對郭家咀水庫大壩漫而未潰的思考

董永立

(鄭州市水利建筑勘測設(shè)計院，河南 鄭州 450006)

2021年7月20日，河南鄭州遭遇特大暴雨襲擊，24h最大降雨量672mm、1h最大降雨量201.9mm、市區(qū)尖崗站5d累計降雨量946.0mm，多項降雨數(shù)據(jù)突破有水文記錄以來極值。由于降雨持續(xù)時間長、累積雨量大、強降水范圍廣、強降水時段集中，一些土壩出現(xiàn)險情，特別是位于鄭州市區(qū)上游的郭家咀水庫，一度漫壩，引起舉國關(guān)注。所幸漫而未潰，研究其原因，希望能給其它工程帶來一些啟示。鄭州“7.20”特大暴雨中，漫壩行洪7h45min，引起舉國關(guān)注。

1 水庫概況

郭家咀水庫位于鄭州市的金水河上，總庫容487萬m3，為小(1)型水庫，流域面積13.2km2。壩高20m，壩長120m，壩頂寬6.5m。水庫建于1958年，2010年進行了除險加固。水庫下游有鄭州市區(qū)、鄭西高鐵及南水北調(diào)中線總干渠等重要設(shè)施，防洪位置十分重要。水庫特征參數(shù)見表1。

2 險情過程

7月19日下午5時到20日24時，水庫控制流域內(nèi)連續(xù)降雨31h，上游3個雨量站平均降雨量607.5mm。7月20日21時30分，水庫庫水位達校核水位，距壩頂不足1m。20日22時，在壩東側(cè)臺地上，避開壩肩和啟閉塔、放水管，緊急開挖東側(cè)臨時泄洪道。21日0時30分，水庫漫壩。21日6時，在西側(cè)壩肩開挖第二條泄洪道。8時15分，水位落至壩頂以下。水庫漫壩流量-水位過程如圖1所示。

表1 郭家咀水庫特征參數(shù)表

圖1 郭家咀水庫漫壩流量-水位過程

郭家咀水庫壩頂溢流持續(xù)7小時45分，漫而未潰，這在土壩史上堪稱奇跡。

3 “漫而未潰”的原因分析

3.1 類似于溢流壩面的壩頂“鎧甲”結(jié)構(gòu)，有效化解了漫壩水流沖擊

一方面，郭家咀水庫壩頂未設(shè)防浪墻，安全超高由壩體填土加高承擔(dān)，避免了漫壩洪水翻越防浪墻后，水頭跌落沖刷壩頂?shù)娘L(fēng)險；另一方面，壩頂上下游路肩處均設(shè)置了一道防沖刷混凝土地梁，地梁寬0.5m，深0.8m，與壩頂瀝青混凝土路面齊平通長布設(shè)，形成了壩頂?shù)膭傂浴版z甲”結(jié)構(gòu)，起到了溢流壩頂面的效果，有效地防止了漫壩水流淘刷下游壩坡；再就是壩頂上下游對齊布置的0.5m見方且間隔設(shè)置的隔離墩，將漫壩水流分散成股狀水流，減緩了水流沖擊力。

3.2 壩體自身土體有足夠強度，維持了漫壩后下游壩面的穩(wěn)定

一方面，該壩填筑質(zhì)量較好，并經(jīng)多年沉積固結(jié)，較為密實。土料以黃色-褐黃色中粉質(zhì)壤土為主，干密度1.56～1.75g/cm3，平均值為1.66g/cm3，壓縮系數(shù)平均值為0.211MPa-1，壩體室內(nèi)滲透試驗平均滲透系數(shù)為4.50×10-5cm/s。密實的壩體，在沖刷后下游局部壩坡幾近垂直的情況下，仍能維持穩(wěn)定。壩體瞬變電磁法檢測結(jié)果顯示，填筑均勻，如圖2所示。

圖2 瞬變電磁法檢測結(jié)果

另一方面，上游壩坡鋪設(shè)了一層膨潤土防水毯，平均滲透系數(shù)為4.50×10-7cm/s，并與壩頂防沖刷地梁完整連接，有效阻止了水流滲透，未降低壩體土的抗剪指標，也使得下游壩坡沖刷后能夠直立狀態(tài)下保持穩(wěn)定。

3.3 壩面和壩體的排水系統(tǒng)相對完善，應(yīng)對了漫壩水流的沖刷

上下游壩面的排水溝進行了匯水的系統(tǒng)組織，特別是上下游壩肩排水溝，由于承擔(dān)兩岸路面匯流，排水溝尺寸加大到寬1.6m，深0.8m，對漫壩水流起到了阻隔外泛的作用，其邊墻類似于溢流壩兩岸的非溢流壩擋墻，避免了漫壩水流的壩肩邊界沖刷拉切。此外，延長了排水棱體范圍，相比貼坡排水而言，起到了緩沖固腳的作用。

4 啟示

4.1 深入研究土壩“漫而不潰”技術(shù)

