田里水庫土石壩的潰壩計算分析及搶險措施

諸葛渭航

(浙江省開化縣水利局,浙江 開化 324300)

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田里水庫土石壩的潰壩計算分析及搶險措施

諸葛渭航

(浙江省開化縣水利局,浙江 開化 324300)

以田里水庫為例，針對超期服役的小型水庫土石壩設(shè)備失修老化，庫區(qū)淤積、涵洞滲漏嚴重等特點，綜合分析了危及小型水庫安全因素，闡述了滲漏、裂縫、滑移等現(xiàn)象出現(xiàn)的機理，并以此為基礎(chǔ)，結(jié)合田里水庫高水位狀況下滑坡?lián)岆U成功的實例，通過潰壩計算，認為應(yīng)采用木支撐的安全支護、修筑圍堰、裂縫混凝土灌填等措施搶險應(yīng)急.

土石壩；潰壩；計算；搶險

0 引 言

在我國各地，現(xiàn)有小型水庫近2.1萬座，大都建于20世紀(jì)50—80年代，90%以上屬于土石壩[1-4].由于當(dāng)時的經(jīng)濟條件與科技水平不夠發(fā)達，導(dǎo)致大多數(shù)小型水庫的建設(shè)質(zhì)量較低，使用壽命僅為50年.對于這些小型水庫基本上都是超期服役，而部分小型水庫在不同程度上存在設(shè)備老化與失修，庫區(qū)有淤積與涵洞滲漏等嚴重問題[5-7].

小型水庫出險的原因，主要是堰體漿砌塊石施工質(zhì)量差、側(cè)堰地質(zhì)條件差、溢洪道底板不均勻沉陷、滲水壓力的作用等.對于水庫的安全，是關(guān)系到當(dāng)?shù)厝嗣袢罕姷纳敭a(chǎn)安全的大事，因此如何確保水庫安全則是水利人的首要職責(zé)所在.對于大多數(shù)小型水庫，危及土壩安全的因素主要存在滲漏、裂縫與滑坡等多種情況[8-9].本文將針對這幾種情況產(chǎn)生的機理進行分析，并以田里水庫搶險為例，總結(jié)潰壩搶險的經(jīng)驗和啟示.

1 三類安全隱患

在中國土石壩數(shù)量迄今為止居世界首位，這也導(dǎo)致潰壩率成為世界第一.在壩工建設(shè)中，土石壩作為應(yīng)用最為廣泛且發(fā)展最快的一種擋水壩，一般是用當(dāng)?shù)赝亮匣蚴?，?jīng)過拋填與輾壓等不同的方法堆砌筑成.不過，土石壩雖然具有施工簡單與經(jīng)濟實用等特點，但極易因滲漏、裂縫及滑移等原因發(fā)生突發(fā)潰壩事故，以下?lián)俗鼍唧w分析.

1.1 滲漏

對于土石壩，常見的滲漏主要存在如下幾種類型.

(1)壩基滲漏

這是一種壩基滲流沿壩基巖中的透水層、節(jié)理裂隙與底部邊界組成的通道流動而導(dǎo)致的較大擴張性的裂隙滲漏，其主要的破壞機理為引起土石壩沿著滲漏通道出現(xiàn)的豎向塌坑，沖蝕并帶走壩體內(nèi)的土顆粒，從而淘空壩體使土石壩遭到破壞.

(2)壩體滲漏

這種滲漏主要是破壞壩體的抗剪強度，在水庫高水位時，十分危險，一旦發(fā)生則難以搶救.其破壞機理為在滲透水從上游朝下游方向滲過壩體時，加大了其中滑動力，從而降低了受浸潤壩體的抗剪強度.

除了以上兩類主要的滲漏，還存在其他不同類型，比如壩肩繞壩滲漏與壩內(nèi)涵管接觸滲漏.滲流總是沿阻力最小的地方集中，這些險情往往發(fā)生在水庫高水位時，經(jīng)過不斷的沖蝕被帶走壩體內(nèi)的土顆粒，輕者能在壩體上產(chǎn)生連續(xù)豎直的塌坑，重者直接引發(fā)潰壩.

1.2 裂縫

從力學(xué)角度來看，土石壩裂縫可分為不均勻滑坡裂縫、沉陷裂縫、振動裂縫、干縮裂縫，其成因主要是：

(1)由于壩基地質(zhì)條件與力學(xué)性質(zhì)的差異較大，如果建基面的縱向與橫向存在驟然的起伏，加之填土落差的梯度過大及所埋置涵管的管上與管側(cè)壩體的土柱沉陷不同等幾種原因，都可能導(dǎo)致不均勻性的沉陷裂縫.

