混凝土壩破壞模式及潰口幾何參數(shù)探討

楊彥龍，沈海堯，黃 維

（國(guó)家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，311122）

0 引言

潰壩是一個(gè)低概率高風(fēng)險(xiǎn)事件，1954—2018年，我國(guó)共有3 541座大壩發(fā)生潰決，95%以上為土石壩，近20年（2000—2018年）共潰壩84座，年均潰壩率降至0.45×10-4[1]。由于混凝土材料強(qiáng)度高，相對(duì)土石壩，混凝土壩潰壩事故較少。截至2020年12月，在國(guó)家能源局注冊(cè)大壩共565座（另有備案大壩47座），其中混凝土壩和漿砌石壩共422座，土石壩143座，混凝土壩和漿砌石壩所占比例約75%[2]，雖然未發(fā)生過潰壩等重大惡性事件，但在運(yùn)行中也曾出現(xiàn)過洪水漫頂、壩基錯(cuò)動(dòng)、壩體結(jié)構(gòu)損壞、水淹廠房等險(xiǎn)情[3-4]。

考慮到潰壩洪水對(duì)下游人民生命財(cái)產(chǎn)的潛在影響，國(guó)內(nèi)外大壩安全監(jiān)管中，均有編制應(yīng)急預(yù)案或應(yīng)急行動(dòng)計(jì)劃（EAP）、繪制潰壩洪水淹沒圖的要求。如新西蘭2014年7月頒布的《建筑（大壩安全）條例》中，要求中、高潛在風(fēng)險(xiǎn)大壩制作潰壩洪水淹沒圖；英國(guó)所有水庫的潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)圖均已制作完成，并在網(wǎng)上向公眾公開；2006年3月，中國(guó)國(guó)家防汛抗旱總指揮部辦公室以辦?！?006〕9號(hào)文印發(fā)了《水庫防汛搶險(xiǎn)應(yīng)急預(yù)案編制大綱》；2018年12月，國(guó)家能源局發(fā)布了DL/T 1901-2018《水電站大壩運(yùn)行安全應(yīng)急預(yù)案編制導(dǎo)則》。按照大綱和導(dǎo)則要求，水庫（水電站）大壩均應(yīng)編制應(yīng)急預(yù)案，并提供大壩失事后洪水淹沒圖。潰壩洪水淹沒圖必須準(zhǔn)確地描繪出“可信的最壞情況”即大壩潰決后的影響。潰壩洪水淹沒圖繪制需要開展?jié)魏樗?jì)算，計(jì)算結(jié)果的可信度取決于計(jì)算工況假定，故需要分析判斷大壩潰決原因、破壞模式及潰口參數(shù)、潰決歷時(shí)等，如果參數(shù)選取不切實(shí)際，可能導(dǎo)致對(duì)淹沒面積的低估或高估。

潰壩洪水計(jì)算分析一般需要從歷史潰壩案例中了解潰壩特征?？蓞⒖嫉臐钨Y料大部分是關(guān)于土石壩的，其沖刷破壞導(dǎo)致逐漸潰決的機(jī)理較為明確。目前有關(guān)土石壩潰壩模式和潰壩路徑的研究相對(duì)較為充分，但針對(duì)混凝土壩潰決模式及潰口尺寸的研究較少?；炷翂螡谓咏矔r(shí)潰決，預(yù)警時(shí)間短，造成的后果更為嚴(yán)重，如何較合理地確定其潰口范圍及尺寸一直是潰壩洪水計(jì)算的難題。

方崇惠[5-6]提出了拱壩單元組和整個(gè)結(jié)構(gòu)體系可靠度計(jì)算方法，來評(píng)估拱壩潰口發(fā)生部位、范圍，并根據(jù)結(jié)構(gòu)承載能力可靠度評(píng)價(jià)指標(biāo)確定潰口幾何尺寸；卓福濤、王興旺等[7-8]結(jié)合錦屏一級(jí)拱壩論證了壩體和斷層超載時(shí)裂縫和破壞的演化過程，狹窄河谷拱壩整體穩(wěn)定性和安全性較高，其破壞部位多以地基為主，而寬河谷拱壩則多以壩體為主；傅忠友、張士辰[9]結(jié)合工程實(shí)例分析了重力壩潰決模式和潰決路徑。本研究收集了國(guó)內(nèi)外混凝土壩潰壩案例資料，總結(jié)分析了混凝土壩的主要潰壩原因及潛在破壞模式，研究探討其內(nèi)在規(guī)律和聯(lián)系，為混凝土壩潰口參數(shù)確定提供參考。

