土石坝溃坝原因分析

 摘要对土石坝的概念、组成及优缺点进行了概述，并分析了土石坝溃坝的原因，对充分发挥土石坝的兴利作用具有重要意义。 

　　关键词土石坝；溃坝；原因 

　　中图分类号TV641文献标识码A文章编号 1007-5739（2011）01-0273-01 　 

　　中国大坝数量居世界首位，然而，中国溃坝率亦居世界前列。据1954―2001年的统计，中国大坝年溃坝率，远超世界其他国家。溃坝的危害程度很高，尤其是对于高坝大库和大江大河的堤防工程，一旦失事其危害十分巨大。分析土石坝的溃坝原因，对于充分发挥水利工程的兴利作用，保证人民生命财产安全有着十分重要的意义。 

　　1土石坝概述 

　　土石坝是指由当地土料、石料或土石混合料填筑而成的坝，又称当地材料坝。当坝体材料以土和砂砾为主时，称土坝；以石渣、卵石、块石为主时，称堆石坝；土、石料均占有一定比例时，称土石混合坝。三者在工作条件、结构型式和施工方法上均有相似之处，通称土石坝。土石坝在世界上历史最为悠久，应用最为广泛，随着近年来大型土方施工机械、岩土理论和计算技术的发展，放宽了对筑坝材料的使用范围，缩短了工期，也使土石坝成为当今世界坝工建设中发展最快的一种坝型[1]。土石坝一般由坝身、防渗体、排水体和护坡四部分组成。坝身是土石坝的主体，坝的稳定主要靠它来维持；防渗体的作用是降低浸润线，防止渗透破坏和减少渗透流量；排水体主要用于安全地排出渗水，降低坝体浸润线和防止渗透变形，同时，还可以增强下游坝坡稳定性；护坡的作用是防止波浪、冰层、温度变化和雨水等对坝坡的破坏。 

　　土石坝之所以被广泛采用，主要基于以下3点原因：一是就地取材，与混凝土坝相比，节省大量水泥、钢材和木材，减少了筑坝材料远途运输费用；二是对地质、地形条件要求低，任何不良地基经处理后均可筑土石坝；三是施工方法灵活，技术简单，且管理方便，易于加高扩建。土石坝也存在一些不足，如不允许坝顶溢流（过水土石坝除外），所需溢洪道或其他泄水建筑物的造价往往很大；在河谷狭窄、洪水流量大的河道上施工导流较混凝土坝困难；采用黏性土料作防渗体时，黏性土料施工受气候条件影响较大等。 

　　2土石坝溃坝的原因分析 

　　2.1土石坝的渗漏 

　　2.1.1土石坝渗漏的原因。对土石坝渗漏的原因，渗流控制理论分析认为一般有以下3点：①坝体填土与排水体之间的反滤层设计不正确，层间系数过大，或施工时有错断混层现象，或填土不够密实，过大的渗流使填土向排水体流失，都会造成反滤层破坏失效。许多实例证明，反滤层在整个的防渗体系中是至关重要的一个环节，即使前面的防渗体裂缝或出现渗漏通道，只要反滤层工作正常，排水降压，渗漏破坏就不至于扩大[2]。②防渗体应该直达基岩或底部连续可靠的黏土层，在开挖截水槽时，不可因施工困难，半途而废，从而留下隐患。③土石坝两岸岸坡不应呈台阶状，应该开挖成较平顺的坡度，为减少开挖可以变坡，但是在上、下两坡度转折处，两坡角之差不应大于15～20°，若有平台，则平台处填土高度与平台两端的填土高度，高差悬殊沉陷量突变，容易产生裂缝，导致渗透破坏。 

