土石壩出險潰壩成因分析與處理措施

楊朝娜

（太原理工大學(xué)，030013，太原）

我國土石壩工程建設(shè)歷史久遠(yuǎn),早在3 000年前就開始建造，20世紀(jì)50—70年代達(dá)到建設(shè)高峰，是發(fā)展最快、應(yīng)用最多的一種壩型。但是，受限于新中國成立初期筑壩技術(shù)落后、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏低、工程質(zhì)量較差，加之多年運(yùn)行、管理不到位以及工程老化等問題集為一身，土石壩成為病險水庫。本文分析了我國土石壩潰壩成因，探求其不安全因素由量變到質(zhì)變的發(fā)展規(guī)律，提出土石壩潰壩的預(yù)防與病險處理措施，以期最大限度地避免或減少潰壩事件的發(fā)生。

一、土石壩出險潰壩的成因及其分析

土石壩潰壩的成因雖然很多，但也有規(guī)律可循。因此，在土石壩水庫運(yùn)行過程中不斷加強(qiáng)巡查和觀測，對隱患成因和規(guī)律及時進(jìn)行總結(jié)分析，針對險情成因準(zhǔn)確地制定科學(xué)處理措施，可以避免或減少潰壩。

1.滑坡（脫坡）

壩體滑坡或脫坡，主要是邊坡失穩(wěn)下滑造成的險情，開始在大壩頂部或邊坡上出現(xiàn)裂縫，隨著裂縫的發(fā)展形成滑坡，造成大壩失穩(wěn)導(dǎo)致潰壩。壩體滑坡的主要原因：一是大壩高水位持續(xù)時間較長，臨水坡土體大部分處于飽和狀態(tài)，在滲透壓力作用下浸潤線升高，土體剪切強(qiáng)度降低。當(dāng)水位驟降，臨水坡失去外水壓力支持，加之土體自重增大的情況下，壩體可能引起失穩(wěn)滑動。特別是壩坡過陡時，上游水位發(fā)生驟降更易引起滑坡。二是大壩下游排水系統(tǒng)損壞，壩體浸潤線過高，下游浸水面增加，土體剪切強(qiáng)度降低。三是壩身為透水性較大的土料填筑，而背水坡是透水性較小的土料，在高水位運(yùn)行時間較長，壩內(nèi)的水不易排出，抬高了浸潤線，加大了滲水壓力。四是大壩本身穩(wěn)定安全系數(shù)不足，加之持續(xù)降雨時間過長，壩頂、壩坡土體大部分處于飽和，引起壩體失穩(wěn)滑坡。五是風(fēng)浪過大，波峰高涌，大壩臨水坡在風(fēng)浪一涌一退的連續(xù)沖擊下，大壩土料或護(hù)坡被水流沖擊淘刷，造成滑坡坍塌險情導(dǎo)致潰壩。

2.漏洞

土石壩長時間在高水位運(yùn)行的情況下，大壩背水坡及坡腳出現(xiàn)漏洞，隨著漏洞的發(fā)展，土石壩就會出現(xiàn)塌陷甚至潰壩。出現(xiàn)漏洞險情的主要原因：一是土石壩填筑質(zhì)量差，均質(zhì)壩身夾有沙土，或筑壩土料有機(jī)質(zhì)多，或工段之間接縫處理不好，或存在水平薄弱層，又無防滲斜墻而產(chǎn)生漏水。二是白蟻、獾、狐、鼠等動物在壩內(nèi)作洞穴。三是壩體與涵閘、溢洪道、輸水洞等建筑物接合處填筑不密實(shí)，高水位運(yùn)行時細(xì)土料被帶出形成漏洞。四是對沿壩基下舊涵洞、戰(zhàn)溝、碉堡、坑窖和埋葬的棺木等，拆除或處理不徹底，給大壩滲漏留下通道。

3.滲水

高水位運(yùn)行時間較長，在滲透壓力作用下，壩前水向壩身內(nèi)滲透，在背水坡形成上下干濕兩部分，分界線為浸潤線。線下土體濕潤，有水滲出的現(xiàn)象稱為滲水。土石壩滲水的主要原因：一是水位超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)時間較長，壩體水力劈裂產(chǎn)生水平裂縫。二是大壩斷面不足，背水坡偏陡，浸潤線抬高，在背水坡上出逸。三是壩體下游沒有反濾體，或反濾體沒有滿足反濾要求，浸潤線抬高，滲水從坡面逸出。四是上游鋪蓋的防滲能力不足或長度厚度不夠。五是大壩土質(zhì)多沙，透水性強(qiáng)，又無防滲斜墻或其他控制滲流的工程設(shè)施。

