大坝溃决的主要原因分析

2.2.1 主要溃坝原因及其比例

根据最新的溃坝资料分析,我国已溃坝的主要原因可概括为洪水漫坝、各种大坝质量原因引起的溃坝、管理不当及其他。

从表2.5可见,漫坝是最主要的一种溃坝模式,所占比例已经达到50.2%,坝体质量问题引起的溃坝事件占34.8%,管理和其他形式引起的溃坝占11.4%。

从美国垦务局的溃坝统计资料看(见表2.9),漫顶和管涌也是占第一、第二位,和我国的情况基本类似。

表2.9　美国垦务局不同事故和溃坝模式的年平均概率统计资料[4]

2.2.2 漫顶导致溃坝

很多原因可以导致漫顶,进而发展为溃坝,往往一座水库大坝的漫顶是多种原因共同作用的结果。例如,浙江平阳的桥墩门水库,1960年8月10日(施工期)溃决,溃决前发生两次台风,共降雨946mm,库水位以2.02m/h的速度上涨,大坝发生滑坡,且无溢洪道,导致洪水漫坝。根据以上描述,至少可知有3种原因:超标准洪水、坝体滑坡和无溢洪道。又如,安徽汪洋水库,1969年7月14日溃决,降雨量为400多mm,超过了100年一遇洪水标准;溢洪道上拦鱼栅阻水,减小了溢洪道的过流能力;上游水库溃决,最终洪水漫坝。由于我国已溃水库的溃决记录不规范,特别是溃决原因说明简单,很难准确地对每一种原因予以准确的区分和表述。根据已溃坝资料和理论分析,导致漫坝的主要原因如表2.10所示。

表2.10　导致漫顶的主要原因表

续表

对于已溃决的大量小型水库来说,集中暴雨、防洪标准低、上游水库溃决、闸门故障、溢洪道泄流能力不够是资料中提及的最普遍的原因。

2.2.3 渗流破坏导致溃坝

渗流破坏是土石坝中最常见的病险症状之一。从机理上说,有4种破坏形式,即管涌、流土、接触冲刷和接触流土。但是不管是什么原因引起的渗流破坏,导致大坝溃决,总是表现为集中渗流,发展成为管涌、流土,冲刷周边通道不断坍塌、扩大,管涌无法控制而最终溃坝。管涌的部位可以在坝体、坝基、坝体和岸坡结合部或者坝下埋管和坝体结合部。另外一种是异常渗流导致坝体浸润线抬高,坝后大面积散浸,使得下游坝体稳定性下降而导致滑坡,引起坝顶高程不足,库水漫溢而溃坝。不管是那种渗流破坏形式引起的溃坝,在已溃坝的实例中都可以找到。

渗流破坏引起的溃坝和漫顶不同,不但在洪水期可能发生,而且在非洪水期也可能发生,即所谓的“晴天垮坝”。由于洪水期水位高、渗流坡降大,发生集中渗流破坏的概率比晴天的概率大得多。

四川江北龙井沟水库,为小(1)型水库,库容190×104 m3,1974年3月18日,由于坝体质量差,发生集中渗流而晴天溃坝。

四川凉山彝族自治州会理县大路沟水库,由于连续降雨,库水位上涨,2001年10月3日9时10分,在大坝外坝坡中部距坝顶约1/3坝高处,突然发现坡面杂草异动,紧接着听见水流声音,外坝坡局部隆起,大量泥沙涌出,大坝中部开始溃决。从发现异常至大坝全部溃决,历时仅10余min。主要原因包括:①白蚁建巢,坝体内形成漏水通道;②工程质量差;③连续降雨,库水位上涨快;④管理人员未能及时发现。

贵州威宁县长海小(2)型水库,总库容41×104 m3,大坝坝体选料不当,施工夯实差,反滤设施偏小、偏低,导致坝体浸润线高,背水坡出现大面积渗流,引起滑坡,于1995年10月3日溃决。

上述几例溃坝实例,都是由于渗流破坏而最终导致溃坝,但引起异常渗流的原因又是多种多样的,在一个案例中可能存在多个原因。表2.11是渗流破坏的一些主要原因。

表2.11　导致渗流破坏的主要原因

2.2.4 结构破坏

结构破坏包括两大部分内容:①坝体过度变形造成大坝裂缝;②大坝整体失稳。

(1)大坝裂缝。几乎所有的大坝都有裂缝,关键是这些裂缝是否会发展成为大坝溃决的因素。(www.xing528.com)

裂缝都有个发展过程,一旦裂缝发展到某种程度,就可能成为大坝溃决的隐患。如果裂缝是贯穿性的横向裂缝,则可能成为集中渗流通道,导致大坝渗流冲刷破坏,可能溃决。即使是表层裂缝,虽然在正常高水位以上,但洪水期库水位上升时,也有可能成为过水通道,危及安全。而且,汛期多雨水,雨水深入裂缝,将加速裂缝的发展。