1 潰壩案例統(tǒng)計(jì)分析

1.1 潰壩數(shù)據(jù)庫

表1 歷史混凝土壩潰決信息統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of historicalconcrete dam failures

表1 歷史混凝土壩潰決信息統(tǒng)計(jì)（續(xù)2）Table 1 Statistics of historical concrete dam failures

表1 歷史混凝土壩潰決信息統(tǒng)計(jì)（續(xù)1）Table 1 Statistics of historical concrete dam failures

1.2 典型潰壩案例

（1）意大利格萊諾混凝土連拱壩最大壩高46 m，水庫總庫容4 500萬m3，1923年完工。工程完工后40 d，受強(qiáng)降雨影響，水庫蓄滿后，大壩的一個(gè)支墩開裂倒塌，并最終導(dǎo)致潰壩，造成至少356人死亡。大壩潰決是由磚石基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)之間的層間滲水引起的，最終潰口為80 m長(zhǎng)的矩形潰口[13]。拱壩，最大壩高15.8 m，壩頂長(zhǎng)50 m，1924年完工。1926年，由于上游3座小水庫潰壩，潰壩洪水導(dǎo)致大壩漫頂溢流，水位高于壩頂2～4 m，漫頂水流淘刷左岸壩肩，最后壩肩破壞導(dǎo)致水庫失事，大壩和壩肩連接段潰決，但大壩主體結(jié)構(gòu)仍完整保留[14]。

圖1 格萊諾大壩Fig.1 Gleno dam

圖2 莫依河大壩Fig.2 Moyie River dam

（2）莫依河大壩位于美國(guó)愛荷華州，為混凝土

（3）美國(guó)加利福尼亞州的圣弗朗西斯重力壩壩高62.5 m，庫容4 700萬m3，1926年5月建成。1928年3月12日午夜，壩體突然潰決，潰壩洪水造成近450人喪生。該壩設(shè)計(jì)和施工中有不少不符合現(xiàn)代規(guī)范要求的情況，如沒有進(jìn)行基礎(chǔ)灌漿、壩基排水不完善、未設(shè)檢查廊道及伸縮縫、未考慮基礎(chǔ)揚(yáng)壓力影響等。Rogers[15]提出的大壩破壞機(jī)制是發(fā)生在大壩左壩肩的大規(guī)?；聦?dǎo)致大壩壩踵位置出現(xiàn)張開，左岸壩段首先發(fā)生了破壞，然后誘發(fā)右岸壩段潰決，潰決后大壩只剩下右側(cè)岸坡壩段和一塊矗立在河谷中間的殘留壩段，約80%～90%的大壩主體部分均潰決了。

圖3 圣佛朗西斯大壩Fig.3 St Francis dam

（4）法國(guó)馬爾帕塞混凝土雙曲拱壩最大壩高66.0 m，水庫總庫容5 100萬m3，壩頂長(zhǎng)222.7 m，于1954年9月建成。1959年12月2日，大壩突然潰決，造成500余人死亡和失蹤。大壩失事的根本原因[16]是左岸壩肩支座巖體正好是上、下游斷層構(gòu)成的斷層破碎帶巖體，大壩蓄水受力以后，上游斷層受拉張開，斷層破碎帶物質(zhì)抗剪和變形性能急劇下降，而下游斷層處于受壓狀態(tài)，迫使壩基滲透壓力升高，致使左岸壩體上舉，左壩肩產(chǎn)生了變形和位移，水流持續(xù)淘刷，最后導(dǎo)致大壩潰決。

