土石坝安全隐患防治措施分析

2020-01-04孙书文

山西水利 2020年2期

孙书文

（山西省临汾市政府防汛抗旱指挥部办公室，山西临汾 041000）

土石坝建设历史悠久，公元前2650年前后，埃及人民利用砂石在杰赖维干河上修建了异教徒坝，用于抵御洪水的侵害。我国土石坝起源可追溯到公元前600 多年，如位于安徽寿县被誉为“世界塘中之冠”的芍陂（公元前613-591年），距今约2600 多年，是典型的利用土堤阻挡洪水侵害的建筑物，可调节洪峰势头和蓄水灌溉农田[1]。

建国前用现代技术建设的水库，只有甘肃的“鸳鸯水库”，坝高仅有37.5m。我国的土石坝筑坝技术从1949年建国后逐步得到发展和提升，水库建设在1958年开始掀起高潮，用现代技术建设的土石坝数量直线上升。据水利部统计，到目前为止我国已拥有水库大坝9.8万余座，其中土石坝水库8.6万多座，大部分是1958—1980年建设的，受当时国家经济条件和施工技术影响，坝型以均质土坝及粘土心墙、斜墙砂砾石为主，几乎没有机械设备，具有代表性的水库大坝有河北的岳城水库、北京的密云水库、海南的松涛水库等。

同一时期，各省市也相继集中上马了一大批水利工程，其中山西省大部分中、小型水库就是这一时期修建的，如山西曲沃的浍河水库、襄汾的七一水库等，由于技术力量和施工条件限制，各地方修建的中小型水库大部分都有设计和施工缺陷，存在一定安全隐患。进入70年代末，我国土石坝建设在设计理论、建设水平、机械装备上有了很大进步和改善，特别是科学试验方法和设计理论达到了世界先进水平。

1 土石坝概况

土石坝指由当地土料、石料或混合料，经过辗压、夯实等方法筑成的挡水建筑物，俗称土坝，当地也叫材料坝[2]。土石坝的分类方法很多，如按坝体材料可分为土坝、堆石坝、土石混合坝；按施工方式可分为碾压式土石坝、水力冲填坝、水中填土坝、定向爆破土石坝等，应用较为广泛的是碾压式土石坝。

1.1 土石坝的优缺点

优点是：就地取材、减少运输、成本低廉。坝身是土石散粒体结构，对地质、地形条件适应性强，抗震性能好，便于维修、培厚、坝体加高等。改扩建施工方便，结构简单，施工技术要求不高，人工、机械施工均可，施工技术简单，工序少，便于组合机械快速施工。

缺点是：坝顶溢流有溃坝危险。坝体建设要求一体合成，培厚、加高相对容易，加长时坝体接合部坝基沉陷处理不好掌握，坝体施工导流需另辟通道。坝体防渗要求高，承受自然环境能力差，特别是洪水冲刷，要定期维护。由于坝体材质为粘性土料和砂石料，施工受气候等条件影响较大。

1.2 我国土石坝存在问题

我国大部分水库，特别是由地方主持修建的中小型水库，基本上是在1958年大跃进时期开工的，受经济条件和技术力量所限，大部分坝型为成本较低的粘土材质的均质土坝或砂砾材质的斜墙坝土石坝。施工手段以人车拉，石碾压、石夯砸为主，机械应用很少。施工方式基本上是边勘测、边设计、边施工。特别是由地方自主修建的小型水库，建设问题更为突出，存在控制积水流域面积不清、坝址的坝基和库区地质条件不清、入库来水水文情况不清、建成后的库容量不清等情况就盲目上马，工程质量不理想，存在安全隐患。再加上经过几十年的运行，遭受自然环境侵蚀、地质变形、水力冲击以及管理不善造成的人为损坏等，有相当一部分水利工程在不同程度出现了病险问题，屡屡发生溃坝事故，对人民群众生命财产安全造成了严重危害。

