大壩失事案例原因分析及對策探討

2014-03-15 14:43:36黃小波

湖南水利水電 2014年3期

黃小波

（永州市水利水電勘測設(shè)計院永州市 425000）

1 概述

20 世紀(jì)隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，水利水電事業(yè)也進(jìn)入了一個全新的階段。據(jù)國際大壩安全委員會統(tǒng)計，截止1980年全球已建成高于15m的大壩18000多座。以我國為例，截止1996年底，中國已建成大中小型水庫8.4萬余座，總庫容4700余億m3，其中90%為土壩。這些水庫在防洪、灌溉、發(fā)電、城市生活用水方面發(fā)揮了巨大作用。

據(jù)統(tǒng)計，世界上每年平均毀壩1～2座，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他同類建筑物的破壞幾率。就運行安全可靠性而言，混凝土重力壩最高，土石壩相對稍差。由于壩工建設(shè)的復(fù)雜性，要完全消除大壩失事幾乎是不可能的。一旦潰壩失事，不僅工程毀壞，而且會對下游地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生命財產(chǎn)造成毀滅性的災(zāi)害。

2 大壩失事案例

（1）法國的Malpasset拱壩。

1959年12月2日，法國馬爾帕塞特（Malpasset）拱壩失事，震驚了世界，該壩1954年竣工，高61.0 m，為當(dāng)時世界上最薄的拱壩，潰壩后造成421人死亡。法國政府對大壩失事原因進(jìn)行調(diào)查，結(jié)論是：左岸壩肩地質(zhì)條件較差，傾向下游的片麻巖片理被右壩肩下游1條傾向上游的斷層所切割，形成了具有2個軟弱滑面的楔形巖體。水庫蓄水后懸臂梁底部產(chǎn)生拉應(yīng)力，壩踵開裂，水流沿片理深入，形成巨大的揚壓力。壩肩滲流場產(chǎn)生的力加上拱推力，導(dǎo)致支撐壩體的楔形巖體滑動，左壩肩產(chǎn)生了變形和位移，致使壩體破壞。

（2）美國的Teton黏土心墻壩。

美國的提堂壩是一座黏土心墻壩，壩基為多孔洞且裂隙嚴(yán)重的凝灰?guī)r和玄武巖，上部覆蓋30m厚的沖積土和風(fēng)化巖層，心墻下的壩基中設(shè)有3道防滲帷幕，深度達(dá)100m，由于施工質(zhì)量不高，水庫蓄水后滲流擊穿帷幕，從靠近下游壩腳處的壩坡上逸出，產(chǎn)生管涌，致使大壩潰決。失事導(dǎo)致壩體1/3土料被沖走，發(fā)電廠房上部建筑、開關(guān)站和倉庫全部破壞，廠房下部結(jié)構(gòu)、水輪機、尾水渠等被泥沙埋沒。提堂河和斯內(nèi)克河下游130km，面積780km2的地區(qū)全部或局部遭受潰水泛濫。4萬hm2農(nóng)田被淹，沖毀鐵路52km，11人死亡，25000人無家可歸。

（3）美國的StFrancis重力壩。

1928年美國洛杉磯的圣弗朗西斯（StFrancis）重力壩失事的內(nèi)因是壩址處存在有地質(zhì)缺陷，而外因則是滲流。壩基由2種巖石組成，峽谷底部和左壩肩為相對均勻的頁巖，右壩肩為礫巖，壩址處有順流向的斷層和古滑坡體，在蓄水初期沿壩體、斷層和壩肩就開始發(fā)生滲漏。由于礫巖中含有可溶性礦物，巖石吸水軟化受水流沖刷該部位出現(xiàn)缺口導(dǎo)致右側(cè)壩體失去支撐。在水壓力的作用下，古滑坡體復(fù)活，巖體沿頁巖層面楔入壩體左側(cè)基礎(chǔ)并將壩體抬高，最終洪水將重達(dá)萬噸的混凝土塊卷走，造成450多人死亡。

（4）我國的石漫灘大壩。

石漫灘水庫在河南省舞陽市洪河上游，工程于1952年竣工，1955年重新做洪水計算，并對工程進(jìn)行擴建。大壩為粉質(zhì)粘土均質(zhì)壩，最大壩高25m，總庫容0.92億m3。1975年8月4～8日，因受3號臺風(fēng)的影響，庫區(qū)發(fā)生特大暴雨，3天降雨量達(dá)1074.5 mm，5日第一次入庫洪峰流量為3640m3/s，23時第二次入庫洪峰流量達(dá)6280m3/s。7日22時30分庫水位與壩頂齊平，又加上其上游的元門水庫潰壩，1000萬m3的水量泄入石漫灘水庫。8日0時20分庫水位升至111.37m，超過防浪墻0.37m而潰壩，最大潰壩流量20000m3/s，約4小時水庫全部泄空。