（5）中國(guó)福建梅花拱壩壩高22 m，壩頂長(zhǎng)64 m，1981年3月完工。1981年9月18日13∶35，大壩潰決?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查顯示，沿周向接縫的滑動(dòng)導(dǎo)致大壩拱頂斷裂[16]。

（6）巴西卡馬拉大壩是目前唯一掌握的碾壓混凝土重力壩潰決案例，壩高50 m，壩頂長(zhǎng)約250 m，2002年竣工。首次蓄水時(shí)，大壩左岸壩趾發(fā)生滲漏，且滲漏量隨著水位升高而增大，當(dāng)時(shí)并未引起重視。2004年6月17日，遭遇強(qiáng)降雨之后，大壩左壩肩發(fā)生沖刷破壞，11 d后上部壩體潰決，留下一個(gè)約40 m寬的垂直側(cè)面潰口，潰口底部延伸至大壩基礎(chǔ)[17]，潰壩洪水導(dǎo)致5人死亡、20人失蹤。

（7）第二次世界大戰(zhàn)期間，德國(guó)的埃德爾和默內(nèi)大壩遭到盟軍攻擊，爆炸在大壩上游表面產(chǎn)生缺口，導(dǎo)致大壩漫頂潰決。另一個(gè)遭到戰(zhàn)爭(zhēng)破壞的大壩是前蘇聯(lián)的Dnjeprostroj大壩，大壩被炸藥引爆，形成一個(gè)200 m寬的缺口。

在政府強(qiáng)制推動(dòng)的粗放發(fā)展模式之下，信用合作社與合作金庫內(nèi)部資金積累薄弱，信用合作社被時(shí)人稱為“合借社”，合作金庫股金也主要為國(guó)家行局所認(rèn)購(gòu)的提倡股，據(jù)合作事業(yè)管理局收集之全國(guó)410所合作金庫股本情況看，除云南省外，全國(guó)合作金庫股金構(gòu)成中，合作社股占比僅11.8%，提倡股占比88.3%。個(gè)別省份提倡股比例可達(dá)95%以上。[15]合作金庫與信用合作社幾乎成為國(guó)家行局合作貸款的轉(zhuǎn)貸機(jī)構(gòu)。

圖5 卡馬拉大壩Fig.5 Camara dam

1.3 潰壩數(shù)據(jù)庫分析

混凝土大壩失事大部分發(fā)生在1960年之前，59個(gè)潰壩案例中，1921—1960年期間占了23個(gè)（見表2）。隨著現(xiàn)代設(shè)計(jì)和施工技術(shù)提高，1960年以后修建的大壩潰壩事故明顯較少。2000年以后，只有2個(gè)混凝土壩潰壩事故，其中2021年印度Tapovan大壩潰壩原因主要為上游冰川斷裂導(dǎo)致洪水。從潰壩數(shù)據(jù)庫可知，混凝土壩潰壩案例中近一半是由基礎(chǔ)或壩肩的破壞所致，大部分大壩失事發(fā)生在建設(shè)期或運(yùn)行初期。

表2 不同時(shí)期混凝土壩潰壩數(shù)量統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of concrete dam break in different periods

表1中的歷史潰壩案例潰口寬度和高度一般通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查得到，其中24個(gè)潰壩案例有較完整的潰口尺寸參數(shù)。按照調(diào)查的潰口寬度（BF）與壩頂長(zhǎng)度（BD），繪制兩者相關(guān)關(guān)系圖，另外潰口寬度與總壩頂長(zhǎng)度之比（即BF/BD）也繪制在圖中，見圖6。由圖6可知，實(shí)際潰壩案例中BF/BD值離散性較強(qiáng)，潰口寬度與壩頂長(zhǎng)度之間的關(guān)系不明顯。

圖6 混凝土壩潰決時(shí)潰口寬度（B F）與壩頂長(zhǎng)度（B D）相關(guān)圖Fig.6 Lorrelation dam between break width(BF)and dam crest length(BD)

