新疆土石坝建设与运行突出问题及对策研究

2022-07-16彭兆轩

水利规划与设计 2022年7期

柳莹，李江，彭兆轩，马军

(新疆水利水电规划设计管理局，新疆乌鲁木齐 830000)

土石坝具有对复杂地质条件的良好适应性、就地取材和节省投资等优点，成为世界坝工建设中应用最为广泛的坝型之一[1]。新疆地处干旱半干旱地区，水资源时空分布不均，兴修水利工程是缓解水资源短缺的有效途径之一。针对新疆独特的筑坝环境条件，众多工程开展了大量的探索与实践。在坝型选择上形成了以当地材料坝中碾压式沥青心墙砂砾石坝、混凝土面板砂砾石坝为主的坝体结构型式，体现了砂砾石坝体变形较小、投资较省的特点。但由于坝体材料为散粒体，在坝体变形过大或出现不均匀变形时，容易出现坝体裂缝，或出现防渗体破坏导致渗漏等安全问题。若不重视这些安全问题未做及时妥当的处理，在后续运行过程中还有可能会引发各类安全事故，造成国家和人民群众生命财产的重大损失。因此，有必要对土石坝建设和运行安全问题进行全方位的探讨与分析，结合建设过程和后续运行管理过程，本文对土石坝工程中建设和运行中的突出问题进行了探讨，并提出了合理的对策建议。

1 水库大坝建设概况

我国的水利发展较国外有所滞后，1949年新中国成立以前新疆仅有3座平原水库，难以满足当时人民群众的生产生活需要。自20世纪50年代开始，在国家大力支持下开始兴修水利，但大都以平原水库为主[2]。从20世纪90年代开始，随着建坝技术的提高，逐渐由平原水库向山区水库过渡。截止2018年底，新疆(含兵团)已建成的水库共703座，但小型水库和平原水库占绝大部分，且大多水库服役时间较长，存在诸多安全隐患。地方所属现已建成的520座水库(后文所述均不含兵团)，总库容201.99亿m3，平原水库中80%以上均是小型水库。全疆已建水库个数及库容如图1所示，全疆平原水库按工程等别分类情况如图2所示。图1中水库个数与文中水库个数不符(520座)。

图1 全疆已建水库数量及库容

图2 全疆平原水库按工程等别统计

1.1 水库大坝建设发展历程

据近几十年大坝建设数据统计资料显示，新疆的大坝建设囊括了各类坝型，依据坝型可将新疆大坝建设历程分为3个阶段[3]。第1阶段是20世纪60—70年代，主要为引水注入式水库；第2阶段是20世纪90年代，均质土坝依然在平原水库中占比较大，但其它坝型也在逐渐发展，如面板坝、沥青心墙坝及碾压混凝土坝等多种坝型；第3阶段是21世纪，随着经济的发展，大坝的数量和坝高均在快速增长，坝高超过70m的有62座，坝高超过100m的高坝有27座，全疆水库按建设年代统计如图3所示。全疆山区水库共262座，坝型主要有沥青心墙坝、面板堆石坝、均质土坝、黏土心墙坝、等。各坝型占比如图4所示。

图3 全疆水库按建设年代统计

图4 全疆山区水库各坝型占比情况图

1.2 土石坝建设规模

土石坝根据防渗材料的不同又可分为面板坝、沥青心墙坝及土工膜心/斜墙坝等，各类土石坝的优缺点及适用条件见表1。全疆山区水库中土石坝共214座，北疆、东疆、南疆三大区域土石坝的建设概况如图5所示。因南北疆地形地质条件的差异，山区水库大都建设于北疆，约占63.5%，其中沥青混凝土心墙坝和均质土坝数量较多，黏土心墙坝和土工膜斜/心墙坝较少；南疆地势平坦、干旱少雨，山区水库较少，其中土工膜斜墙/心墙坝数量最少，而近50%的坝型为沥青混凝土心墙坝；东疆仅有吐鲁番和哈密两个地州且面积不大，建坝数量较南北疆少，其中以均质土坝为主，沥青混凝土心墙坝次之。通过以上分析可知，沥青混凝土心墙坝在新疆运用最多。

