劉德峰,宰維東,謝 營(yíng)

(1.東平縣東平湖開(kāi)發(fā)工程處,山東 東平271500;2.山東省德州水文水資源勘測(cè)局,山東 德州253016)

小型水庫(kù)遭破壞的危險(xiǎn)主要是潰壩風(fēng)險(xiǎn)[1～4],因此需要進(jìn)行潰壩風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別。危險(xiǎn)包括內(nèi)因和外因,內(nèi)因是指水庫(kù)樞紐建筑物自身存在的問(wèn)題;外因是指洪水、地震、人為失誤等因素導(dǎo)致的水庫(kù)大壩破壞。危險(xiǎn)識(shí)別是識(shí)別可能引起水庫(kù)大壩破壞的所有危險(xiǎn)。把所有可能的危險(xiǎn)都找出,然后確定其對(duì)大壩的危害程度。導(dǎo)致水庫(kù)大壩破壞的危險(xiǎn)有些比較明顯,如洪水、地震、庫(kù)水位急劇下降、大壩滑坡,有些則不太明顯,如操作人員失誤、故意破壞、戰(zhàn)爭(zhēng)破壞、火災(zāi)、水庫(kù)邊坡滑坡、雷擊、大風(fēng)、火山活動(dòng)等。本文通過(guò)對(duì)歷史潰壩資料的統(tǒng)計(jì)分析,得出水庫(kù)潰壩的主要原因,在此基礎(chǔ)上分析水庫(kù)的潰壩原因和潰壩模式及主要潰壩路徑,為小型水庫(kù)大壩的潰壩概率的確定奠定基礎(chǔ),并為其除險(xiǎn)加固提供依據(jù)。

1 歷史潰壩資料統(tǒng)計(jì)

根據(jù)1954年～2008年的統(tǒng)計(jì)資料,我國(guó)已發(fā)生潰壩的3 462座水庫(kù)中,小型水庫(kù)有3 336座,占潰壩總數(shù)的 96.4%,其中小(一)型水庫(kù)668座,小(二)型水庫(kù)2 668座。

1.1 小(一)型水庫(kù)

1954年～2008年,全國(guó)小(一)型水庫(kù)潰壩 40座以上的省(區(qū))分別有新疆、四川、陜西、山西、云南、黑龍江,潰壩概率為9.601×10-4。55 a中有兩個(gè)潰壩高峰,其一是1960年前后,1959年、1960年、1961年,年潰壩概率分別為49.06×10-4、44.97×10-4、41.56×10-4。其二是 1973年前后,1973年和1972年的潰壩概率分別為51.79×10-4、27.94×10-4。出現(xiàn)潰壩高峰的主要原因是,1960年前后屬于蓄水初期,而且在特定的歷史條件下,疏于管理;1973年前后主要是管理問(wèn)題。1980年后隨著管理的加強(qiáng),年潰壩概率明顯持續(xù)下降,近30 a內(nèi)潰壩概率為 2.777×10-4,低于 1954年～2008年間的年平均潰壩概率的1/3。

1.2 小(二)型水庫(kù)

1954年～2008年,潰壩100座以上小(二)型水庫(kù)的有11個(gè)省(市、自治區(qū)),150座以上有5個(gè)省。1973年的年潰壩率已高達(dá)72.5×10-4。1982年加強(qiáng)管理后,潰壩概率下降為0.763×10-4。

1.3 不同時(shí)期的潰壩概率的比較

不同時(shí)期的潰壩概率不同。表1是小型水庫(kù)在不同時(shí)期的年平均潰壩概率。

表1 小型水庫(kù)在不同時(shí)期的年平均潰壩概率(×10-4)

1.4 壩型的潰壩情況統(tǒng)計(jì)

表2是已潰決小型水庫(kù)壩型來(lái)統(tǒng)計(jì)所占的潰壩比例。

表2 按壩高統(tǒng)計(jì)潰壩的比例

均質(zhì)壩、心墻壩、土石混合壩均稱(chēng)為土石壩,已潰壩中土石壩占97.8%。由此可知,進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析,防止或減少潰壩,必須重點(diǎn)研究土石壩潰決的原因和機(jī)理。