近年來，氣候變化條件下洪水風(fēng)險呈更加嚴峻之勢，小型水庫采用土石壩壩型的運行與潰壩風(fēng)險較大[1]。一般認為土壩是一種“風(fēng)險壩型”，相比砌石壩、混凝土壩那種“本質(zhì)安全壩型”而言，土壩抵御超標準洪水能力極弱。洪水一旦漫過壩頂，一般意味著大壩的潰決。而由于自重較大，壩底垂直應(yīng)力大，砌石壩、混凝土壩等剛性壩型對壩基承載力要求較高，一般多布置在巖基上。我國的土壩數(shù)量巨大，特別是中小型水庫的土壩，由于其潰壩后影響巨大，災(zāi)難慘重，其防洪安全性越來越受到人們關(guān)注，深入研究土壩的“漫而不潰”技術(shù)，尤為重要。

漫壩水流對下游所造成的危害往往是毀滅性的，最大漫壩高度發(fā)生在壩頂緊靠迎水坡處，且各漫壩指標與靜水深度、相對波高、壩前角度、壩頂寬度等控制參數(shù)有關(guān)[2]。影響土壩潰壩的因素較多，作用機理復(fù)雜，不同研究方法的分析結(jié)果與實際后果之間均存在較大差異[3]。一般認為，潰壩主要是水流淘刷下游壩坡后，形成潰口，從而向上游及兩側(cè)迅速蔓延，橫向潰決和垂向潰決隨著潰口面積的增大，潰口流量、流速和上、下游水位在最大值與變化趨勢上，對瞬時潰壩起著決定作用[4]。因此，要加強下游坡特別是下游坡頂?shù)谝坏婪罎⒖诘脑O(shè)計。一方面，可借鑒郭家咀水庫的“鎧甲”模型，在土壩外表，增設(shè)剛性防沖刷措施，可有效降低潰壩風(fēng)險。當然，下游壩坡設(shè)置防沖“鎧甲”的前提條件，仍然是壩體排水暢通，可以在壩腳增強排水棱體，“鎧甲”下做好排水反濾等。另一方面，可深入研究“膠結(jié)土”技術(shù)，通過土料中摻入適量膠結(jié)材料后整體筑壩，以達到防沖目的。

4.2 注重壩頂、壩肩、壩面排水

注重壩頂、壩肩、壩面排水，特別要注重兩岸匯流排水的系統(tǒng)設(shè)置。目前，很多土壩的壩頂沒有排水溝，結(jié)構(gòu)上一般多為上游防浪墻，下游路緣石，中間就是壩頂路面。一些山區(qū)的小型土壩，基至壩頂為土路面，壩頂排水系統(tǒng)設(shè)計標準低且簡陋，汛期遇強降雨積水嚴重，排水不暢?，F(xiàn)在來看，很多壩頂寬度與公路部門的高填方路堤相比，很多都是偏窄的。沒有足夠的壩頂寬度，就無法布置完善的壩頂排水系統(tǒng)，因此，建議可結(jié)合壩頂結(jié)構(gòu)設(shè)計，對排水系統(tǒng)進行重新構(gòu)建，結(jié)合水庫實際情況，從經(jīng)濟合理、滿足要求的角度出發(fā)，對排水系統(tǒng)初設(shè)方案擬定的斷面形式、尺寸、排水管徑、間距及分段排水等要素，提出優(yōu)化設(shè)計方案[5]。有條件時，要加寬壩頂，參照公路部門做法，設(shè)排水溝、硬路肩、土路肩。

4.3 條件允許的地區(qū)，加大土壩斷面尺寸

土壩大多數(shù)建于二十世紀五六十年代，受當時經(jīng)濟條件和人工夯筑工程量所限，斷面一般較小，滿足壩坡穩(wěn)定為最低要求。壩坡穩(wěn)定理論計算受假設(shè)的前提條件和實際填筑差異所限，邊坡的整體穩(wěn)定與局部穩(wěn)定、深層滑動與淺層滑動等會有所不同。浸潤線上下分別采取不同飽和狀態(tài)參數(shù)的問題，討論起來也比較復(fù)雜，比如長時間降雨，浸潤線以上的土體飽和等，對實際邊坡穩(wěn)定也有影響。因此，建議有條件的地區(qū)，特別是對于中低土壩，在增加投資不多、但防洪效益巨大的地區(qū)，應(yīng)結(jié)合實際情況，將壩體斷面適當加大，增加壩頂寬度，培厚放緩壩坡，以使壩體結(jié)構(gòu)更加安全。