3 大壩失事原因分析

（1）壩基破壞。

壩體依靠與壩基和岸坡的緊密結(jié)合來抵抗外部荷載的作用，壩基若出現(xiàn)問題就會直接威脅大壩的安全，據(jù)統(tǒng)計大約有40%的大壩失事是由基礎(chǔ)引起的。壩基破壞主要由壩基地質(zhì)缺陷或處理不當(dāng)引起。在所有壩型中，由于鋼筋混凝土壩、混凝土壩及堆石壩體型小、地基應(yīng)力大、壩體自身適應(yīng)變形的能力差，因而對地基的要求較土石壩為高。如法國馬爾帕塞特（Malpasset）拱壩失事事件。壩基處理不當(dāng)也會造成壩體失事，西班牙的普恩特重力壩在施工時發(fā)現(xiàn)壩基有比較厚的砂卵石沖積層。設(shè)計采用木排提高地基的承載力，水庫蓄水初期，壩體比較穩(wěn)定，隨著水位的升高，巨大的靜水壓力將壩體底部的沖積層擊穿，水庫蓄水很快被泄光，壩基徹底毀壞。

（2）泄流能力不足。

泄水建筑物是水利樞紐的重要建筑物之一，因為泄水建筑物存在問題，特別是泄流能力的不足，而造成水利樞紐損傷、故障進(jìn)而失事的僅土壩就占44%左右，因此必須引起高度重視。

目前大多數(shù)水利樞紐的設(shè)計流量仍采用數(shù)理統(tǒng)計的方法確定，由于水文現(xiàn)象的隨機性、水文系列的短缺或代表性不夠、水文參數(shù)的不確定性，加之對樞紐所在地的水文情況研究不深，對洪水疊加的可能性考慮不周，考慮工程項目的經(jīng)濟(jì)性，極有可能導(dǎo)致泄水建筑物設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低或在遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時泄流能力嚴(yán)重不足。如印度馬其胡（Machhu）II壩，該壩于1972年建成，壩頂高60m，1979年大壩遭遇特大暴雨而漫頂，當(dāng)時實際流量為14000m3/s，然而實際泄流能力只有6000m3/s。馬其胡Ⅱ壩共有18個溢流孔，其中3孔因壩上電器設(shè)備失靈，未能開閘放水，致使事故災(zāi)害加重。左右兩岸土壩分別有長1066m和700m的一段被沖垮，決口后的洪水淹沒了莫維市，沖毀12700間房屋，傷亡近萬人。

同時造成漫頂潰壩的還有泄水建筑物的主要閘門機構(gòu)失靈，1958年印度卡達(dá)姆壩就是一例。一般而言泄水建筑泄流能力不足對混凝土壩的影響比較小，只要壩基能抵抗超標(biāo)準(zhǔn)洪水的沖刷，對損傷部位進(jìn)行及時的修復(fù)，不會造成壅水建筑物的破壞。

鑒于已發(fā)生一連串因泄流能力不足而引起的垮壩事故，很多國家重新審定了已建和在建的樞紐設(shè)計流量，同時增加某些泄水建筑物的泄流能力。為了確保大壩安全，許多工程采用輕型結(jié)構(gòu)加固的壩段來作漫頂溢流壩段。

（3）滲流控制措施不當(dāng)。

水庫蓄水后，必然通過壩體、壩基和壩端兩岸產(chǎn)生滲流。隨著水位的抬高，基礎(chǔ)孔隙水壓力逐漸增加，可以使土體發(fā)生管涌、流土、接觸沖刷和接觸流土破壞，引起壩基和壩體破壞。若土石壩碾壓不密實，壩體內(nèi)往往會形成隱患裂隙及通道或透水層，導(dǎo)致壩體浸潤線抬高，也可以引起壩體破壞。

對于含有石膏或其它可溶性物質(zhì)的地基，滲流可以引起地基的侵蝕，使壩體產(chǎn)生不均勻沉降。軟弱夾層或斷層在滲透水流的作用，層面強度降低，引起壩基或壩體滑動。同時水流沿著壩體兩岸裂隙、節(jié)理、斷層或軟弱夾層，發(fā)生側(cè)岸繞滲，抬高岸坡部分壩體的浸潤面和壩基揚壓力，給水庫蓄水或壩體安全帶來影響。

由于滲流為地下水所為，常被忽視，因此破壞性比較大，據(jù)維也納世界大壩失事數(shù)據(jù)站統(tǒng)計，因滲流控制不當(dāng)引起大壩失事占34%。美國的圣弗朗西斯重力壩失事的外因就是滲流。