(2)土石壩在加高的時候，如果存在填筑方式與新老土體的結(jié)合處理失當(dāng)，就可引發(fā)不均勻性的沉陷裂縫；

(3)在水庫高水位滲流作用下，如果壩體濕陷存在不均，則土石壩的下游坡土體抗剪強度將會出險驟降現(xiàn)象，就可引起滑坡性的裂縫.特別地，在壩趾基礎(chǔ)存在軟弱的夾層時，更易引起滑坡性的裂縫；顯然，在滲流的持續(xù)作用下，一些獸洞或蟻穴也可能導(dǎo)致局部的裂縫.

1.3 滑坡

在土石壩邊坡失穩(wěn)的同時，其壩頂或壩坡之處將會導(dǎo)致裂縫出現(xiàn).一般而言，裂縫的發(fā)展在初始時較為緩慢，極易被人忽視，但不久之后則急劇地發(fā)展，最終形成滑坡險情.對于小型水庫，如果高水位持續(xù)的時間過長，那么在滲透水的作用下，土石壩的壩體浸潤線會有所升高，則飽和區(qū)土體的抗剪強度將相應(yīng)降低，就可引起土石壩下游坡的失穩(wěn)，從而出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象.另外，土石壩如果是在冬季施工，又沒有采取較好的防凍措施，就有可能形成凍土層，那么在蓄水后，庫水的滲入將形成軟弱的夾層，最終也可能引起土石壩滑坡險情.

2 田里水庫高水位狀況下滑坡?lián)岆U成功的實例

田里水庫位于開化縣池淮溪支流翁星河源頭的田里村旁.該水庫于1977年建成投入運行，水庫集雨面積5.0 km2，壩高25.70 m，壩頂長76 m，總庫容151萬m3，正常蓄水位22.05 m，相應(yīng)庫容120萬m3.壩型為粘土心墻壩，水庫溢流為側(cè)槽式溢洪道布置，溢流堰段長51 m.1998年7月19日上午約7時田里水庫堰頂開始溢流，隨后導(dǎo)致裂縫滑坡現(xiàn)象，最終出現(xiàn)潰壩險情.

2.1 出險的原因

由于田里水庫在修建時，工程投資和施工隊伍基本上是以群眾性投工投勞為主，相對在工程建設(shè)施工過程中，難以做到技術(shù)要求和施工質(zhì)量的嚴格控制，留下安全隱患.在水庫長期處于高水位運行狀態(tài)，壩體(土壩)含水率過大，溢流堰基礎(chǔ)軟化，導(dǎo)致水庫土壩裂縫，出現(xiàn)水庫險情(見圖1).

圖1 側(cè)堰裂縫部位斷面結(jié)構(gòu)

2.2 潰壩計算

對潰壩壩址最大流量的計算，通常采用肖克列奇經(jīng)驗公式[10]

(1)

其中：Qmax—最大流量；g—重力加速度； B—壩頂?shù)拈L度；b—潰口的寬度； H0—潰壩之前上游的淹深.

這里，潰口寬度b一般采用如下經(jīng)驗公式計算[11]：

b=KW1/4B1/4H1/2

(2)

其中：K—經(jīng)驗系數(shù)，根據(jù)田里水庫的土壤性質(zhì)，取為1.27；

W—水庫的總庫容；H—壩體的高度.

由式(2)，在田里水庫校核水位潰壩時，潰口的寬度b=240.33 m，進而可計算得出壩址的最大流量Qmax=49 107.35 m3/s.

依據(jù)水量平衡原理可知，田里水庫潰壩的時候庫容泄空時間為:

(3)

其中:Q0=3 008.00 m3/s為田里水庫校核水位潰壩初期的入庫流量.

由此，計算可得校核水位潰壩時間，T=2.11 h.

田里水庫上下游的水力學(xué)各個參數(shù)在潰壩時引起巨大變化，形成涌波，在較短的時間里對下游承潰區(qū)形成極大的威脅.依據(jù)下游1 ∶1 000地形圖，田里水庫校核水位潰壩和設(shè)計水位潰壩淹沒面積分別為17.32 km2和15.78 km2.