大部分混凝土重力壩的潰口寬度為20～60 m，見圖6中陰影部分。在24座大壩中，有13座大壩的潰口寬度在此范圍內(nèi)或更小。ANCOLD（2012）建議[18]，對(duì)于混凝土重力壩，在缺乏更多實(shí)質(zhì)性信息的情況下，可考慮30%的壩段損失。在8個(gè)混凝土重力壩潰壩案例中，4個(gè)重力壩破壞符合BF/BD＞30%的標(biāo)準(zhǔn)，其中2個(gè)重力壩（Zebrino和Cascade lake）在整個(gè)壩頂長(zhǎng)度上都發(fā)生了破壞（即BF/BD=100%）。圖6中僅有2個(gè)混凝土拱壩發(fā)生破壞，其中Malpasset大壩幾乎在整個(gè)壩頂長(zhǎng)度上都發(fā)生了破壞（即BF/BD=100%），但Moyie river大壩僅壩肩失效，大壩相對(duì)完整，壩肩空隙寬度占?jí)雾旈L(zhǎng)度的20%。

2 潰壩原因及破壞模式

2.1 潰壩原因

水文、地質(zhì)、大壩結(jié)構(gòu)、地震和人為影響等是造成大壩潰決的主要原因，潰壩原因及潰決模式描述見表3。

表3 大壩潰壩原因及潰決模式分析Table 3 Causes and modes of dam break

2.2 破壞模式

混凝土重力壩依靠自重在壩基面產(chǎn)生的摩擦力來抵抗水平向壓力，以保持穩(wěn)定，其潰決主要與失穩(wěn)破壞有關(guān)，主要有3種潛在破壞模式：

（1）混凝土壩壩基受滲漏或其他因素影響，造成建基面阻滑力下降，當(dāng)作用在大壩的水平向荷載超過壩體與地基之間產(chǎn)生的摩擦阻力時(shí)，發(fā)生沿壩基面的滑動(dòng)破壞；

（2）大壩壩踵部位出現(xiàn)拉應(yīng)力，導(dǎo)致大壩與建基面之間出現(xiàn)拉裂縫，拉裂縫本身不會(huì)使結(jié)構(gòu)失效，但由于壩基的有效寬度隨之減小，會(huì)產(chǎn)生過大的壓應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效；

（3）重力壩產(chǎn)生的壓應(yīng)力超過允許應(yīng)力時(shí)，大壩壩趾處混凝土可能會(huì)被壓碎，造成混凝土壩體整體以底部建基面為轉(zhuǎn)軸向下游傾倒，造成潰壩。

對(duì)于混凝土重力壩，短期的洪水漫頂一般不會(huì)導(dǎo)致重力壩失事，如四川官料河巴溪大壩、漁子溪小龍?zhí)洞髩畏謩e因壩肩滑坡和特大洪水出現(xiàn)漫壩險(xiǎn)情，漫壩后大壩主體結(jié)構(gòu)仍完整，但洪水不能按設(shè)計(jì)路徑下泄可能會(huì)造成下游壩趾與壩基被淘刷，進(jìn)而可能影響大壩抗滑穩(wěn)定性。當(dāng)大壩基巖存在缺陷時(shí)，由于缺陷部位巖體的抗剪（斷）強(qiáng)度降低，可能構(gòu)成淺層或深層滑動(dòng)面，對(duì)抗滑穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。根據(jù)重力壩破壞試驗(yàn)研究[19]，重力壩超載破壞過程為：超載后首先壩踵出現(xiàn)開裂破壞，然后壩趾處出現(xiàn)壓剪破壞，隨著超載倍數(shù)的增加，裂縫沿大壩建基面逐步擴(kuò)展，最終裂縫貫通，沿建基面出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。重力壩初裂超載系數(shù)為1～1.6，最終破壞超載系數(shù)為2.6。重力壩遭遇地震瞬時(shí)荷載時(shí)，超載能力較強(qiáng)，超載系數(shù)為2.5～3.5[20]。汶川地震中，寶珠寺重力壩遭受地震烈度為Ⅷ度，相當(dāng)于水平峰值加速度0.2g，遠(yuǎn)超大壩設(shè)計(jì)地震0.1g，震后未見大壩明顯震損[21]。