　　2.1.2土石坝渗漏的特征。根据渗流破坏机理不同，渗漏主要分为以下几种：①坝体渗漏。浸润线从坝坡逸出将导致坝坡湿润或沼泽化，这种现象一般发生在均质坝或混合土料坝型中，过高的浸润面增加了滑坡的可能性，同时由于渗流的长期作用和气温及降雨的影响，坝坡土体的抗剪强度减小，局部渗透破坏，滑塌的可能性加大[3]。②下游坝面出现集中渗漏。坝体在分层填筑时土层较厚，施工机械的功率不足，致使每层填土上部密实，下部疏松形成水平集中渗漏带，有的坝由于施工组织落后，特别是大规模的人工填筑施工，由于采用分段包干的填筑方法，土层厚薄不一，上升速度不一致，致使相临两段的接合部位出现了少压或漏压的松土带。③坝体裂缝渗漏。坝体开裂是形成坝体隐蔽渗漏的原因之一，由于心墙或斜墙后的坝壳一般是强透水的土料，通过裂缝的集中渗漏将在坝壳中扩散，因而难以发现集中渗漏区，根据坝壳浸润面观测成果也难以判断渗漏的存在。④坝后地面渗漏。土石坝外坡坝后地面出现砂沸、砂环、泉涌、管涌或沼泽化是经常遇到的渗漏现象，其成因与地层的构造及未能采取有效的渗流控制有关。对表层为透水性较小的粉细砂、淤泥或壤土，其下为强透水的砂砾石或砂层地基，若坝后没有采取排水减压措施（减压井、减压沟）或有排水设施，但是由于这种地层的渗流出逸坡降较大，当出逸坡降大于表层土的临界坡降时，坝后地面即出现砂沸等破坏现象[4]。⑤坝基渗漏及防渗设施的非正常渗漏。许多在特殊历史时期建造的土石坝不是根据坝工理论按照规范来进行的，许多土石坝开工建设前未作前期的水文地质工作或地质勘探过于粗糙，因而使得土石坝工程乃至大型土石坝工程竟然未作任何防渗处理。⑥接触部位渗漏。在坝体与坝基、坝体两次墙、齿墙与涵管（小型水库中常见）、坝体与两岸山坡、防渗设施与破碎基岩之间的各种接触部位，由于设计和施工等多方面的原因往往容易成为渗漏的捷径而发生接触冲刷甚至垮坝失事。⑦绕坝渗漏。坝的两岸山体裂隙、节理发育或有断层和岩溶，或为透水的第四纪堆积层，则绕坝渗流除影响山体本身的安全外，对坝体和坝基亦有不利的影响。 

　　2.1.3土石坝渗漏对溃坝的影响。坝体和坝基的渗流控制是保证土石坝安全的一项重要措施，由于填筑土石坝的土料和坝基的砂砾是散粒体结构，颗粒间存在大量的孔隙，都具有一定的透水性。水库蓄水后，在水压力的作用下，水流必然会沿着坝身土料、坝基土体和坝端两岸地基中的孔隙渗向下游，造成坝身、坝基和绕坝的渗漏[5]。若这种渗流是在设计控制之下，大坝任何部位的土体都不会产生渗透破坏，则为正常渗流，此时渗流量一般较小，水质清澈透明，不含土壤颗粒，对坝体和坝基不致造成渗透破坏；反之对能引起土体渗透破坏，或渗流源过大且集中，水质浑浊，透明度低，使坝体或坝基产生管涌，流土和接触冲刷等渗透破坏，这种影响蓄水兴利的渗流则为异常渗流。对于已建坝，如何确定异常渗流及其危害性是一个比较复杂的问题，首先要对坝址的工程水文地质有比较充分的了解。坝的设计及施工完善程度也与渗漏有密切的联系，而地质勘探的有限钻孔只能揭示坝址地层的有限情况和局部弱点，诸如节理、裂隙、溶洞、断层及强透水带等情况却难以弄清。另外，坝的防渗体和排水设施设计的正确程度，以及施工质量难以达到理想的境界。由于施工而引起的渗流薄弱环节非人们所能预料，而且土石坝内防渗体开裂也是经常遇到的问题。 