（4）滑坡。

水庫一般位于高山峽谷地區(qū)，常會遇到岸坡穩(wěn)定問題，一旦滑坡發(fā)生，將造成很大的危害。堵塞泄水建筑物，直接威脅建筑物的安全；大體積滑體高速滑入水庫激起巨大涌浪，對大壩形成很大的沖擊荷載，甚至漫頂，導(dǎo)致大壩失事，給下游人民的生命財產(chǎn)帶來巨大損失，如意大利的瓦伊昂拱壩。

（5）地震。

地震波碰到建筑物后，會引起建筑物的震動，因而在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生復(fù)雜的剪應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，從而使建筑物受到破壞，研究表明還沒有因為地震而造成混凝土壩失事的事例發(fā)生。地震對土壩造成的破壞表現(xiàn)為滑坡、裂縫以及較大的沉降變形，但造成潰壩失事的比較少，最為嚴(yán)重的是美國的下圣費南多壩，該壩為水力沖填壩，地基由軟巖組成，軟巖上覆大約10.56m的砂和硬粘土；在1971年2月9日發(fā)生的圣費南多地震中，壩上游面發(fā)生了大面積的滑坡，事后壩體殘余部位離庫水位僅1.21m，若不是提前降低庫水位或地震再延續(xù)幾秒種，造成的損失將不可估量。

（6）施工質(zhì)量差。

由于施工質(zhì)量差而使壩體出現(xiàn)問題的現(xiàn)象是比較普遍的，如壩身分層、分段和分期填筑時層與層、段與段以及前期與后期之間的結(jié)合面不好；在土壩填筑過程，對壩體填料控制不嚴(yán)土體含水量過高，碾壓不密實，壩體出現(xiàn)不均勻沉降、縱橫裂縫使壩體漏水或影響壩體的安全；壩基清基不徹底或未清基，或未對地基進(jìn)行處理，運行中壩基會形成滲水通道或壩后出現(xiàn)諸多滲透破壞現(xiàn)象；施工中對溢洪道的護(hù)砌質(zhì)量差、輸水涵管截水環(huán)做得不好也會影響壩體的穩(wěn)定性。由施工質(zhì)量低下而造成壩體失事的例子也不少，位于西班牙北部的維格德特拉（Vegade Tera）支墩壩，壩體由混凝土面板和磚石支墩組成，主要提供灌溉和金礦用水，壩高34m。由于面板、支墩新舊層面連接較差沿薄弱部位發(fā)生嚴(yán)重滲漏，1959年1月10日，遭遇特大洪水，滿庫后由于承載力不夠，接連垮塌，整個大壩毀壞，造成近百人傷亡。

4 防止大壩失事對策探討

大壩失事并不是由單純一個因素引起的，往往是多個因素共同作用的結(jié)果。水工建設(shè)中存在許多無法預(yù)見的因素，理論上講完全避免大壩失事是不可能的，從已失事大壩的調(diào)查分析資料表明，在設(shè)計、施工或管理方面采取認(rèn)真負(fù)責(zé)的態(tài)度，采取切實可行和行之有效的措施，按現(xiàn)有的技術(shù)水平防止大壩失事是完全可以做到的。

（1）設(shè)計。

水工建設(shè)是一個復(fù)雜過程，涉及到水文、地質(zhì)、巖土、地震、地質(zhì)構(gòu)造等多個學(xué)科，需要各個領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)人員緊密配合，對筑壩可能性以及可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行研究。對于復(fù)雜巖基和軟弱土基，必須針對地基材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行周密研究，采取必要的地基處理措施等等。

在作基礎(chǔ)性研究工作的同時，有必要采取現(xiàn)代計算技術(shù)和計算理論，對大壩施工和運行狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，以指導(dǎo)水工設(shè)計。例如利用大型有限元程序?qū)误w影響區(qū)域進(jìn)行靜動力應(yīng)力應(yīng)變、滲流分析，研究各種因素對壩體應(yīng)力場和滲流場的影響，對容易導(dǎo)致壩體失事的部位進(jìn)行工程處理。

由于大量客觀存在而又難以確定的因素存在，有必要對大壩安全引入風(fēng)險度的概念，將影響大壩失事的主要因素，如壩基破壞、泄水建筑物泄流能力、滲流、地震、滑坡、施工質(zhì)量低下等作為風(fēng)險因子，并通過其概率分布函數(shù)（PDF），根據(jù)分析各風(fēng)險因素相互遭遇的可能性，估算出現(xiàn)大壩失事的概率。