4.4 增設(shè)快速泄水建筑物

郭家咀水庫放水管為壩下埋管形式，主要功能為灌溉，最大流量僅有4m3/s，對于緊急狀況下的放空能力極為有限。并且壩下埋管對土壩產(chǎn)生較大安全隱患，一旦斷裂，滲漏通道出口位置前移、滲徑變短、水力梯度變大，滲透水流不斷帶走滲漏通道土體細顆粒導(dǎo)致滲漏通道貫通，惡化涵管軸線區(qū)域壩體滲流態(tài)勢，是導(dǎo)致土壩滲透變形等病害的內(nèi)在影響因素[6]。隨著經(jīng)濟發(fā)展和對工程安全度要求提高，研究封堵壩下埋管，并遠離大壩范圍增設(shè)快速泄水建筑物，以避免惡性事故的發(fā)生，變得越來越重要[7]。

4.5 進一步提高防洪能力

水庫的防洪能力受自身庫容影響較大。經(jīng)過幾十年的運行，一些水庫的淤積和部分庫容被侵占，會影響其防洪能力的發(fā)揮。因此，水庫清淤、恢復(fù)庫容尤為重要。特別是位于城市上游、重要基礎(chǔ)設(shè)施上游的水庫，有條件時，也可適當擴容，或在水庫上游研究增設(shè)梯級防洪工程。重要水庫可研究提高防洪標準，增強蓄洪能力，也研究論證合理降低汛限水位，提前騰出調(diào)洪庫容等，以進一步提升防洪功能。

郭家咀水庫原為小(1)型水庫，防洪標準為50年一遇設(shè)計，1000年一遇校核，建筑物級別為4級。由于該水庫位置特別重要，按照GB 50201—2014《防洪標準》，水庫建筑物級別可以提高1級，設(shè)計洪水標準和校核洪水標準相應(yīng)提高1級。因此建議按中型水庫管理，建筑物級別提高為3級，防洪標準提高為100年一遇設(shè)計，2000年一遇校核。

4.6 普及水庫應(yīng)急搶險技術(shù)

小型水庫搶險實例過程中，發(fā)現(xiàn)很多一線水庫管理單位，普遍缺乏搶險搶早搶小的意識。一方面是對大壩險情危害認識不足，另一方面是技術(shù)力量有限。特別是很多山區(qū)的小型水庫，地處偏遠，村內(nèi)勞動力普遍外出，水庫發(fā)生險情后，組織隊伍和物資也顯得捉襟見肘。

應(yīng)急搶險，突出一個急字，險情發(fā)生后，一線人員第一時間控制險情進一步發(fā)展特別重要。在開展搶險工作的時候，需要制訂適宜的方案，針對搶險工作開展中可能出現(xiàn)的問題采取針對性措施，避免險情被不斷放大而帶來潛在的安全風(fēng)險[8]。因此，建議水利系統(tǒng)的應(yīng)急搶險也應(yīng)像醫(yī)療系統(tǒng)普及急救知識一樣，向廣大基層水利工程管理者普及搶險技術(shù)。

當然，要充分考慮中小型水庫，特別是山區(qū)的水庫人員和物資匱乏的現(xiàn)實情況。第一時間的搶險方案要原理正確，取材方便，方法簡單，成本低、見效快，接地氣，便操作。除了常規(guī)搶險辦法，一些土辦法也不失為處理良策。比如海帶堵漏洞、干黃豆堵孔口、棉被代替反濾布堵管涌等，這些土辦法用于第一時間處理險情，雖然不規(guī)范，卻是有效的。

4.7 優(yōu)化水庫防洪調(diào)度

水庫防洪調(diào)度的主要任務(wù)是確保工程安全，騰出防洪庫容，攔蓄洪水，削減洪峰，減免洪水災(zāi)害。在汛期，水庫要對各類洪水有所安排，盡可能為下游防洪和排澇提供有利條件[9]。為了充分發(fā)揮水庫的調(diào)洪作用，水庫管理單位應(yīng)根據(jù)工程現(xiàn)狀和調(diào)度運用經(jīng)驗，研究確定合理的汛限水位。汛限時段的劃分，可采用汛期前半段、后半段或采用汛初、汛中和汛末的分段方法。在汛期各階段到來之前，應(yīng)嚴格按照計劃，將庫水位降至批準的防洪限制水位。

梯級水庫應(yīng)統(tǒng)一調(diào)度，分析各水庫、水庫區(qū)間的不同頻率洪水的組合，水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度的關(guān)系和相機錯峰的可能性等，也要考慮避免連鎖反應(yīng)的措施[10]。

5 結(jié)語

事實證明，通過對土壩進行“鎧甲”式結(jié)構(gòu)防護后，可以做到“漫而不潰”，對保護下游人民生命財產(chǎn)安全具有重要意義?！版z甲壩”適用于中低土壩，在壩坡自身穩(wěn)定的前提下，對上游壩坡、壩頂和下游壩坡全斷面硬質(zhì)防護。要特別重視做好下游壩體排水和壩基排水，應(yīng)優(yōu)先考慮采用排水棱體方式，下游壩坡硬質(zhì)防護與排水棱體應(yīng)銜接。對于“鎧甲壩”技術(shù)研究，還有待深入，技術(shù)成熟時，可以試點推廣應(yīng)用，會產(chǎn)生極大社會效益和經(jīng)濟效益。