混凝土坝破坏模式及溃口几何参数探讨

2022-08-24杨彦龙沈海尧

大坝与安全 2022年3期

杨彦龙，沈海尧，黄维

（国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，311122）

0 引言

溃坝是一个低概率高风险事件，1954—2018年，我国共有3 541座大坝发生溃决，95%以上为土石坝，近20年（2000—2018年）共溃坝84座，年均溃坝率降至0.45×10-4[1]。由于混凝土材料强度高，相对土石坝，混凝土坝溃坝事故较少。截至2020年12月，在国家能源局注册大坝共565座（另有备案大坝47座），其中混凝土坝和浆砌石坝共422座，土石坝143座，混凝土坝和浆砌石坝所占比例约75%[2]，虽然未发生过溃坝等重大恶性事件，但在运行中也曾出现过洪水漫顶、坝基错动、坝体结构损坏、水淹厂房等险情[3-4]。

考虑到溃坝洪水对下游人民生命财产的潜在影响，国内外大坝安全监管中，均有编制应急预案或应急行动计划（EAP）、绘制溃坝洪水淹没图的要求。如新西兰2014年7月颁布的《建筑（大坝安全）条例》中，要求中、高潜在风险大坝制作溃坝洪水淹没图；英国所有水库的溃坝洪水风险图均已制作完成，并在网上向公众公开；2006年3月，中国国家防汛抗旱总指挥部办公室以办海〔2006〕9号文印发了《水库防汛抢险应急预案编制大纲》；2018年12月，国家能源局发布了DL/T 1901-2018《水电站大坝运行安全应急预案编制导则》。按照大纲和导则要求，水库（水电站）大坝均应编制应急预案，并提供大坝失事后洪水淹没图。溃坝洪水淹没图必须准确地描绘出“可信的最坏情况”即大坝溃决后的影响。溃坝洪水淹没图绘制需要开展溃坝洪水计算，计算结果的可信度取决于计算工况假定，故需要分析判断大坝溃决原因、破坏模式及溃口参数、溃决历时等，如果参数选取不切实际，可能导致对淹没面积的低估或高估。

溃坝洪水计算分析一般需要从历史溃坝案例中了解溃坝特征。可参考的溃坝资料大部分是关于土石坝的，其冲刷破坏导致逐渐溃决的机理较为明确。目前有关土石坝溃坝模式和溃坝路径的研究相对较为充分，但针对混凝土坝溃决模式及溃口尺寸的研究较少。混凝土坝溃坝接近瞬时溃决，预警时间短，造成的后果更为严重，如何较合理地确定其溃口范围及尺寸一直是溃坝洪水计算的难题。

方崇惠[5-6]提出了拱坝单元组和整个结构体系可靠度计算方法，来评估拱坝溃口发生部位、范围，并根据结构承载能力可靠度评价指标确定溃口几何尺寸；卓福涛、王兴旺等[7-8]结合锦屏一级拱坝论证了坝体和断层超载时裂缝和破坏的演化过程，狭窄河谷拱坝整体稳定性和安全性较高，其破坏部位多以地基为主，而宽河谷拱坝则多以坝体为主；傅忠友、张士辰[9]结合工程实例分析了重力坝溃决模式和溃决路径。本研究收集了国内外混凝土坝溃坝案例资料，总结分析了混凝土坝的主要溃坝原因及潜在破坏模式，研究探讨其内在规律和联系，为混凝土坝溃口参数确定提供参考。

1 溃坝案例统计分析

1.1 溃坝数据库

表1 历史混凝土坝溃决信息统计Table 1 Statistics of historicalconcrete dam failures

表1 历史混凝土坝溃决信息统计（续2）Table 1 Statistics of historical concrete dam failures

表1 历史混凝土坝溃决信息统计（续1）Table 1 Statistics of historical concrete dam failures

1.2 典型溃坝案例

（1）意大利格莱诺混凝土连拱坝最大坝高46 m，水库总库容4 500万m3，1923年完工。工程完工后40 d，受强降雨影响，水库蓄满后，大坝的一个支墩开裂倒塌，并最终导致溃坝，造成至少356人死亡。大坝溃决是由砖石基础和上部结构之间的层间渗水引起的，最终溃口为80 m长的矩形溃口[13]。拱坝，最大坝高15.8 m，坝顶长50 m，1924年完工。1926年，由于上游3座小水库溃坝，溃坝洪水导致大坝漫顶溢流，水位高于坝顶2～4 m，漫顶水流淘刷左岸坝肩，最后坝肩破坏导致水库失事，大坝和坝肩连接段溃决，但大坝主体结构仍完整保留[14]。