2 小型水庫(kù)潰壩原因及分析[5～8]

2.1 小型水庫(kù)潰壩主要原因

根據(jù)歷史潰壩資料的分析得出我國(guó)小型水庫(kù)潰壩原因見(jiàn)表3

表3 小型水庫(kù)潰壩原因

由上表可知,我國(guó)已潰壩的潰壩原因主要有洪水漫頂、各種大壩質(zhì)量引起的潰壩、管理不當(dāng)及其他。其中最主要的是漫壩和質(zhì)量引起的潰壩。

2.2 潰壩原因分析

對(duì)表3列出的多種潰壩原因深入進(jìn)行分析如下。

2.2.1 漫頂導(dǎo)致潰壩

很多原因可以導(dǎo)致漫壩,進(jìn)而發(fā)展為潰壩,往往一座水庫(kù)大壩的漫頂是多種原因共同作用的結(jié)果,先將主要原因概括如下,見(jiàn)表4。

表4 導(dǎo)致大壩漫頂?shù)闹饕?/p>

對(duì)于已潰決的大量小水庫(kù)來(lái)說(shuō),集中暴雨、防洪標(biāo)準(zhǔn)低、上游水庫(kù)潰決、溢洪道泄流能力不足是最主要的原因。

2.2.2 滲流破壞導(dǎo)致潰壩

滲流破壞是土石壩中最常見(jiàn)的病險(xiǎn)癥狀之一。大壩潰決的一種表現(xiàn)為集中滲流,逐漸發(fā)展成為管涌、流土,沖刷周邊通道不斷坍塌、擴(kuò)大,管涌無(wú)法控制而最終潰壩。另一種是異常滲流導(dǎo)致浸潤(rùn)線(xiàn)抬高,壩后大面積散浸,使得下游壩體穩(wěn)定性下降而導(dǎo)致滑坡,引起壩頂高程不足,庫(kù)水漫溢而潰壩。由于滲流破壞而導(dǎo)致潰壩的原因是多方面的,表5列出了滲流破壞的主要原因。

2.2.3 結(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致潰壩

結(jié)構(gòu)破壞包括兩大部分:壩體過(guò)度變形造成的大壩裂縫和大壩整體失穩(wěn)。

幾乎所有的大壩都有裂縫,關(guān)鍵是是否會(huì)發(fā)展成為大壩潰決的因素。裂縫都有個(gè)發(fā)展過(guò)程,一旦裂縫發(fā)展到某種程度,就可能成為大壩潰決的隱患。如果裂縫是貫穿性的橫向裂縫,則可能成為集中滲流通道,導(dǎo)致大壩滲流沖刷破壞,可能潰決。即使是表層裂縫,雖然在正常高水位以上,但洪水期庫(kù)水位上升時(shí),也有可能成為過(guò)水通道,危及安全。而且汛期多水,雨水滲入裂縫,將加速裂縫的發(fā)展。如果是縱向裂縫,則可能是壩體整體破壞的前兆。如果裂縫兩端向上游或下游發(fā)展,則更有整體滑動(dòng)的可能;再遇到汛期雨水多,雨水進(jìn)入裂縫,將加速滑動(dòng)的發(fā)生。如果是水力劈裂的水平裂縫,屬于深層內(nèi)部裂縫,難以發(fā)現(xiàn),危險(xiǎn)性較大,即使沒(méi)有發(fā)展成為貫穿性裂縫,但已經(jīng)使得滲經(jīng)縮短,坡降加大,較易發(fā)展為集中滲漏通道。

表5 導(dǎo)致滲流破壞的主要原因

2.2.4 溢洪道、壩下涵管破壞導(dǎo)致潰壩

溢洪道破壞是指溢洪道質(zhì)量差,在泄洪過(guò)程中被沖毀,或者由于溢洪道和壩體、壩基結(jié)合不好,發(fā)生接觸沖刷導(dǎo)致溢洪道沖毀。溢洪道上閘門(mén)和結(jié)構(gòu)方面的問(wèn)題、溢洪道滑塌引起潰決部分包括在漫頂部分。