（2）施工。

質(zhì)量是工程的生命線，據(jù)我國垮壩失事分析，1954～1990年，由于施工質(zhì)量問題而造成水庫失事的占38%，因此應(yīng)給予足夠的重視。在工程建設(shè)中必須嚴(yán)格按照國家的工程建設(shè)規(guī)定做，采取發(fā)包形式，建設(shè)單位應(yīng)對承擔(dān)施工的單位進(jìn)行資格審查。施工單位應(yīng)具備與大壩工程規(guī)模相適應(yīng)的施工能力和施工經(jīng)驗，必須嚴(yán)格按施工承包合同施工。大壩施工應(yīng)有嚴(yán)格的質(zhì)量檢查制度和質(zhì)量控制系統(tǒng)，對施工單位進(jìn)行監(jiān)督、檢查、評估和驗收，以確保工程質(zhì)量。

（3）管理。

完善的大壩管理制度是工程充分發(fā)揮作用的前提，過去普遍存在有重建輕管的思想，國內(nèi)外由于管理不善而導(dǎo)致大壩失事或損失加重的，舉不勝舉，如前面提到的馬其胡垮壩事件。因此要建立和健全大壩管理機構(gòu)，對大壩進(jìn)行定期養(yǎng)護(hù)、維修、安全監(jiān)測，做到專人專管、專門負(fù)責(zé)，責(zé)任明確。對承擔(dān)防洪任務(wù)的大壩，對較大洪水，特別是超標(biāo)準(zhǔn)洪水，僅僅依靠防洪工程措施是很難起到明顯減災(zāi)效果的，為了將洪災(zāi)降低到最低程度，必須將工程措施與非工程措施結(jié)合起來，非工程措施種類較多，例如洪水預(yù)警、防汛調(diào)度等等，這就對大壩的管理提出了更高要求。

4.4 安全監(jiān)測

在長期復(fù)雜的自然環(huán)境條件影響和各種內(nèi)外作用力作用下，大壩存在狀態(tài)和工作狀況隨時都在變化。為了及時掌握大壩的工作情況和變化，以便采取補救措施，避免大壩失事，應(yīng)對大壩進(jìn)行安全監(jiān)測。安全監(jiān)測內(nèi)容包括壩體位移與變形、應(yīng)力滲流以及庫岸變位等。如果壩體產(chǎn)生了可見性裂縫，則表明壩基內(nèi)部可能發(fā)生了某種位移，壩體或壩基滲水水質(zhì)渾濁，則表明上述部位可能發(fā)生材料溶蝕和溶解現(xiàn)象。通過對觀測成果進(jìn)行定量和定性分析，不僅有助于了解大壩的工作狀態(tài)，而且觀測數(shù)據(jù)中蘊藏各種物理量變化規(guī)律的寶貴信息對指導(dǎo)今后的水工設(shè)計起到積極的作用。

5 結(jié) 語

水利工程大壩安全責(zé)任重于泰山，通過對大壩失事事故的回顧和分析，說明在大壩設(shè)計、施工和運行過程中，任何失誤和疏忽都將影響到大壩的安全運行，都有可能鑄成大禍，造成巨大損失，為此，必須加強大壩設(shè)計、施工、運行全過程的安全管理。以高度的責(zé)任感，吸取國內(nèi)外大壩失事的教訓(xùn)，認(rèn)真規(guī)劃、精心設(shè)計、精心施工、加強管理，運用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，就能建設(shè)一個經(jīng)濟(jì)、高效、安全的大壩，為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和保障人民生命財產(chǎn)作出積極貢獻(xiàn)。

[1]周元春，薛桂玉，何金平等.大壩安全風(fēng)險評估初探[J].中國農(nóng)村水利水電，2005，（10）:47-53.

[2]顧慰慈.土石（堤）壩的設(shè)計與計算[M].北京:中國建材工業(yè)出版社，2006.

[3]馬永峰，生曉高.大壩失事原因分析及對策探討[J].人民長江，2001，（32）:53-59.

[4]彭進(jìn)夫，賴春芳.對法國馬爾帕賽拱壩失事的認(rèn)識[J].西北水電2001，（3）:21-24.

[5]宋恩來.國內(nèi)幾座大壩事故原因分析 [J].大壩與安全，2000，（2）:41-44.

[6]邢林生.三座大壩潰壩事故的啟示[J].大壩與安全，2002，6: 53-58.

[7]王松，孫靜.水庫垮壩的影響分析與評價淺議[J].水利水電技術(shù)，1999，（30）:35-36.

[8]邢林生.我國水電站大壩事故分析與安全對策[J].水利水電科技進(jìn)展，2001，（21）:26-32.

[9]劉杰.八一水庫潰壩原因分析[J].中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報，2004，（2）:161-166.