图1 格莱诺大坝Fig.1 Gleno dam

图2 莫依河大坝Fig.2 Moyie River dam

（2）莫依河大坝位于美国爱荷华州，为混凝土

（3）美国加利福尼亚州的圣弗朗西斯重力坝坝高62.5 m，库容4 700万m3，1926年5月建成。1928年3月12日午夜，坝体突然溃决，溃坝洪水造成近450人丧生。该坝设计和施工中有不少不符合现代规范要求的情况，如没有进行基础灌浆、坝基排水不完善、未设检查廊道及伸缩缝、未考虑基础扬压力影响等。Rogers[15]提出的大坝破坏机制是发生在大坝左坝肩的大规模滑坡导致大坝坝踵位置出现张开，左岸坝段首先发生了破坏，然后诱发右岸坝段溃决，溃决后大坝只剩下右侧岸坡坝段和一块矗立在河谷中间的残留坝段，约80%～90%的大坝主体部分均溃决了。

图3 圣佛朗西斯大坝Fig.3 St Francis dam

（4）法国马尔帕塞混凝土双曲拱坝最大坝高66.0 m，水库总库容5 100万m3，坝顶长222.7 m，于1954年9月建成。1959年12月2日，大坝突然溃决，造成500余人死亡和失踪。大坝失事的根本原因[16]是左岸坝肩支座岩体正好是上、下游断层构成的断层破碎带岩体，大坝蓄水受力以后，上游断层受拉张开，断层破碎带物质抗剪和变形性能急剧下降，而下游断层处于受压状态，迫使坝基渗透压力升高，致使左岸坝体上举，左坝肩产生了变形和位移，水流持续淘刷，最后导致大坝溃决。

（5）中国福建梅花拱坝坝高22 m，坝顶长64 m，1981年3月完工。1981年9月18日13∶35，大坝溃决。现场调查显示，沿周向接缝的滑动导致大坝拱顶断裂[16]。

（6）巴西卡马拉大坝是目前唯一掌握的碾压混凝土重力坝溃决案例，坝高50 m，坝顶长约250 m，2002年竣工。首次蓄水时，大坝左岸坝趾发生渗漏，且渗漏量随着水位升高而增大，当时并未引起重视。2004年6月17日，遭遇强降雨之后，大坝左坝肩发生冲刷破坏，11 d后上部坝体溃决，留下一个约40 m宽的垂直侧面溃口，溃口底部延伸至大坝基础[17]，溃坝洪水导致5人死亡、20人失踪。

（7）第二次世界大战期间，德国的埃德尔和默内大坝遭到盟军攻击，爆炸在大坝上游表面产生缺口，导致大坝漫顶溃决。另一个遭到战争破坏的大坝是前苏联的Dnjeprostroj大坝，大坝被炸药引爆，形成一个200 m宽的缺口。

在政府强制推动的粗放发展模式之下，信用合作社与合作金库内部资金积累薄弱，信用合作社被时人称为“合借社”，合作金库股金也主要为国家行局所认购的提倡股，据合作事业管理局收集之全国410所合作金库股本情况看，除云南省外，全国合作金库股金构成中，合作社股占比仅11.8%，提倡股占比88.3%。个别省份提倡股比例可达95%以上。[15]合作金库与信用合作社几乎成为国家行局合作贷款的转贷机构。

图5 卡马拉大坝Fig.5 Camara dam

1.3 溃坝数据库分析

混凝土大坝失事大部分发生在1960年之前，59个溃坝案例中，1921—1960年期间占了23个（见表2）。随着现代设计和施工技术提高，1960年以后修建的大坝溃坝事故明显较少。2000年以后，只有2个混凝土坝溃坝事故，其中2021年印度Tapovan大坝溃坝原因主要为上游冰川断裂导致洪水。从溃坝数据库可知，混凝土坝溃坝案例中近一半是由基础或坝肩的破坏所致，大部分大坝失事发生在建设期或运行初期。