我國(guó)小水庫(kù)壩下埋管隱患嚴(yán)重、質(zhì)量差,襯砌不好、埋管周?chē)雺翰粚?shí),和壩體結(jié)合部位無(wú)截滲環(huán)等防滲措施,還有的改變功能,用作壓力管道。種種隱患造成了壩下埋管的損壞而導(dǎo)致潰壩。

2.2.5 其他原因?qū)е聺?/h4>

其他原因主要包括管理、設(shè)計(jì)不當(dāng),庫(kù)區(qū)塌方,水庫(kù)淤積,人為破壞等。

3 潰壩模式和潰壩路徑分析

潰壩模式分析是水庫(kù)大壩風(fēng)險(xiǎn)分析過(guò)程中的重要環(huán)節(jié),根據(jù)各種可能出現(xiàn)的外荷載,分析在荷載作用下,大壩組成部分(包括擋水、輸水、泄水建筑物及附屬建筑物)可能出現(xiàn)的破壞形式,并分析是否可能發(fā)展成為潰壩事件,最終形成從荷載～建筑物～破壞～潰壩的途徑。水庫(kù)大壩潰決是在內(nèi)部薄弱環(huán)節(jié)和外部荷載共同作用下發(fā)生的,可能方式很多。內(nèi)部薄弱環(huán)節(jié)的存在和外部荷載的出現(xiàn)都具有不確定性,不同的荷載組合會(huì)出現(xiàn)不同的潰決模式。如果在水庫(kù)大壩發(fā)生潰決事故前就能夠分析出可能發(fā)生的潰決方式和可能性,則對(duì)于水庫(kù)大壩的安全將會(huì)起到?jīng)Q定性的作用,可以針對(duì)性地預(yù)防潰壩災(zāi)害和減少潰壩帶來(lái)的損失。

根據(jù)上文對(duì)我國(guó)已潰壩情況的分析,可以總結(jié)出小型水庫(kù)主要的潰決模式如下:

(1)汛期由于無(wú)泄洪設(shè)施或泄量不足、壩頂高程不足、閘門(mén)故障等原因引起漫壩;

(2)汛期壩體、壩基或壩下埋管滲透破壞導(dǎo)致潰壩;

(3)汛期由于溢洪道沖毀或壩體滑坡導(dǎo)致潰壩;

(4)非汛期壩體、壩基或壩下埋管滲透破壞、生物破壞導(dǎo)致潰壩;

(5)地震導(dǎo)致潰決;

(6)操作失誤、破壞等人為因素導(dǎo)致潰壩。

由于我國(guó)95%以上的小型水庫(kù)為土石壩,根據(jù)小水庫(kù)特點(diǎn)和潰壩原因,對(duì)小型土石壩的可能潰壩模式進(jìn)行初步分析后得到以下6大類(lèi)潰決模式和20種可能的土石壩潰決路徑,詳見(jiàn)表6。但對(duì)某一小水庫(kù)來(lái)說(shuō),大壩特性不同,內(nèi)部環(huán)節(jié)不同,潰決模式和破壞路徑都會(huì)有所區(qū)別。

表6 小型水庫(kù)主要潰壩模式和潰壩路徑

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)本文在歷史潰壩資料分析的基礎(chǔ)上對(duì)小型水庫(kù)大壩常見(jiàn)的潰壩機(jī)理和潰壩模式進(jìn)行了分析,為小型水庫(kù)大壩的潰壩概率的確定奠定了基礎(chǔ)。

(2)本文成果為正在開(kāi)展小型水庫(kù)大壩安全鑒定和除險(xiǎn)加固工作提供了理論依據(jù)。

(3)作者建議在利用本文理論成果時(shí),一定要認(rèn)真分析安全鑒定資料并且借助專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)。

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