期大坝变形应力规律正常，变形量值均在经验范围内；应力及应力水平量值均在合理范围内；面板变形分布规律正常，垂直缝、周边缝变位正常。

3.5 处置意见

a.修复损坏的面板混凝土以及垂直缝、周边缝止水。

b.待发电引水洞通过调试，具备过水条件后，重新制定导流洞封堵方案。

4 案例四：水库长期干旱低水位突降暴雨

4.1 工程概况

水库总库容12.1亿m3。枢纽建筑物主要由主坝、副坝、电站重力坝、正常溢洪道、非常溢洪道、新增非常溢洪道等组成。

主坝为水中填土均质坝，坝顶长1757.63m，坝顶高程128.70m，最大坝高30.7m，副坝亦为水中填土均质坝(部分坝体为碾压式均质坝)，坝顶长6907.3m，坝顶高程129.20m，最大坝高19.2m，主副、副坝加固时又做了混凝土防渗墙：重力坝为常态混凝土坝，内含输水洞和发电洞，坝顶长136.5m，坝顶高程128.00m，最大坝高28m。

正常溢洪道为岸边开敞式实用堰，堰顶高程113.00m，净宽96.0m，分8孔布置，泄洪底孔2孔；非常溢洪道为岸边胸墙式宽顶堰，堰顶高程108.00m,堰顶净宽85.8m，分11孔布置；新增非常溢洪道为5孔胸墙式宽顶堰，堰顶高程108.00m，净宽60m；灵正渠涵管为主坝内圆形埋管，管径1.45m。

4.2 出险过程

2016年7月21日8时，水库工程技术人员在副坝巡查时，发现副坝坝前水面出现较大范围的“冒泡翻滚”现象，具体分布为沿坝轴线长约500m(5+000～5+500，距塌坑段1000.0m)，距水边约30.0m起呈点状或平行于坝轴线的条带状。起初较平缓，随着时间的延长，翻花现象越来越活跃，从水边一直延伸到坝前约200.0m左右，水边的几个翻花点能听到呼噜声响，冒泡处有明显气感，见图13、图14。

图13 大面积“冒泡翻滚”1

图14 大面积“冒泡翻滚”2

4.3 大坝观测资料分析

水库快速蓄水过程主要发生在2016年7月19日20时—20日21时时段内，该阶段库水位过程线为：墙前测压管与库水位上升基本同步，在正常范围内，墙后测点无明显异常。墙前测点与库水位相关性更加明显，反映坝防渗墙效果比较显著。

a.从渗流资料分析情况看，墙前渗压与库水位上升基本同步，在正常范围内，墙后测点渗压无明显异常，且防渗墙防渗效果良好，建议继续开展渗流观测，及时进行数据整理分析，为工程运行状态提供依据。渗压计布置见图15。

图15 渗压计布置

b.库水位急速上升过程中，大坝表面变形总体正常，建议加密并尽快开展大坝表面变形观测，并对数据进行及时分析，为工程运行状态提供依据。

4.4 探地雷达探测

a.防渗墙后测线(坝顶、下游坡脚)，坝体、坝体与坝基接触部位未发现明显低密或富水异常。

b.防渗墙前测线1(距当前水位线5.0m)桩号4+982～4+988处，有一明显低密异常区，发育深度在9.0～19.0m；结合地质资料，该区位于砂层；桩号5+406～5+417处有一明显低密异常区，发育深度在10.0～17.0m，结合地质资料，该区位于砂层；其余坝体、坝体与坝基接触部位未发现上述现象。

c.所探测桩号4+800～5+800段，坝体、坝体与坝基接触部位未发现明显异常渗流情况，目前坝体渗流性态正常。上述2处在上游坝脚附近、埋置较深的明显低密异常区对坝体稳定无影响。