如甘肃省庄浪县李家嘴水库，坝基基础建设不符合要求，土质松散；施工时埋进右岸坝肩下的旧砖瓦窑没按要求处理；坝体填充料夹杂草、树叶等杂腐殖物和冻土块；没按要求施工，夯压时辅土层较厚，坝体不实。工程竣工后不久，坝体就开始出现裂缝，最宽处可达30 cm，远达不到蓄水要求，只能敞开式运行。1973年4月27日，库区控制流域内降雨85.4mm，库区积水，坝体发生渗漏，导致溃坝。

2 土石坝常见病险隐患与危害

2.1 渗漏

水库渗漏是指水库蓄水后，库水沿坝体或库区范围内的孔隙、裂隙、断层、溶洞及松散土砂层等向库外低地渗流。按区域可分为坝区渗漏和库区渗漏，按渗漏部位可分为坝体渗漏、坝基渗漏、接触渗漏和绕坝渗漏四种。

水库蓄水后，水会对坝体产生自然渗透，如果渗透是在设计指标范围内，属于正常渗流，具体表现为渗流量微小，水质清澈，不会对坝体造成破坏。

水库产生渗漏的原因很多，认定异常渗流及其危害程度也比较复杂。库水沿坝体、坝基、坝肩中的裂隙或破碎带渗漏时，产生的渗透压力对组成坝体的土石料产生向外作用力。如果渗流量大，就会产生接触冲刷和接触流土等破坏形式，带走坝体内松散砂石，水质浑浊，形成管涌甚至坍塌，直至无法控制发生溃坝事故。

水库的任何部位，都可能产生由渗漏引起的管涌，如库区、坝体、坝基、岸坡结合部、坝下埋管和坝体结合部。根据水利部统计，涉水工程由渗漏引起的事故屡有发生，且土石坝占比最高，约占83%。

2.2 漫顶

漫顶是指水库遇到超标准洪水泄洪能力不够，违规蓄水，洪水调度运行管理不当，引起蓄水漫过坝顶溢流的现象。

漫顶是引起土石坝溃坝事故的重要因素之一，也是危害大坝的最大危险源。当洪水漫过土石坝坝顶时，水的冲刷力会对坝顶和背水坡产生冲刷，并带走坝体砂石，特别是背水坡，产生的冲击力非常大，在坝体上形成冲沟，并发生坍塌；严重的从坝顶部逐步形成溃口，产生溃坝漫顶时间越长和水流速度越快，对坝体损害越大，溃坝几率越高。

2.3 滑坡

滑坡是指具有一定坡度的土体或岩体，基础受水流动冲刷、浸泡变得松软，承受不起土体或岩体自重，地震及人工切坡等因素，使其变得不稳定，沿着斜坡面，整体或部分顺坡向下滑动的现象。

大坝坝面滑坡时，会出现向坝体内部延伸的有规则的纵向裂缝，裂缝的宽度和深度不断扩大，逐渐形成滑坡体，最终脱离坝体，形成滑坡。滑坡的原因很多，如冬春交替的解冻期，大坝底部和外部消融过快，很容易形成内外两张皮而产生滑坡；调度运行不科学，高水位蓄水时，水量下泄过大导致水位下降过快，极易造成迎水坡坡面脱离坝体，形成滑坡。

3 土石坝常见隐患治理方法

3.1 渗漏隐患治理方法

3.1.1 灌浆帷幕

当土石坝发生严重渗漏，利用斜墙法或水中倒土法处理困难或效果不佳时，可沿缝隙或沿坝体打孔灌浆形成帷幕墙进行治理。灌浆方法有充填灌浆、劈裂灌浆两种。充填灌浆法是利用浆液自身重量或给予较小的外部压力，将浆液沿病险部位注入大坝内部形成帷幕墙，一般适应于病险较小的坝体。劈裂灌浆工艺，是从坝顶沿大坝中轴一字排开钻孔，孔的底部要比渗漏点深3～5m，然后由下往上进行灌浆，通过灌浆压力将砂浆注入坝体，砂浆在坝体内凝固形成一道帷幕，阻断渗流通道，将浆液灌注至病险部位，形成帷幕，它一般适于病险面大，渗漏部位不能精准定位的土石坝。