4.管涌

土石壩高水位運(yùn)行時，在大壩背水側(cè)平地上出現(xiàn)如同沸騰開水一樣的翻沙，冒孔周圍形成一個或多個沙環(huán)。如不及時處理，帶出的沙粒增多就會把壩基淘空，形成管涌導(dǎo)致潰壩。出現(xiàn)管涌的原因一般是大壩下有強(qiáng)透水層，在高水位時由于滲水流經(jīng)強(qiáng)透水層，水流損失小，大壩背水坡地表的覆蓋土層下面承受很大的水壓力，壓力水流沖破覆蓋土層就會將粉砂、細(xì)砂土等隨水帶出，形成管涌；或者在背水坡腳以外地面因取土、開渠、鉆探、基坑開挖及歷史潰口留下沖潭等，破壞表層覆蓋，在較大的水力坡降作用下沖破土層，將壩體中的粉細(xì)砂顆粒帶出而發(fā)生管涌。

5.裂縫

裂縫是土石壩常見的一種險情。裂縫以橫向裂縫和滑坡裂縫危害最大。裂縫產(chǎn)生的主要原因：一是大壩基礎(chǔ)地質(zhì)、物理力學(xué)性質(zhì)差異大?；A(chǔ)邊界條件變化，填土高差懸殊，壓縮變形不同，均可引起不均勻沉陷裂縫。二是大壩與剛性建筑物接合不好，在不均勻沉陷以及滲水作用下引起裂縫。三是施工段接合部位出現(xiàn)不均勻沉陷裂縫。四是在高水位滲流作用下，背水坡抗剪強(qiáng)度降低，或臨水坡水位驟降，或壩腳被淘空，均有可能引起滑坡性裂縫。五是施工中土料含水量大，或采取黏性土填筑引起干縮，或冰凍裂縫，或用淤土、凍土、硬土塊筑壩，出現(xiàn)各種裂縫。六是振動，如地震、爆破造成大壩基礎(chǔ)或壩身砂料液化引起裂縫。

6.漫溢壩頂

土石壩，特別是純土壩，當(dāng)水溢滿壩頂時會將壩頂沖毀而降低壩的高度導(dǎo)致潰壩。造成洪水漫頂?shù)闹饕颍阂皇巧嫌伟l(fā)生特大的洪水，來水量超過水庫設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。二是施工時大壩填筑未達(dá)到設(shè)計高程，或土方填筑時夯實(shí)密實(shí)度不夠，大壩運(yùn)行沉陷量大，無法達(dá)到壩頂設(shè)計高程，或壩頂行車、人為取土、開挖過壩路等，使大壩實(shí)際高程低于設(shè)計高程。三是遇惡劣的氣候條件，風(fēng)浪過大。四是上游漂浮物堵塞溢洪道、泄洪洞，使水位壅高，泄水?dāng)嗝鏈p小。

7.泄洪建筑物出險

大壩上的涵閘等泄洪建筑物出險，致使?jié)蔚闹饕颍阂皇怯捎趬误w、溢洪道或泄洪洞與所在的山體發(fā)生不均勻沉降，致使泄水建筑物發(fā)生斷裂、裂縫或坍塌。二是放水涵洞的涵管有質(zhì)量問題，或年久老化損壞出現(xiàn)漏水，致使涵洞管涌，大壩坍塌潰決。三是壩體和涵閘接合部填筑質(zhì)量差，出現(xiàn)滲水或漏洞。四是建筑物閘、涵基礎(chǔ)下地基發(fā)生嚴(yán)重滲透破壞，地基土大量流失，造成閘、涵本身塌陷、斷裂、下沉，甚至導(dǎo)致大壩潰決。

