水庫潰壩成因分析及防治措施探究

張晉銘

（1.五凌電力有限公司五強溪水電廠 湖南 懷化 419600；2.湖南省水電智慧化工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410004）

1 概述

潰壩是受自身結(jié)構(gòu)缺陷、外因影響，壩體整體或局部失穩(wěn)，導(dǎo)致泄水能力失控，以立浪或涌波形式摧毀下游沿岸的災(zāi)情，其破壞力遠大于一般洪水。運行期間大壩常年承受正常高水位時滲透水壓力、孔隙水壓力和壩體自重，在多種荷載相互作用下，土體慣性力、滲透水壓力失衡，超過壩體承受強度造成潰壩。水庫潰壩受多種因素影響，根據(jù)水庫特點和潰壩原因，不同大壩內(nèi)因不同，特性迥異，所形成的破壞程序也會產(chǎn)生很大差異。通過對過去失事大壩統(tǒng)計報告調(diào)研，主要包括自然影響、施工管理、人為破壞3大因素：自然因素造成潰壩占比為51.5%，施工質(zhì)量或管理不當(dāng)占比為47.3%，人為因素破壞僅為1.2%。其中水力學(xué)因素約占一半,例如超標(biāo)洪水漫頂潰壩、水壓力造成滲漏破壞、邊坡塌滑產(chǎn)生涌浪過壩問題等。其他方面的因素如地震、地質(zhì)條件不佳、管理不當(dāng)?shù)确矫嬉矔箟误w局部潰決。文中通過對大壩潰決模態(tài)分析探究、水庫安全參數(shù)和設(shè)計指標(biāo)進行歸納總結(jié)，分析得出潰決的水力條件和誘發(fā)因素，針對性制定水庫潰壩防治措施，且對應(yīng)急預(yù)案編制、防災(zāi)減災(zāi)起到指導(dǎo)作用。

2 水庫潰壩成因分析

2.1 漫頂潰決

洪水漫頂潰決是水庫潰壩事故的重要成因之一，主要分為防洪標(biāo)準(zhǔn)低、溢洪道泄流不足、環(huán)境荷載作用導(dǎo)致高程不滿足設(shè)計要求3大類，而漫頂潰壩往往是多種因素共同作用的結(jié)果。當(dāng)暴雨來臨時，由于壩體導(dǎo)流或泄洪設(shè)施的抗御洪水能力低于防洪標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)洪庫容及排水設(shè)施無法按要求下泄，隨著水位急劇增加，水流產(chǎn)生的剪應(yīng)力與大壩張力相互作用下產(chǎn)生侵蝕作用，于高水位時壩坡失穩(wěn)造成漫頂潰決，其破壞程度主要取決于漫頂流量和持續(xù)時間。其次，涌浪也是不可忽視的因素：蓄水后水體影響了巖土體的應(yīng)力條件，若近壩庫岸滑坡體體積較大，在集中暴雨、臺風(fēng)等誘因下滑坡體激起涌浪，對壩面產(chǎn)生浪淘、沖刷，加上水體浸潤作用，形成的靜水與動水壓力使兩岸巖體滑坡入水，激起涌浪對壩體造成沖擊，進而導(dǎo)致潰壩事故。此外，在運行過程中水庫受環(huán)境荷載影響產(chǎn)生沉降，原高程降低致使洪水漫過壩頂，洪水沖刷對下游坡腳產(chǎn)生滑移。大壩漫頂主要因素及原因分析情況見表1。

表1 大壩漫頂主要因素及原因分析

2.2 滲流破壞

滲流破壞是大壩安全重點關(guān)注因素之一，因上下游水位差作用，水流沿壩體、壩基的土體中的孔隙向下游滲透的過程，超過臨界水力坡降，引發(fā)滲透變形。美國提堂壩體防滲采用由粉砂土填筑的寬心墻，1976年因滲流破壞發(fā)生潰壩，大壩失事時，水庫內(nèi)超過3億m3的庫水大約在5 h內(nèi)被排空。強滲檢測發(fā)現(xiàn)多處滲流通道。

大壩潰決常見表現(xiàn)形式為壩基、壩體的集中滲流，多個滲漏通道在沖刷作用下逐步擴張，發(fā)展成為流土甚至管涌，內(nèi)部滲漏影響壩體本身強度，該情況下庫水位較高，洪峰流量大，極易產(chǎn)生潰壩。滲漏量的大小主要取決于土體的顆粒成分及其滲透系數(shù)。滲流破壞而導(dǎo)致潰壩的原因同樣包含多種因素，表2從壩基、壩體及壩坡3個部位歸納了滲流破壞的可能原因。

表2 滲流破壞主要因素及原因分析

2.3 其他

主要根據(jù)研究資料表明，無論是重力壩、土石壩還是拱壩，地震減小土體建孔隙率，孔隙水壓力相比于原有靜水壓力要高，并影響到動力抗剪性強度，同時也會對壩座巖體和附屬建筑物造成嚴(yán)重破壞，攔河壩在地震以及動水壓力作用下發(fā)生局部失穩(wěn)現(xiàn)象，加上壩體或壩基本身如果存在結(jié)構(gòu)缺陷，則極可能在地震作用的促使下發(fā)生潰決。