表1 各土石坝优缺点及适用条件

图5 全疆山区水库按坝型

2 土石坝建设运行存在的主要问题

新疆地域辽阔，工程建设条件极其复杂，具有高严寒、高海拔、高地震、深覆盖层、多泥沙以及少水文资料的特点。河床覆盖层厚，砂砾石丰富。因此，新疆早期建设大坝基本都为土石坝，至今仍然还有大量修建于早期的土石坝在“带病运行”，新疆土石坝建设运行主要存在洪水漫坝、边坡坍塌及坝基防渗等诸多问题，如图6所示。

图6 土石坝建设主要问题汇总图

2.1 洪水与漫坝问题

相关数据资料表明，我国在1954—2019年之间溃坝数量高达3451座，九成以上是土石坝，而全国所有省份、自治区、直辖市中新疆的溃坝率位居前三。经过研究不难发现，洪水漫坝是造成水库溃决的主要原因[13]。我国大多数小型水库土石坝建设年代久远，普遍存在淤积严重，坝体强度低、抵御洪水能力低等特点。再加上气候环境的变化，夏季融雪型洪水频发，再与暴雨型洪水叠加，对土石坝是极大的考验[14]。据不完全统计，新疆在1958年到2002年之间仅因洪水漫顶决堤的水库就有34座，占所有溃坝总数的21.7%[15]。因此洪水与漫顶问题为新疆土石坝建设运行中的突出问题之一。2018年7月31日哈密沁城区遭遇强降雨，射月沟水库校核洪水位300年一遇，而实测遭遇10000年一遇洪水，最终发生溃坝，造成人员死亡以及房屋、农业生产、水利设施等灾害损失，如图7所示。

图7 哈密射月沟水库溃坝

2.2 岸坡高边坡与垮塌问题

通过对我国土石坝边坡稳定性遭受破坏的实际案例进行分析可以得知，水库岸坡通常以剪切破坏为主，当土体内部剪应力达到或大于抗剪强度时，将会导致库岸垮塌问题，滑移面一般为圆弧形或圆弧与夹层泥的组合，也被称之为滑坡。在实际工程应用中，水库边坡的滑动力和抗滑力是影响边坡稳定性的重要因素，两者具有明显的关联性，而其主要受到破体质量、材料性质及含水量等诸多因素的影响[16]。例如恰克马克河T水库边坡开挖后，因未及时支护造成开挖边坡出现垮塌，影响进水口的安全，造成工期一定程度延误。N水库边坡坍岸，水库在二期蓄水阶段，随着蓄水位的抬升，库区两岸巨厚粉土由干燥状态转为饱和状态，加上冲刷及淘蚀作用，两岸巨厚粉土发生变形并不断滑塌，对库区水下及水上地形的测量，表明滑塌总淤积量达1872万m3，设计死库容基本全部淤损，影响了水库效益发挥，水库岸坡坍塌如图8所示。目前水库采用低水位、间歇式冲沙进行冲淤处理。这主要还是因为部分水库在建设中普遍存在对库岸高边坡勘测设计、施工重视程度不够等问题。

图8 N水库边坡坍塌

2.3 地基与防渗问题

土石坝在水库蓄水后，无论是坝基、坝身还是坝肩，都会承受不同程度的水压力，因国内土石坝因水压力作用发生渗透变形导致水库失事的约占31.7%[17]。由于新疆特殊的地形地质条件，河谷深切，覆盖层深厚，部分地方有软弱夹层，透水性强，建设施工难度大且施工地点有时为高寒地区，使得土石坝地基的防渗处理难度很大，土石坝地基与防渗问题为新疆土石坝建设运行突出问题之一。如N水库在初期蓄水过程中，渗压计显示大坝绕坝渗流随库水位的上升相继出现渗压水头，当库水位蓄至2472.8m高程时，坝后坡脚出现渗流。2020年6月，水库水位2470m，渗水量达181L/s。水库下游渗水情况如图9所示。