二、土石壩險情處理措施

1.滑坡處理

一是固腳阻滑。大壩滑坡的主要險情在于內(nèi)脫坡，有條件的水庫應(yīng)立即停止放水。在保證大壩有足夠的擋水?dāng)嗝娴那疤嵯拢瑢⒒麦w主裂縫上部進(jìn)行削坡減載。同時在滑坡體坡腳外緣拋塊石或沙袋等，作為臨時壓重固腳措施，阻止繼續(xù)滑動。二是濾水土撐。對于背水坡局部滑坡，滑坡土體較小、裂縫錯位不大時，在其范圍內(nèi)全面搶筑導(dǎo)滲溝，導(dǎo)出滑坡體滲水，降低浸潤線，并采取間隔搶筑透水土撐，防止背水坡繼續(xù)滑坡。三是濾水后戧。對于背水坡滑坡險情嚴(yán)重，在其范圍內(nèi)全面搶筑導(dǎo)滲后戧，既能導(dǎo)出滑坡體滲水，降低浸潤線，又能加大大壩斷面，可使險情區(qū)域穩(wěn)定。四是臨水截滲。臨水坡滑坡，采用搶筑黏性土戧截滲。背水坡滑坡嚴(yán)重，范圍較廣，在背水坡?lián)屩V水土撐、濾水后戧及濾水還坡等工程。

2.漏洞處理

一是迎水坡堵塞。先摸清洞口位置及洞口大小，如果洞口較小，周圍土質(zhì)堅硬，可用大于洞口直徑一倍的鐵鍋扣住，或用軟楔、草捆等堵塞洞口，四周用土袋；如果洞口土質(zhì)軟化，又有多個洞口，可用棉絮順坡鋪蓋，上面再壓土袋。漏洞堵塞后，在壓土袋處用透水性較小的散土順坡推下，幫坡截滲。如果迎水坡無明顯洞口，也可以用含水量較高的黏土順坡拋填，減少滲水浸入。二是抽槽截流。對于壩身斷面面積較大，人力器材充足，漏洞距壩頂不深時，在大壩中心挖一平行壩軸線的溝槽，槽寬0.6～0.7 m，深達(dá)漏洞以下，找出漏洞通道后，立即用棉絮、木板等堵塞斷流，再以干土回填夯實(shí)。三是圍井導(dǎo)濾。在迎水坡難以找到洞口的情況下，在背水坡面漏洞出口周圍，用土袋做成圓形濾井，然后依次鋪粗砂、碎石、塊石等，各層厚20～30 cm。圍井高度視其情況確定，只要使水流不挾帶泥沙流出即可。當(dāng)庫水位降低后再根據(jù)情況采取具體措施處理。

3.滲水處理

大壩防滲處理的主要措施：一是反濾導(dǎo)滲。這種方法又可分為反濾溝導(dǎo)滲和反濾層導(dǎo)滲。反濾溝導(dǎo)滲是當(dāng)大壩背水坡大面積嚴(yán)重滲水時，開挖導(dǎo)滲溝，鋪設(shè)反濾料、土工織物和加筑透水后戧等辦法引導(dǎo)滲水排出，降低浸潤線，具體采取砂石、土工布、梢料等導(dǎo)滲溝。如果遇到壩身含水過多、土質(zhì)稀軟、開溝困難時，采用邊開溝邊導(dǎo)滲處理。反濾層導(dǎo)滲是對大壩透水性較強(qiáng)、背水坡土體過于稀軟、利用導(dǎo)滲溝確有困難，同時反濾料又很方便時可采取這種方法。具體是在滲水邊坡上鋪滿反濾層使水滲出。二是臨水截滲。為了減少向大壩的滲水量，降低浸潤線，控制滲水險情的發(fā)展，一般根據(jù)臨水深度、流速，風(fēng)浪的大小，取土的難易，采取土工膜截滲、拋黏土截滲、土袋前戧截滲。三是透水后戧。此法既能排出滲水，防止?jié)B透破壞，又能加大大壩斷面，達(dá)到穩(wěn)定邊坡的目的。一般適用于大壩斷面單薄、背水坡較陡、滲流嚴(yán)重的情況。具體根據(jù)實(shí)用材料不同采用沙土后戧、梢土后戧等措施。四是黏土防滲墻。套井回填黏土防滲墻處理，用于均質(zhì)土壩和寬心壩的滲漏處理，具體做法是利用沖抓式打井機(jī)，在壩體的滲漏區(qū)中打井，用黏土料進(jìn)行分層回填夯實(shí)，形成一個連續(xù)的截水墻，截斷壩身或壩基的滲流。

4.管涌處理

一是反濾圍井。在翻沙鼓水處搶筑反濾圍井，防止涌水帶沙，險情擴(kuò)大。具體的做法主要是砂石反濾圍井、土工布反濾圍井和梢料反濾圍井。二是減壓圍井。在大壩背水坡腳附近險情處使用土袋搶筑圍井，壅高井內(nèi)水位，減小水頭差，降低滲透壓力，減少水力坡降，防止?jié)B透破壞，穩(wěn)定管涌險情，具體做法有無濾層圍井、無濾層水桶、背水圍埝。三是透水壓滲臺。將管涌附近搶筑范圍的雜物清除，對嚴(yán)重管涌的水口用磚石填塞，待水勢消殺后，用透水性大的沙土修筑平臺，即為透水壓滲臺。