表2 不同时期混凝土坝溃坝数量统计Table 2 Statistics of concrete dam break in different periods

表1中的历史溃坝案例溃口宽度和高度一般通过现场调查得到，其中24个溃坝案例有较完整的溃口尺寸参数。按照调查的溃口宽度（BF）与坝顶长度（BD），绘制两者相关关系图，另外溃口宽度与总坝顶长度之比（即BF/BD）也绘制在图中，见图6。由图6可知，实际溃坝案例中BF/BD值离散性较强，溃口宽度与坝顶长度之间的关系不明显。

图6 混凝土坝溃决时溃口宽度（B F）与坝顶长度（B D）相关图Fig.6 Lorrelation dam between break width(BF)and dam crest length(BD)

大部分混凝土重力坝的溃口宽度为20～60 m，见图6中阴影部分。在24座大坝中，有13座大坝的溃口宽度在此范围内或更小。ANCOLD（2012）建议[18]，对于混凝土重力坝，在缺乏更多实质性信息的情况下，可考虑30%的坝段损失。在8个混凝土重力坝溃坝案例中，4个重力坝破坏符合BF/BD＞30%的标准，其中2个重力坝（Zebrino和Cascade lake）在整个坝顶长度上都发生了破坏（即BF/BD=100%）。图6中仅有2个混凝土拱坝发生破坏，其中Malpasset大坝几乎在整个坝顶长度上都发生了破坏（即BF/BD=100%），但Moyie river大坝仅坝肩失效，大坝相对完整，坝肩空隙宽度占坝顶长度的20%。

2 溃坝原因及破坏模式

2.1 溃坝原因

水文、地质、大坝结构、地震和人为影响等是造成大坝溃决的主要原因，溃坝原因及溃决模式描述见表3。

表3 大坝溃坝原因及溃决模式分析Table 3 Causes and modes of dam break

2.2 破坏模式

混凝土重力坝依靠自重在坝基面产生的摩擦力来抵抗水平向压力，以保持稳定，其溃决主要与失稳破坏有关，主要有3种潜在破坏模式：

（1）混凝土坝坝基受渗漏或其他因素影响，造成建基面阻滑力下降，当作用在大坝的水平向荷载超过坝体与地基之间产生的摩擦阻力时，发生沿坝基面的滑动破坏；

（2）大坝坝踵部位出现拉应力，导致大坝与建基面之间出现拉裂缝，拉裂缝本身不会使结构失效，但由于坝基的有效宽度随之减小，会产生过大的压应力，导致结构失效；

（3）重力坝产生的压应力超过允许应力时，大坝坝趾处混凝土可能会被压碎，造成混凝土坝体整体以底部建基面为转轴向下游倾倒，造成溃坝。

对于混凝土重力坝，短期的洪水漫顶一般不会导致重力坝失事，如四川官料河巴溪大坝、渔子溪小龙潭大坝分别因坝肩滑坡和特大洪水出现漫坝险情，漫坝后大坝主体结构仍完整，但洪水不能按设计路径下泄可能会造成下游坝趾与坝基被淘刷，进而可能影响大坝抗滑稳定性。当大坝基岩存在缺陷时，由于缺陷部位岩体的抗剪（断）强度降低，可能构成浅层或深层滑动面，对抗滑稳定性构成威胁。根据重力坝破坏试验研究[19]，重力坝超载破坏过程为：超载后首先坝踵出现开裂破坏，然后坝趾处出现压剪破坏，随着超载倍数的增加，裂缝沿大坝建基面逐步扩展，最终裂缝贯通，沿建基面出现失稳破坏。重力坝初裂超载系数为1～1.6，最终破坏超载系数为2.6。重力坝遭遇地震瞬时荷载时，超载能力较强，超载系数为2.5～3.5[20]。汶川地震中，宝珠寺重力坝遭受地震烈度为Ⅷ度，相当于水平峰值加速度0.2g，远超大坝设计地震0.1g，震后未见大坝明显震损[21]。