表3 其他因素及原因分析

3 防災(zāi)減災(zāi)措施探究

3.1 大壩監(jiān)測與人工巡檢相結(jié)合

潰壩是大壩運行過程中的突發(fā)性事故，在其發(fā)生時往往已無法挽回。但是，潰壩通常是某些不安全因素由量變到質(zhì)變、事故因素鏈條聯(lián)通的結(jié)果；危險發(fā)展過程中有蛛絲馬跡，可以認(rèn)知和防范，客觀上為通過大壩安全監(jiān)督管理防范潰壩提供了可能；日常監(jiān)測和巡視檢查是掌握大壩運行性態(tài)的主要方式，通過儀器監(jiān)測和現(xiàn)場巡視檢查，全面捕捉水工建筑物施工期和運行期的性態(tài)反映，分析評判建筑物的安全性狀及其發(fā)展趨勢。主要任務(wù)就是遵循客觀規(guī)律，做好各項巡檢以及監(jiān)督管理工作，及早發(fā)現(xiàn)安全隱患。監(jiān)測工作要重視環(huán)境因素的監(jiān)測，如降雨、水庫來水（洪峰、洪量）、水庫調(diào)度（水位、泄洪）、氣溫、地震響應(yīng)等。加強大壩安全觀測分析工作大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)可以反映大壩的實際運行性態(tài)，驗證大壩的性能是否與設(shè)計相符，是否處于安全的運行態(tài)勢。此外，水工巡查是發(fā)現(xiàn)險情的有力手段，是發(fā)現(xiàn)潰壩突發(fā)事件重要的應(yīng)急措施。自動化監(jiān)測系統(tǒng)提供輔助作用，為了能夠讓所得到的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，這就需要在安全檢測工作開展的過程當(dāng)中不斷地加強觀測分析工作。觀測資料在一定程度上能夠精準(zhǔn)地反應(yīng)大壩的實際運行情況，因此這就需要加強對這方面資料的分析，對各種資料進行綜合分析并且加以利用。建立相關(guān)的模型，進而引導(dǎo)各項工作的正常開展。其次就是要利用先進的數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)對材料的數(shù)據(jù)進行整理，不斷地對觀測過程當(dāng)中所用到的管理軟件進行完善，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)更加高效的監(jiān)測。

3.2 做好水庫防洪調(diào)度工作

集中暴雨形成超標(biāo)洪水是水庫潰壩的頭號殺手，關(guān)鍵是要重視并做好水庫調(diào)度，遵循水文現(xiàn)象客觀規(guī)律，利用好現(xiàn)有水文及相關(guān)設(shè)計資料進行綜合分析，對洪峰流量、庫水位、調(diào)度精度、洪水過程線等即時預(yù)報，把好實時調(diào)度關(guān)。大壩管理單位應(yīng)當(dāng)按照防總批復(fù)的防洪調(diào)度規(guī)程做好上下游梯級電站的防洪調(diào)度工作。同時特別關(guān)注上游電站尾水位及出庫流量情況，在水庫汛期，通過洪水預(yù)報，水庫水位將超過警戒水位時，及時調(diào)整水庫運行方式（如開閘放水增大庫容）以保證大壩的安全穩(wěn)定。根據(jù)實際情況改善調(diào)度方式，提高閘門開度，擴大庫容量。此外，針對大型水庫，水庫潰壩分析工作以專業(yè)人員構(gòu)建潰壩風(fēng)險分析耦合模型，業(yè)內(nèi)專家組分析評審的形式，將研究對象和分析指標(biāo)及其量值結(jié)合為一體。結(jié)合大壩自身情況構(gòu)建潰壩模型，收集河道資料對潰決壩段模擬、專業(yè)計算，進行河道糙率驗證與洪水淹沒推演，掌握潰壩流量和洪水路徑，劃定洪水淹沒范圍與達到高水位時間，為緊急避險和應(yīng)急疏散安全區(qū)域劃分提供參考。

3.3 加強應(yīng)急預(yù)警與風(fēng)險評估

做到事前防范與事后處置相結(jié)合，基于不同潰壩風(fēng)險因子構(gòu)建綜合性風(fēng)險評估模型，并結(jié)合自然、設(shè)計、施工多個方面綜合考量，編制具有針對性的水庫分析報告和專項應(yīng)急預(yù)案，明確各組織機構(gòu)職責(zé)與專業(yè)化應(yīng)急機制，確保發(fā)現(xiàn)隱患，即刻治理，降低水庫垮壩事故風(fēng)險和事故災(zāi)難的可能。

事先應(yīng)明確為電站水利工程安全、現(xiàn)場撤離救援提供救災(zāi)物資、通信保障、醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)的責(zé)任部門和保障措施，確保應(yīng)急搶險順利高效。完善大壩潰決洪水應(yīng)急救助措施，定期組織應(yīng)急事故演練與培訓(xùn)，同時配合地方政府做好庫區(qū)及下游居民的防洪搶險宣傳教育工作。一方面進行長遠規(guī)劃，及時采集江河和水利工程相關(guān)的水位、雨量信息，實現(xiàn)洪水災(zāi)害信息及洪水預(yù)測、預(yù)警。另一方面根據(jù)洪水風(fēng)險分析研究報告繪制相應(yīng)的潰壩洪水避險轉(zhuǎn)移圖集，以便于指揮淹沒范圍的居民進行應(yīng)急避險轉(zhuǎn)移，最大程度降低人員傷亡和財產(chǎn)損失，更為完善的潰壩防范體系提供了理論和技術(shù)支持。

4 結(jié)束語

在正常的運行管理過程中，若發(fā)現(xiàn)大壩有閘門啟閉故障，防滲體系破損，壩基滲漏等不良工況，應(yīng)及時匯報工程隱患，盡快列入專項工程中處理。此外，為保障大壩安全監(jiān)測、防洪調(diào)度、軟課題研究、應(yīng)急救援等工作順利開展，不僅需要相關(guān)專業(yè)工作人員的不懈努力，還要在技術(shù)研發(fā)方面加強科研項目的投入，在應(yīng)急救援方面加強溝通與聯(lián)動，使?jié)物L(fēng)險降至最低。