2.3 搶險措施及效果

根據(jù)險情及現(xiàn)場實際，做出了固結(jié)堰體臨時應(yīng)急搶險方案：

(1)在溢流堰上游側(cè)搶筑圍堰，從導(dǎo)墻始端開始逐漸向前推進；

(2)圍堰筑好后，采用小骨料混凝土灌填裂縫搗實，使分裂成兩半的溢流堰形成整體，考慮堰頂將會溢流，面層采取防沖刷保護措施；

(3)考慮溢流堰正處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在搶筑圍堰前，在有安全措施的前提下，先用木支撐對溢流堰進行支護，再進行筑圍堰、混凝土灌填作業(yè)，以保證搶險人員的人身安全.

依據(jù)搶險方案，采用木支撐的安全支護、修筑圍堰、裂縫混凝土灌填等措施的實施.整個搶險始終處于在有組織、有分工、有次序、保安全的過程中展開，經(jīng)過一整夜的奮戰(zhàn)，在黎明時分完成了上述各項臨時應(yīng)急搶險措施，側(cè)堰頂溢流水深也逐漸減小.

3 經(jīng)驗教訓(xùn)與啟示

(1)實施除險加固水庫安全工程建設(shè)

除險加固是保證水庫安全的有效舉措.水庫安全關(guān)系到民生和社會穩(wěn)定，對于50—80年代興建的水庫、特別是以農(nóng)村投工投勞為主的土壩工程而言，相對在施工、技術(shù)、質(zhì)量控制等方面存在著一些問題，而且對工程地質(zhì)未作詳細探勘，資料不全隱患較多.田里水庫投入運行已經(jīng)二十多年，在連續(xù)多日暴雨、長時間高水位蓄水的情況下，由于壩體填筑土料含水量的飽和、未置于巖面的構(gòu)筑物基礎(chǔ)軟化產(chǎn)生不均勻沉降等因素，使水庫極易出現(xiàn)險情.為此，近幾年來開展對運行多年的水庫進行安全鑒定、除險加固消除隱患是十分必要的.

(2)切實落實好水庫安全管理的各項制度

加強水庫大壩等水工設(shè)施的檢查巡查，建立健全崗位責(zé)任制，每年對水庫巡查員進行專業(yè)知識的培訓(xùn)，提高巡查員的業(yè)務(wù)素質(zhì)，是水庫安全的保障.巡查員要善于捕捉和分析可能出現(xiàn)有險情的跡象，盡可能地做到及時發(fā)現(xiàn)、及時報告、為搶險爭取時間.面對險情，各級政府領(lǐng)導(dǎo)要有沉著鎮(zhèn)定、快速反應(yīng)和科學(xué)決策的能力.要保持清醒頭腦，切不可頭腦發(fā)熱、盲目指揮，必須把握好重點：一是確保下游受威脅人員的安全，應(yīng)立即組織群眾避險轉(zhuǎn)移；二是全力搶險，決不輕言垮壩，要采取一切措施盡快降低水位，這是緩解險情的重要手段；三是在搶險過程中，要有保障搶險人員自身安全的措施.

(3)強化提高專業(yè)技術(shù)人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)

險情發(fā)生后，在第一時間趕到的專業(yè)技術(shù)人員，應(yīng)深入實地進行核查，對險情做出研判，及時提出相應(yīng)措施，這是應(yīng)急處置的基礎(chǔ).搶險相對于到現(xiàn)場的水利專業(yè)技術(shù)人員來說是一個考驗，因為所面對的是領(lǐng)導(dǎo)急需的搶險方案，面對的是搶險時間的緊迫性，面對的是搶險措施適用和實效性.如果搶險方案考慮不周，沒能對癥下藥；或優(yōu)柔寡斷方案遲緩；或沒弄清是非，缺乏險情發(fā)展的正確分析判斷，都會造成險情得不到有效遏制，甚至還會加劇險情的擴展，勞命傷財.為此，現(xiàn)場的技術(shù)人員必須應(yīng)有扎實的專業(yè)知識、經(jīng)驗豐富、堅持真理、果斷而敢于承當(dāng)責(zé)任，并具有一定的搶險組織協(xié)調(diào)能力.做出搶險方案既要符合水利工程的特性和一般科學(xué)原理，又要結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況，分層次互補遞進的具體搶險措施，以供領(lǐng)導(dǎo)決策.