混凝土拱壩由水平拱圈和豎向懸臂梁共同組成，屬超靜定結(jié)構(gòu)。拱壩所承受的水壓力一部分通過拱的作用傳給兩岸壩肩基巖，另一部分通過豎向懸臂梁的作用傳給壩底基巖?；炷凉皦蔚钠茐拇螖?shù)很少，明顯少于重力壩，歷史潰壩案例中，僅馬爾帕塞和梅花大壩發(fā)生全面潰決。拱壩主要破壞模式有壩肩巖體失穩(wěn)、超量開裂、整體失穩(wěn)、極端漫壩、壩體沿建基面失穩(wěn)等[22]。根據(jù)拱壩破壞試驗(yàn)研究[23]，拱壩破壞過程為：開始加荷載→第一條裂縫產(chǎn)生→裂縫發(fā)展→結(jié)構(gòu)局部壓碎→最終潰壩。大壩結(jié)構(gòu)抗拉破壞超載系數(shù)K1=2.8，抗壓破壞超載系數(shù)K2=6.6，喪失承載能力超載系數(shù)K3=8.8。在意大利瓦伊昂拱壩漫壩事故中第一次認(rèn)識(shí)到了混凝土拱壩超載能力，1963年10月，瓦伊昂拱壩因滑坡造成涌浪，翻壩水流在右岸超出壩頂高度達(dá)250 m，左岸達(dá)150 m，據(jù)估計(jì)，滑坡過程中庫水作用在拱壩上的動(dòng)力荷載約為設(shè)計(jì)荷載的8倍，但壩體仍屹立不動(dòng)，僅左岸壩頂有一段長(zhǎng)9 m、深1.5 m的混凝土損壞。但也需考慮翻壩水流為動(dòng)力瞬時(shí)荷載，應(yīng)與永久靜力荷載有所區(qū)分[16]。此外，拱壩抗震能力很強(qiáng)，壩高132 m的沙牌拱壩距離汶川地震震中32 km，抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，汶川地震在壩址處的烈度約Ⅸ度，震后檢查時(shí)大壩未見明顯結(jié)構(gòu)破壞[24]。

3 潰口參數(shù)

我國(guó)潰壩洪水計(jì)算中，混凝土大壩潰口尺寸一般通過假定，具體依據(jù)DL/T 5360-2006《水電水利工程潰壩洪水模擬技術(shù)規(guī)范》：“拱壩、重力壩等壩型潰口采用瞬時(shí)全潰和瞬時(shí)局潰，潰口型式可近似為矩形和梯形，潰口最終尺寸根據(jù)壩型材料及壩址斷面綜合擬定”。由于各個(gè)工程運(yùn)行性態(tài)和工程質(zhì)量差別很大，實(shí)際潰壩計(jì)算中對(duì)規(guī)范要求的掌握存在較大差異，不少潰壩洪水計(jì)算中推薦采用全部潰決，導(dǎo)致潰壩洪峰很大，應(yīng)急預(yù)案制定及實(shí)施難度很大，可能流于形式。

混凝土壩失事一般始于運(yùn)行中出現(xiàn)不利變化，如上游特大洪水導(dǎo)致漫壩、壩基排水管堵塞或防滲帷幕破壞導(dǎo)致滲壓升高、混凝土堿骨料反應(yīng)導(dǎo)致強(qiáng)度降低、壩基老化、泄洪建筑物氣蝕破壞導(dǎo)致泄洪通道受阻、地震荷載導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞等。結(jié)合大壩自身結(jié)構(gòu)、地質(zhì)條件、外部運(yùn)行條件、風(fēng)險(xiǎn)源及運(yùn)行缺陷，通過相應(yīng)的穩(wěn)定及應(yīng)力分析計(jì)算，分析大壩潛在破壞模式，進(jìn)而分析潰口尺寸相關(guān)參數(shù)。