3.1.2 粘土斜墙防渗法

粘土斜墙防渗法，是指在已发生渗漏的坝身和坝端上游增做粘土贴坡，从而达到防渗、防坍塌目的。按渗漏点所处的部位，可分为坝身贴坡和坝端岸坡贴坡两种。

坝身贴坡防渗，一般适用于均质坝和斜墙坝。工艺要求先降低水库水位至低于渗漏部位，使渗漏部位全部裸露出水面并拆除护坡，填上新粉末土，并耙松坡面10～15 cm，使新旧填土结合良好，贴坡完成后，再重新做护坡，处理范围要超出渗水范围4～6m。

坝端岸坡贴坡，一般适用于坝端山体单薄的地形、山岩破碎透水性强或有强透水层未被发现等形成的绕坝渗漏。处理方法是对山坡和贴坡接触面要清理干净、彻底，底部必须做好结合槽，使坝身斜墙和铺盖可以很好地结合，填土的干容重量要达到设计要求。处理范围必须超出渗漏范围5～10m，扩大堵截面，保证防渗效果良好。

3.1.3 坝体导渗法

坝体导渗，是将坝体内部的渗水科学地排出坝外，保持构建坝体土石材料湿度不超标，且在正常导渗过程中不被带走，保证坝体内部湿度正常，达到提升坝体与坝基渗流稳定的目的。

导渗方式可分为坝身导渗和坝后导渗。坝身导渗建设形式有“I”、“Y”、“W”三种。“I”型导渗，一般适用于岸坡和坝身渗漏较轻的均质土坝以及正在施工的土石坝；“Y”型导渗，一般适用于坝坡散浸分布面积较大，逸出点较高的均质土坝以及正在施工的土石坝；“W”型导渗，一般适用于岸坡散浸态势比较严重，面积比较大的均质土坝，以及在正在施工的土石坝。坝后导渗可采用建设排渗沟、减压井等设施达到导渗目的[3]。

3.2 土石坝漫顶防治措施

洪水漫顶是对土石坝损害最严重的过流方式。据1992年全国水库普查资料统计，按照《混凝土重力坝设计规范（试行）（SDJ-21-78）》，我国有相当一部分小型水库溢洪道行洪能力不足，有的溢洪断面小，甚至无溢洪道，致使洪水漫顶失事。因此泄洪能力不足是小型水库普遍存在的安全隐患，也是导致洪水漫顶失事的重要原因。

3.2.1 增加水库泄洪能力

当预报水库来水将出现超标准洪水，应科学调度，首先提早加大泄洪流量，腾出库容。如果洪水水量过大，即使闸门打开，仍难以承受应有的泄洪水量时，可将所有的输水洞闸门打开增加泄量，提升泄水能力，减少大坝安全压力。行洪能力达不到时，可在原有工程运行安全可靠的前提下适当加高大坝高度，如培厚加高大坝、加筑坝顶防浪墙、改变堰型、溢洪道进口建拱形堰等，防止洪水漫顶，保证大坝安全。

3.2.2 非常保坝措施

在极端气候条件下，水库行洪能力与来水相差极大，大坝可能出现漫顶和决堤险情时，要科学、果断、迅速地采取措施，启动非常保坝预案，确保大坝安全。如开挖非常溢洪道，炸毁副坝或炸掉坝头等方法，提升过洪能力，降低库水位。采用非常保坝措施时，一定要严格按照调度方案科学实施，事先通知下游危险地区群众，在规定时间内撤离。在防止水库漫顶的抢险措施上切忌采用在大坝顶开槽泄洪的办法，该方法对大坝的破坏程度比洪水漫顶还要严重，极易造成垮坝事故。