(4)保證庫區(qū)搶險道路的暢通無阻

落實好搶險物資和設(shè)備，保證庫區(qū)搶險道路的暢通無阻.水庫險情的出現(xiàn)，一般為突發(fā)性事件，在搶險措施制定后，必須立即組織人力、物資、材料、設(shè)備的迅速投入，這就需要有搶險物資的儲備，對外交通以及上壩道路的貫通，從而保證搶險人員、材料、設(shè)備的調(diào)運，盡可能爭取搶險時間.田里水庫當(dāng)時的對外交通只有機耕路，且連日多雨，道路泥濘坑陷，空壓機風(fēng)鉆設(shè)備的運輸近10個小時才到達水庫.在汛前必須要落實好水庫搶險物資儲備，縣里要有定點的材料和機械設(shè)備，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)要有一支固定的搶險小分隊，是搶險需求的重要保障.

(5)應(yīng)制定緊急情況下的搶險操作程序

搶險是在和時間賽跑，在搶險現(xiàn)場的最高負責(zé)人要果斷、敢于承當(dāng)責(zé)任的勇氣.對于專業(yè)技術(shù)人員提出的搶險方案經(jīng)比較后認為可行的，應(yīng)于立即付諸實施，如果是層層請示，只能是拖延時間，造成險情擴展所帶來不應(yīng)有的損失.而在辦公室里的人并不了解現(xiàn)場的情況，等到答復(fù)未能切合實際，使之應(yīng)急搶險更處于被動局面.田里水庫在人工鑿除側(cè)堰缺口因進度緩慢情況下，曾提出采用防震爆破方案，由于當(dāng)時經(jīng)層層請示而被否決，直到第二天凌晨敢于承當(dāng)責(zé)任的領(lǐng)導(dǎo)到現(xiàn)場，才拍板決定采取爆破拆除方案時，已耽擱了近16個小時，最終因暴雨來臨，未能完成打開側(cè)堰缺口，堰頂再次溢流，在木支撐被沖毀的情況下，幸好沒有再次出現(xiàn)險情，否則后果不堪設(shè)想.制定相應(yīng)的搶險操作程序，增強臨機處置能動力，以爭取利用有效的搶險時間，以減輕或緩解險情是一項十分重要的環(huán)節(jié).

[1] 魏 爽.玉岡水庫除險加固現(xiàn)狀分析及對策[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,30(S1):705-708.

[2] 趙雪瑩,王昭升,盛金保,等.小型水庫潰壩初步統(tǒng)計分析與后果分類研究[J].中國水利,2014(10):33-35.

[3] 翁 湛.土石壩加高加固防滲措施及邊坡穩(wěn)定的分析研究[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報,2015,27(2):17-20.

[4] 張秋霞.常見水庫病害特點及除險加固技術(shù)分析[J].河南水利與南水北調(diào),2014(22):6.

[5] 王樹坤.漢中市小型水庫病險成因及加固前期工作主要問題[J].陜西水利,2014(6):90-92.

[6] 胡總學(xué),鄭曉慶,王慧瓊.加快小型病險水庫除險加固工程建設(shè)的思考[J].水利發(fā)展研究,2013(2):67-69.

[7] 張大偉,李 雷.水庫大壩除險加固體制機制問題與對策思考[J].中國水利,2013(10):31-36.

[8] 張 勇.探討小型病險水庫除險加固方案及優(yōu)化技術(shù)[J].華東科技(學(xué)術(shù)版),2015(6):200-201.

[9] 潘登星.水庫大壩除險加固防滲設(shè)計處理解析[J].廣東科技,2014,23(18):108-109.

[10] 項 春,王益土,施高萍.杭嘉湖圩區(qū)防洪減災(zāi)能力評價與提升對策研究[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報,2014,26(1):29-32.

[11] 王忠靜,翁文斌,馬宏志.干旱內(nèi)陸區(qū)水資源可持續(xù)利用規(guī)劃方法研究[J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),1998(38):33-36.

Emergency Measures and Dam-break Analysis of Earth-rock Dam in Tianli Reservoir

ZHUGE Wei-hang

(Kaihua Water Conservancy Bureau, Kaihua 324300, China)

According the characteristics of the earth-rock dam in small-scale reservoirs, especially the ones in extra service, the safety elements and the potential risk mechanism are talked about in this paper, such as the deposition in reservoir area, the culvert seepage, fissure, slippage and so on. Based on it, some emergency measures are put forward by the computation of dam-break flows, cofferdam supporting and concrete filling, taking Tianli Reservoir as an example.

earth-rock dam; dam break; calculation; emergency disposal

2015-12-13

諸葛渭航(1957-)，男，浙江蘭溪人，工程師，從事水利工程建設(shè)、工程設(shè)計與管理、水土保持監(jiān)督管理及防汛等工作.

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