對(duì)于部分工程規(guī)模較小的大壩，可以通過歷史潰壩案例統(tǒng)計(jì)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假定潰口尺寸參數(shù)。從歷史潰壩案例調(diào)查資料及潰壩照片中可以看出，壩址所在河谷的形狀對(duì)潰口尺寸及參數(shù)起著重要作用，其中河谷形狀需要考慮兩岸坡度的突變，如圣弗朗西斯大壩和格萊諾大壩岸坡河谷坡度突變處都有很長(zhǎng)的翼壩，潰壩均主要發(fā)生在深河谷，兩岸翼壩并沒有垮掉。

混凝土重力壩設(shè)計(jì)大都按單個(gè)壩段單獨(dú)擋水設(shè)計(jì)，從歷史潰壩案例來看，往往是幾個(gè)薄弱環(huán)節(jié)的壩段潰決，為局部潰決。美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)（USACE）建議使用若干壩段的長(zhǎng)度作為潰口寬度[25]，而美國(guó)能源監(jiān)管委員會(huì)（FERC）建議使用小于或等于整個(gè)大壩長(zhǎng)度的一半作為平均潰口寬度[26]。混凝土壩潰口通常是矩形，潰決歷時(shí)一般取0.1～0.5 h?；炷凉皦我蕾囉趬渭绲闹С?，如果一個(gè)壩肩崩潰，那么很可能整個(gè)大壩都會(huì)崩潰?；炷凉皦巫畛Ｒ姷奈恢檬蔷哂卸盖蛡?cè)壁的深峽谷，假定潰口邊坡的范圍從垂直到谷壁坡度，潰口寬度一般取大壩全長(zhǎng)的80%至大壩全長(zhǎng)，潰決形成時(shí)間從瞬時(shí)到0.1 h不等。由于潰壩機(jī)理的復(fù)雜性，實(shí)際潰口尺寸擬定時(shí)，可以擬定若干潰口范圍進(jìn)行敏感性分析。

表4 假定潰口寬度和形成時(shí)間Table 4 Assumed break width and formation time

圖7 混凝土重力壩潰口示意Fig.7 Schematic diagram of concrete gravity dam break

圖8 混凝土拱壩潰口示意Fig.8 Schematic diagram of concrete arch dam break

4 結(jié)論與建議

（1）混凝土大壩潰決主要發(fā)生在建設(shè)期或運(yùn)行初期，有近一半潰壩事故是由基礎(chǔ)或壩肩破壞所致。隨著大壩設(shè)計(jì)理念的變化、施工技術(shù)的提高及運(yùn)行管理的重視，自20世紀(jì)初以來，世界范圍內(nèi)混凝土大壩潰壩案例屈指可數(shù)，我國(guó)雖然發(fā)生過若干混凝土壩漫壩等惡性事故，但未發(fā)生混凝土壩潰決事故。

（2）根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)，混凝土壩（特別是混凝土拱壩）具有一定的超載能力，洪水漫頂、超標(biāo)準(zhǔn)地震等不一定會(huì)導(dǎo)致混凝土壩潰決，但長(zhǎng)時(shí)間洪水沖刷和地震導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞可能會(huì)對(duì)大壩運(yùn)行造成重大影響。

（3）混凝土大壩潰口參數(shù)確定要在大壩潛在破壞模式評(píng)估的基礎(chǔ)上，由有經(jīng)驗(yàn)的壩工專業(yè)技術(shù)人員確定，負(fù)責(zé)潰壩洪水建模和制圖的水力學(xué)技術(shù)人員不一定掌握該項(xiàng)技能。潰壩洪水計(jì)算中，可根據(jù)大壩潛在破壞模式擬定若干潰口尺寸，以便進(jìn)行多潰口方案敏感性分析。

（4）混凝土重力壩和拱壩破壞一般發(fā)生在整個(gè)主河谷橫斷面上，混凝土壩潰口寬度和壩頂長(zhǎng)度沒有明顯的相關(guān)關(guān)系，但從歷史潰壩案例看，混凝土重力壩潰口寬度按照總壩頂長(zhǎng)度的30%以上確定較為合適，而拱壩全部潰決的可能性較高。