混凝土拱坝由水平拱圈和竖向悬臂梁共同组成，属超静定结构。拱坝所承受的水压力一部分通过拱的作用传给两岸坝肩基岩，另一部分通过竖向悬臂梁的作用传给坝底基岩。混凝土拱坝的破坏次数很少，明显少于重力坝，历史溃坝案例中，仅马尔帕塞和梅花大坝发生全面溃决。拱坝主要破坏模式有坝肩岩体失稳、超量开裂、整体失稳、极端漫坝、坝体沿建基面失稳等[22]。根据拱坝破坏试验研究[23]，拱坝破坏过程为：开始加荷载→第一条裂缝产生→裂缝发展→结构局部压碎→最终溃坝。大坝结构抗拉破坏超载系数K1=2.8，抗压破坏超载系数K2=6.6，丧失承载能力超载系数K3=8.8。在意大利瓦伊昂拱坝漫坝事故中第一次认识到了混凝土拱坝超载能力，1963年10月，瓦伊昂拱坝因滑坡造成涌浪，翻坝水流在右岸超出坝顶高度达250 m，左岸达150 m，据估计，滑坡过程中库水作用在拱坝上的动力荷载约为设计荷载的8倍，但坝体仍屹立不动，仅左岸坝顶有一段长9 m、深1.5 m的混凝土损坏。但也需考虑翻坝水流为动力瞬时荷载，应与永久静力荷载有所区分[16]。此外，拱坝抗震能力很强，坝高132 m的沙牌拱坝距离汶川地震震中32 km，抗震设防烈度为Ⅶ度，汶川地震在坝址处的烈度约Ⅸ度，震后检查时大坝未见明显结构破坏[24]。

3 溃口参数

我国溃坝洪水计算中，混凝土大坝溃口尺寸一般通过假定，具体依据DL/T 5360-2006《水电水利工程溃坝洪水模拟技术规范》：“拱坝、重力坝等坝型溃口采用瞬时全溃和瞬时局溃，溃口型式可近似为矩形和梯形，溃口最终尺寸根据坝型材料及坝址断面综合拟定”。由于各个工程运行性态和工程质量差别很大，实际溃坝计算中对规范要求的掌握存在较大差异，不少溃坝洪水计算中推荐采用全部溃决，导致溃坝洪峰很大，应急预案制定及实施难度很大，可能流于形式。

混凝土坝失事一般始于运行中出现不利变化，如上游特大洪水导致漫坝、坝基排水管堵塞或防渗帷幕破坏导致渗压升高、混凝土碱骨料反应导致强度降低、坝基老化、泄洪建筑物气蚀破坏导致泄洪通道受阻、地震荷载导致结构破坏等。结合大坝自身结构、地质条件、外部运行条件、风险源及运行缺陷，通过相应的稳定及应力分析计算，分析大坝潜在破坏模式，进而分析溃口尺寸相关参数。

对于部分工程规模较小的大坝，可以通过历史溃坝案例统计，根据经验假定溃口尺寸参数。从历史溃坝案例调查资料及溃坝照片中可以看出，坝址所在河谷的形状对溃口尺寸及参数起着重要作用，其中河谷形状需要考虑两岸坡度的突变，如圣弗朗西斯大坝和格莱诺大坝岸坡河谷坡度突变处都有很长的翼坝，溃坝均主要发生在深河谷，两岸翼坝并没有垮掉。

混凝土重力坝设计大都按单个坝段单独挡水设计，从历史溃坝案例来看，往往是几个薄弱环节的坝段溃决，为局部溃决。美国陆军工程兵团（USACE）建议使用若干坝段的长度作为溃口宽度[25]，而美国能源监管委员会（FERC）建议使用小于或等于整个大坝长度的一半作为平均溃口宽度[26]。混凝土坝溃口通常是矩形，溃决历时一般取0.1～0.5 h。混凝土拱坝依赖于坝肩的支持，如果一个坝肩崩溃，那么很可能整个大坝都会崩溃。混凝土拱坝最常见的位置是具有陡峭侧壁的深峡谷，假定溃口边坡的范围从垂直到谷壁坡度，溃口宽度一般取大坝全长的80%至大坝全长，溃决形成时间从瞬时到0.1 h不等。由于溃坝机理的复杂性，实际溃口尺寸拟定时，可以拟定若干溃口范围进行敏感性分析。