图9 N水库坝脚渗水

2.4 结构与破坏问题

混凝土面板堆石/砂砾石坝因其抗震性能好、适应地基变形能力强，在地震多发地带的应用极为广泛，全疆已建百米级的混凝土面板坝10座，在建的3座[18]。高面板坝变形控制问题直接关系到面板防渗系统的安全，实践中坝体变形量过大或变形不协调等容易导致面板裂缝，成为土石坝建设运行中的突出问题之一。例如BK水库面板堆石坝坝高63m，由于填筑质量控制未完全到位，运行后垫层料局部产生流失，造成面板整体断裂、坝后渗水严重，同时坝体变形较大造成坝顶防浪墙开裂、坝后坡局部隆起；MHY水库(沥青心墙坝，坝高69m)蓄水后，由于坝肩两侧绕渗，造成大坝局部产生变形破坏，如图10所示；坝高147m的JK面板堆石坝面板出现裂缝，2020年10月18日查明大坝25#—27#面板下部、高程686～688.7m附近存在错台和破损裂缝(最大错台35cm、张开15cm)，27#面板为明显吸入区，18#面板裂缝分布密集，主要为高程700m以下，且大部分延伸至水下，19#面板近面板缝破损部位隆起，下部有空腔现象。

图10 MHY水库墙体拉裂及护坡隆起

实践表明：混凝土面板产生大的裂缝主要原因不是混凝土不密实，而是由于大坝的不均匀变形过大导致的，提高抗渗、抗冻、强度等级也不能从根本上解决问题。根据面板裂缝的类型及成因，可将其分为三类[19]。一是填筑质量不到位致使垫层料流失，造成面板破裂；二是由于防渗措施不到位，造成坝体两侧绕渗，致使面板产生局部变形破环；三是由于坝体分区填筑，先填筑的坝体相较于后填筑的坝体后期沉降量小，故产生了较大的沉降差异致使面板产生了错台和破损裂缝。

2.5 泄水与安全问题

关于土石坝泄水与安全方面的突出问题主要有两点。一是因受当时经济条件和建筑材料局限，大部分泄水建筑物砌体结构的砂浆都是由黄泥、石灰、水泥混合成的浆料，其强度、耐磨性、抗腐蚀性等均较低[20]，从而造成了泄水建筑物裂缝、磨损等问题。如新疆W水库为Ⅲ等中型工程，泄水建筑物由溢洪洞、泄洪冲沙兼导流洞组成。水库工程自截流以来，由于一直未下闸蓄水，深孔泄洪冲砂洞长期处于导流状态，已经历8个汛期，混凝土长期受泥沙磨蚀，建筑物过流面破坏，如图11所示。2014年以来，建设单位对深孔泄洪冲沙洞进行较大规模的修补共有3次。N水库为中型水库，2019年11月对导流兼泄洪冲沙洞检修时发现，导流兼泄洪冲沙洞有压洞洞身段洞内混凝土衬砌段底拱磨损严重，部分钢筋外露，甚至受力筋被磨断，如图12所示。二是由于当时设计不够完善，现行管理调度分配不够合理，且大多数都已是超期服役造成的局部冲刷破坏问题。S水库主坝段为重力坝(泄水坝段)与土石坝组合，由于超限蓄水，遭遇强降雨时紧急下泄超量洪水，造成了下游挡墙局部冲刷破坏。

图11 W水库深孔冲沙泄洪洞磨蚀破坏

图12 N水库底孔泄洪洞磨蚀破坏

2.6 生态与保护问题

绿水青山就是金山银山，目前生态保护已提到了相当的高度，水利工程建设也不例外，在合理布置挡水坝、溢洪洞/道、放空洞等建筑物时均需考虑设置集鱼设施，保护鱼类多样性。但目前多数水利工程没有充分地处理好二者之间的关系，对下游集鱼设施干扰较大[21]。水利工程规模大，修建过程中难免会有大面积开挖及弃料的堆积问题，这将会导致原有的植被破坏，进而导致水土流失，严重影响水库区域的生态环境。水库上游两岸边坡一般都会人工种植植被以加固其稳定性，而下游边坡不影响工程安全，通常被忽略。据统计，全疆每年的除险加固水库中，就有1.5×108m2的下游坝坡植被遭到破坏，水土流失严重，土质松散裸露，在降雨天气时极易造成冲刷导致泥石流。