　　2.2自然因素对坝体稳定性的影响 

　　当土石坝受到自然界各种不能预见的破坏作用影响时，如遇非常洪水、风暴、地震、山崩、滑坡和某些潜在的地质作用等，也可能引发溃坝。其中以地震影响及洪水漫顶最为严重。 

　　2.2.1地震影响。地震会影响地质变化，由于剧烈震动使大坝表面和内部产生裂缝，裂缝特别是贯穿裂缝会加大水的渗透作用，削弱大坝的整体性、耐久性和承载能力，影响大坝的安全；水是无孔不入的流体，只要大坝和基岩有裂缝及孔隙等渗透途径，有压水流的渗透则是难以避免的[6]。但渗透的逐步扩大，将会增加透水量和渗透压力，降低大坝稳定性及地基的承载能力，使大坝产生不均匀沉降变形，对安全不利。当两岸绕坝渗流和基础中的坝下渗流失去控制时，可能引起渗流通道，甚至在坝基形成孔穴使围岩滑塌，最后导致坝体出现裂缝或使坝体遭受破坏；震后还会出现滑坡、变形现象，库区内可能产生重大问题的因素有塌方、断层活动、“震潮”冲击（地震或滑坡引起水库水面的波动）、岸边冲刷等；不均匀沉陷等异常变形会导致大坝产生裂缝、倾斜、甚至蹋毁[7-10]，如果大坝的滑动力超过基础面上的抗滑能力时，则可能产生沿基础面的滑动，这是非常危险的。 

　　2.2.2洪水漫顶。漫溢将会直接导致大坝溃决。例如，1855―1938年黄河山东段堤防共决口424处，其中漫溢184处；1931年长江大水导致沿线堤决17处，多为漫溢，淹死18万人；1975年8月淮河上游发生特大暴雨，造成板桥、石漫滩2座大型水库大坝漫溢失事，损失惨重。造成漫顶的原因如下：①由于发生大暴雨，降雨集中，强度大，历史长，河道渲泄不及，洪水超过设计标准，洪水位高于堤顶；②设计时，对波浪的计算与实际不符，致使在最高水位时浪高超过堤顶；③施工中堤防未达设计高程，或因地基有软弱层，填土碾压不实，产生过大的沉降量，使堤顶高程低于设计值；④河道内存在阻水障碍物，如未按规定在河道内修建闸坝、桥涵、渡槽以及盲目围垦、种植片林和高杆作物等，降低了河道的泄洪能力，使水位壅高而超过堤顶；⑤河道发生严重淤积，过水断面缩小，抬高了水位；⑥主流坐湾，风浪过大，以及风暴潮、地震等壅高水位。 

　　3参考文献 

　　[1] 汝乃华，牛云光.大坝事故与安全―土石坝[M].北京：中国水利水电出版社，2001. 

　　[2] 李其军，陈肇和.土石坝漫坝风险理论与应用[M].北京：中国水利水电出版社，2009. 

　　[3] 宋恩来.国内几座大坝事故原因分析[J].大坝与安全，2000，14（2）：41-44. 

　　[4] 李雷，王仁钟，盛金保，等.大坝风险评价与风险管理[M].北京：中国水利水电出版社，2006. 

　　[5] 朱勇辉，廖鸿志.国外土坝溃坝模拟综述[J].长江科学院院报，2003，20（2）：26-29. 

　　[6] 唐寿同.土石坝安全评估[J].大坝与安全，1996，8（4）：1-6. 

　　[7] 李超，李天科，郭清华，等.小型土石坝安全监测研究[J].水利科技与经济，2010（1）：96-98. 

　　[8] 朱昌明，王耀伟，毕翠清.水库土石坝安全隐患与除险加固措施[J].农村实用科技信息，2008（11）：45. 

　　[9] 魏宇，刘超萍.浅谈土石坝安全鉴定工程地质勘察的几点体会[J].广西水利水电，2006（4）：14-16. 

　　[10] 周小光.浅谈土石坝安全隐患问题及其处理措施[J].水利科技与经济，2005（12）：717-718.