如果是纵向裂缝,则可能是坝体整体破坏的前兆。如果裂缝两端向上游或下游发展,则更有整体滑动的可能;再遇到汛期雨水多,雨水进入裂缝,将加速滑动的发生。

如果是水力劈裂的水平裂缝,属于深层内部裂缝,难以发现,危险性较大,即使没有发展成为贯穿性裂缝,但已经使得渗径缩短,坡降增大,较易发展成为集中渗流通道。在以往集中渗流破坏的实例中,由于水平裂缝难以发现,往往将其归结为坝体存在薄弱水平层。

综上所述,大坝过大变形引起的裂缝虽是多见病、常发病,但和渗流破坏或整体失稳相联系,应引起充分重视。表2.12是土石坝裂缝主要原因分析表。

表2.12　土石坝裂缝主要原因分析

(2)整体稳定破坏。引起大坝整体稳定破坏的原因很多,如表2.13所示。

我国已溃坝中有110例是由于各种条件引发的失稳滑动导致大坝溃决。青海省1993年8月溃决的72m高的沟后面板砂砾石坝,就是由于坝顶局部滑动后,在渗流破坏作用下,引发下游坡后退式滑动,形成溃口而失事。

2.2.5 溢洪道

溢洪道破坏是指溢洪道质量差,在泄洪过程中被冲毁,或者由于溢洪道和坝体、坝基结合不好,发生接触冲刷而导致溢洪道冲毁。溢洪道上闸门和结构方面的问题、溢洪道岸坡滑塌引起溃决部分已包括在漫顶部分。这两类破坏中,前者为193例,后者为18例。以下是一些典型的实例。

表2.13　大坝整体稳定破坏可能原因分析

黑龙江省望奎县双红水库,库容1010×104 m3,坝高5.5m。1960年7月10日,上游降雨,库区以上4个水库相继决口,库内蓄水由250×104 m3增至400×104 m3,在溢洪道与坝接合处冲开,决口溃决。

黑龙江宾县二龙山水库,库容2000×104 m3,最大坝高9m,在坝上做临时溢洪道度汛。1959年8月22日,30h内上游降雨99mm,洪水将溢洪道右侧边墙连接处冲开,溢洪道全部冲毁,决口溃坝。

新疆阜康市红山水库,库容310×104 m3,砂壳粘土心墙坝,高34m。1996年7月20日15时20分,溢洪道西侧发生管涌;16时30分,溢洪道西侧溃决。

2.2.6 坝下埋管

我国坝下埋管隐患特别严重,坝下埋管质量差。很多小型水库的坝下埋管是陶管,有的甚至是大树中间掏空后用做输水管,有的没有衬砌,埋管周围填土碾压不密实,和坝体结合部无截渗环等防渗措施,还有的改变功能,用做压力管道。因此,由于坝下埋管渗流破坏或埋管破坏后的库水直接冲刷引发的溃坝事件多达150例。

2001年10月3日14时,新疆墨玉县雅瓦第二水库发生垮坝。发生垮坝时,当地无降雨,相应库容为280×104 m3。大坝为均质土坝,坝长2700m,最大坝高7m,筑坝材料是粉砂土。坝基没有进行防渗处理,坝体填筑碾压不够密实。放水闸室与坝体结合部的接触冲刷严重,渗漏状况已经恶化。2001年9月中旬,水库开始冬播放水。10月2日12～16时,放水流量由1.31m3/s减小到0.78m3/s。10月3日4～8时,流量减小到0.13 m3/s。当日14时,放水闸处发出异常的刹车声响,闸室下游出口处喷出一股黑色水柱,高约2m,随即闸室开始整体下沉,约30min后,放水闸室全部没入水中,致使土坝溃决。从放水闸发现异常,到坝体决口达80m宽,水库蓄水基本泄空,持续时间约5h。

新疆五家渠市八一水库于1957年修成,总库容3000×104 m3。2004年1月21日13时,水库泄洪闸坝段土坝接合部发生管涌,库容为2300×104 m3。1月22日早晨6时许,管涌直径很快由2m扩大到8m,大坝溃决。

2.2.7 其他

其他原因主要包括管理、设计不当,库区塌方,水库淤积,原因不清等。

不少小型水库无人管理,缺乏维护,溃坝后原因都搞不清楚。有的盲目蓄水,擅自抬高汛限水位,抬高溢洪道底板高程,在溢洪道上筑临时子堰挡水,导致漫坝溃决。有相当数量的小型水库无溢洪道,洪水接近坝顶时,人工扒口泄洪,导致溃决。各省都有类似的例子。有的无任何监测和巡视,盲目运用,导致溃决等。

对于西部来说,还有一类溃决是由于淤积引起。有的水库淤积过半,占用了防洪库容,较大洪水时漫顶溃坝,在黄土地区发生较多。

也有的水库近岸库区塌方,引起涌浪翻坝,导致溃坝。例如,甘肃庄浪县史家沟水库,土坝坝高28m,总库容85×104 m3,无溢洪道。1972年建成,1973年8月24日10时30分至25日5时30分,上游连续降雨105mm,25日5时10分,洪水漫顶,同时水库左岸滑坡崩塌,击水起浪,浪高超过坝顶3.06m,洪水冲上左岸,淹没施家沟村。