2.7 设计与变更问题

水库大坝的建设地点大都远离城市，深居沟壑山谷之间，极为偏僻，这就对勘测现场带来了极大的挑战，加之规划设计精度不足而未能结合实际情况合理规划，导致工程规划效率和质量不高。在实际工程建设中，因前期地勘工作不扎实，未能对地下水或岩层稳定性作出准确的判断，都会直接影响工程建设质量[22]。在水库后期运行中，因当时的技术条件限制，监测设计系统也不够完善，起不到监测大坝安全运行的作用[23]。

随着技术的发展，建设模式也发生了变化，由业主负责制到EPC、PMC、PPP、代建制、特许经营等；资金投入渠道也多元化，由政府投入到政府和社会资本(私营、民营等)投入多元化；审查体制也发生了变化，由政府专业部门主导审查到购买服务(政府委托社会机构评审)。这一系列的变化也产生了未批先建、设计漏项、批了未建等一系列问题。现代水利工程建设模式多元化不同方式中原建设管理单位的作用与建设资金的适用如何对待，一般代建费用和项目管理费用不得超过建设管理费，实际执行中怎么确定，是否能控制住，还有待进一步完善解决。

3 土石坝突出问题的对策

3.1 提高筑坝标准，增大超泄能力

新疆山区河流少缺少水文资料，土石坝设计洪水标准的准确确定存在很大难度，且小型土石坝防洪库容有限，洪水调节能力差。再者小型土石坝筑坝材料主要由砂砾石和石渣组成填筑标准较低，抗冲能力较弱。因此，在遭遇超标准洪水时，土石坝极易发生漫坝，很容易因水流冲刷导致溃坝。在不大幅增加建设成本的条件下，为了保障下游人民生命财产安全，作者等[24]提出了“漫而不溃”理念，为超标准洪水条件下土石坝应急抢险争取时间。土石坝传统的布置由挡水坝、泄洪表孔和防水底孔三大构件组成，为了抵御超标准洪水，可采取以下3种措施：一是溢洪道加宽方案，根据坝址处地形地质条件适当加宽溢洪道，在条件允许的情况下尽可能的使用超泄能力强的正堰溢洪道；二是增加泄洪底孔方案，目前大多数工程中的泄洪底孔“一孔多用”，而未真正发挥其泄洪功能，因此可考虑增设泄洪底孔承担部分泄量；三是坝体承担泄流方案，根据土石围堰临时过水断面实践和堰塞坝过水溃决过程的观测，砂砾石或堆石填筑的坝体在洪水漫顶时，溃口的发展具有一定的过程，大坝溃决是随着溃口逐步发展扩大直至最后溃坝的，有一定的时间过程。如射月沟水库在抵御超标准洪水时坝顶过流约1h，坝体基本完好，仅在水库左侧发生破坏；榆树沟水库在坝体上增设溢洪道，实践证明运行良好，做到“漫坝不溃坝”。而对于山区小型土石坝，其洪峰过程通常是较短的，若对坝体进行加固，使其能够抵御洪水过程的冲刷，延缓溃口发展，从而为应急抢险留出时间，甚至保障大坝安全，则从设计上可考虑坝体断面过流实现“漫而不溃”设计功能目标。