搶筑透水壓滲臺可以平衡滲壓，延長滲徑，減小水力坡降，防止土沙細(xì)粒流失，使險情趨于穩(wěn)定。四是水下反濾層處理。在坑、水溝和水渠等水下出現(xiàn)涌泉時，采取方法為水下反濾層，抬高坑、溝渠水位等。五是“牛皮包”的處理。針對地表土層系草根或其他膠結(jié)體，把黏土層凝結(jié)在一起，滲透水壓未能頂破表土而形成的鼓包。一般在隆起部位鋪麥秸或稻草厚10～20 cm，上鋪厚20～30 cm的柳枝、秫秸或蘆葦，然后壓土袋和塊石。

5.裂縫處理

一是灌堵縫口。已經(jīng)穩(wěn)定而又不甚嚴(yán)重的縱向裂縫，用干而細(xì)的砂壤土從縫口灌入，再用板條或薄竹片搗塞堅實(shí)。灌塞后沿裂縫做寬5～10 cm、高3～5 cm的小土埂壓住裂縫，以防雨水流入。二是開挖回填。沿裂縫開挖一條溝槽，深度以看不見裂縫為止，寬度以不致坍塌并便于施工為度，溝的兩頭超出2 m為宜。選用與壩土種類相同、含水量相似的砂壤土或沙質(zhì)黏性土，分層填筑夯實(shí)，每層厚15～30 cm。頂部稍高壩頂3～5 cm，以防雨水進(jìn)入。三是橫墻隔斷。對于橫行裂縫，每隔3～5 m與裂縫垂直挖槽，深度直至看不見裂縫為止，分層回填土料方法同前。

6.洪水漫溢壩頂處理

土石壩特別是土壩，不允許漫頂溢流，如果洪水漫溢就會造成垮壩事故。因此,當(dāng)庫水位超過允許最高洪水位并繼續(xù)上漲時,應(yīng)立即采取臨時保壩措施；在非汛期考慮長遠(yuǎn)措施。常用的防洪水漫溢主要措施：一是加高大壩。根據(jù)工程現(xiàn)狀情況，在條件允許時適當(dāng)提高大壩高度、增加水庫庫容來削減洪峰，避免洪水溢漫壩頂。二是提高泄洪能力。加強(qiáng)原有泄洪建筑物的利用，提高水庫的泄洪能力。三是加固防浪墻。遇庫水位急劇上升，把防浪墻作為子埝的臨水面，在墻后利用土袋加高加固，或在防浪墻后堆土夯實(shí)做成子堤，臨時加高大壩，防止超標(biāo)洪水漫溢壩頂。四是上游控水。在水庫上游新修水庫、淤地壩等，增加上游控制洪水能力來降低洪水漫溢壩頂?shù)膲毫?。五是搶筑子堤。?dāng)遇到超標(biāo)準(zhǔn)洪水入庫時，為避免土壩漫溢決口，應(yīng)采取在離上游壩肩至少0.5～1.0 m以外搶筑子堤，防止發(fā)生滑坡。搶筑施工全面鋪開時一氣呵成。六是采取非常措施。當(dāng)預(yù)報水庫會有超標(biāo)準(zhǔn)洪水入庫時開挖或炸開非常溢洪道、副壩等方法，加大泄洪流量。但絕對禁止在壩頂開槽溢洪，防止加速整個壩體的崩潰。

7.泄洪建筑物出險處理

一是裂縫堵漏。對于混凝土建筑物裂縫、分縫止水破壞，采取按照一定配比的環(huán)氧砂漿堵漏或防水快凝砂漿堵漏，在水位以上部分沿混凝土裂縫鑿槽，“V”形槽用于豎型裂縫，“U”形槽用于水平裂縫。倒“U”形槽用于頂面裂縫或有水滲出的裂縫。二是滲漏處理。建筑物閘、涵基礎(chǔ)下地基發(fā)生滲漏，采取閘上游拋黏土截滲，閘下游筑反濾圍井；圍堤蓄水平壓，減少上下游水頭差等措施處理。

[1]馬波減.淺析土石壩水庫的病險危害性與加固處理[J].中國水運(yùn)，2010（2）.