3.2 库外拦沙，库内排沙

水库泥沙淤积问题是水利工程建设高度关注的重点问题，也有不少学者作出了大量的研究论证，目前应用最广泛的是库外拦沙、多排出库和机械排沙3种方式。一是库外拦沙，利用拦门沙、拦泥坝等措施尽可能的将泥沙拦截在库外，并应增加上游植被覆盖率，防风固沙，从源头治理水库泥沙淤积问题。二是多排出库，主要包括蓄清排浑、泄降冲沙、泄空冲沙、异重流排沙、调水调沙、管道排沙、高水位排沙输沙等。根据水库蓄水情况、水流流态以及发电灌溉要求等，灵活应用不同的排沙方式。利用排沙洞高流速阶段性冲沙，对于大型河道水库，蓄清排浑是长期保持库容的有效方法。三是机械排沙，机械排沙是利用吸、抽、挖的办法，将库中淤积的泥沙排出库外。目前，应用最广泛的是挖泥船作业，自吸式输沙管道技术最可行，但造价较高，并未大面积使用[25]。

3.3 墙幕结合，一墙到底

心墙坝多采用两岸心墙混凝土基座范围内进行固结灌浆及帷幕灌浆，河床覆盖层设一道混凝土防渗墙防渗；面板坝基本与心墙坝相同，趾板与防渗墙之间加设连接板。N水库在初期蓄水过程中，渗压计显示大坝绕坝渗流随库水位的上升相继出现渗压水头。当库水位蓄至2472.8m高程时，坝后坡脚出现渗流，遂将水位缓慢降低至2470.0m左右，继续加强观测，采取左岸及坝后增设测压管，坝后增设排水沟及简易量水堰等措施，目前综合多种渗漏检测手段查找渗漏原因，正在采用帷幕灌浆处理。大西沟水库在大坝基础处理灌浆后发现透水率大于灌浆前，岩石声波探测仪显示波速有所下降。因此，该工程的固结灌浆和帷幕灌浆均不符合设计要求。主要原因是坝基岩体裂隙较为发育，无完整的坝基岩体，建坝地质条件较差；坝基压力水温度较低，约为6℃；河床段坝基有硫化氢气体出逸，基岩裂缝较多，容易构成渗漏通道；前期灌浆压力过大，可能导致岩体破碎程度加剧，地下水涌水量增加。通过大量工程实践表明，快硬硫酸盐水泥具有短时间内凝结的能力，可用于此类工程中解决基础处理的难题。

3.4 严控筑坝质量，新型材料补缝

新疆多数面板堆石/砂砾石坝都研究过钢筋混凝土面板、预应力面板、分离式面板的裂缝防治问题，研究探讨了多种措施，取得了一定成果。当前普遍采用聚氨酯或聚脲涂层进行涂刷处理，但也存在“看不见”的争议。JK大坝为抢发电工期，擅自提高蓄水水位，预埋件连接不牢固，未按设计要求进行加固处理，发生封堵闸门击穿事故。B水库导流洞出口挡墙宽12.5m，高13m，采用钢筋混凝土结构。原设计中挡墙与岩石开挖面紧密结合，因开挖造成挡墙边墙与开挖面造成较大空隙，应采用混凝土回填，但因采用石渣快速回填造成挡墙倾覆断裂。M水库为小(1)型水库，鉴于当时百米级覆盖层处理难度较大，采用面板砂砾石坝与库盘土工膜防渗组合方案，入库采用分级跌水，经查证未见同类布置形式。原设计为20cm混凝土板，初期过水超过145m3/s时入库陡坡产生结构破坏，后改用50cm现浇混凝土修复后，运行良好。

3.5 生态护坡，鱼类保护

鱼类保护措施主要有鱼类增殖放流，最常用的过鱼设施包括仿真鱼道、鱼梯、升鱼机(斜坡式、垂直式、缆机式)、集运鱼船，运鱼车等，也可根据实际情况采取一次性捕捞过坝的方式，但更重要的是建立水库鱼类生态保护制度。与此同时，水库上下游岸坡的生态保护也是不容忽视的，目前边坡生态恢复技术因综合效益最佳应用较为广泛，改善岸坡的生态环境不仅是大政方针要求，而且也可以在最大程度上减少水土流失，降低库岸坍塌的风险隐患。以和田地区喀拉喀什河上的国家4A级乌鲁瓦提风景区为例，努力打造了景区、水库相融合的水利文化旅游新格局。