土石坝溃坝研究
1 土石坝溃坝的危害
1.1 土石坝的兴建与溃坝统计情况
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同之处，统称土石坝。土石坝在世界上历史悠久，应用最为广泛，随之今年来大兴土方施工机械、岩土理论和计算技术都得发展，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。土石坝一般由坝身、防渗体、排水体和护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，减少筑坝材料远运输费用；二是对地质、地形条件要求低，任何不良地基镜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、供水流量大的河道上施工导流较混凝土坝困难；采用粘土料作防渗体时，粘性土料施工受气候条件影响较大等。我国已建水库85200多座，居世界第一位，这些水库大坝在防洪、灌溉、发电、供水、改善生态环境等方面发挥着巨大作用，是我国防洪工程体系的重要组成部分，也是保障国民经济可持续性发展的重要基础设施。我国的大坝大多建于20世纪50～70年代，90％以上为土石坝，建设标准偏低，工程质量差，其中存在不同程度病险的大坝总数超过3万座。这些带病运行的大坝，不仅难以发挥应有的工程效益，而且容易酿成溃坝灾难，严重威胁着下游人民的生命财产、基础设施及生态安全。由于设计、施工和管理等多方面的原因，许多大坝都存在不同程度的裂缝、渗漏、滑坡、护坡破坏、动物破坏(洞穴)等隐患，严重影响水库的正常运行、效益的发挥并对下游人民群众的生命财产构成严重威胁，成为病险水库。准确、及时地评价土石坝的隐患和病害，及时采取处理和加固措施，是当前水利工程管理中亟待解决的一项重要课题。
我国溃坝失事的统计先后进行过3次,1962年水利电力部水利管理司根据各地大坝报告资料汇编刊印了《水库失事资料汇编》，载入1954至1961年底的失事坝共532座，包括库容1亿m3 以上大型水库8座，占当时大型水库总数的3.5%；库
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容1000万m3～1亿m3的中型水库76座，占中型水库总数的5.5%。库容1000万m3以下的小型水库448座，其中库容100万m3以上的157座。主要发生在1959～1961年，如图1-1所示。
1979年起进行第二次统计，水利部工程管理司在1962年资料汇编的基础上，在各省、直辖市、自治区水利管理部门的配合下，进一步补充核对，比较详细地整理编制了《全国水库垮坝登记册》。
截止1980年底，全国大、中、小水库溃坝（包括溢洪道及输水洞的冲毁）共2976座，平均溃坝率为3.4%。其中大型水库2座，占大型水库总数的0.6%；中型水库117座，占中型水库总数的5.1%；小（1）型水库594座，占小（1）型水库总数的4.2%；小（2）水库2263座，占小（2）型水库总数的3.2%。在溃坝总数中，发生运行期的占74%，发生在施工期的占26%，小型水库溃坝占96%。全国平均每年溃坝110座，其中数量最多的是1973年，达554座。
按坝型划分，溃坝总数中土石坝最多，为2925座，堆石坝17座，2976混凝土坝只有1座。按破坏部分和时段划分，坝体破坏占2586座（86.9%），溢洪道破坏占197座（6.6%），输水洞破坏157座（5.3%），情况不明的36座（1.2%）。
1991年第三次统计，水利部水利管理司继续登记了80年代（1981-1990年）溃坝的266座水库，编写成了《全国水库垮坝统计资料》，在此基础上，先后集合第一、第二次统计资料，做了深入的分析，揭示出一些重要的特征，这是迄今为止较为全面的材料，今归纳摘录于下。
（1）按水库类型统计，如表下表所示。
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由表1-2可见，以数量而言，小型水库占总水库数的96.6%，而小型水库溃坝数又占溃坝数的96.2%，反映出中国大坝安全的重点在于小型水库大坝的建设与管理。
（2）按坝高统计，表1-2内的小型水库溃坝输中，有1662座坝高小于15m，另有309座坝高不明，是有符合国际大坝委员会定义坝高15m以上的小型水库溃坝为1271座，其中坝高15-30m的1173座，占92.3%；30-55m的98座，占7.7%，按坝高与占溃坝总数百分比统计的分布，表明溃坝数量做多的坝其高度是20m左右，这和国际统计结果小于30m基本一致。
（3）按年代统计，从1954-1990年期间按溃坝数量统计的历年分布，清楚显示出两个溃坝高峰期在1959-1961年和1973-1975年，这正是“大跃进”和“十年动乱”后期。前者3年内溃坝463座，占总溃坝输14.3%；后者3年内溃坝1241座，占38.3%；其中1973年一年溃坝就达554座，为平均年份的8倍，但进入80年代后，溃坝数明显减少，10年溃坝266座，仅占8.2%，90年代以后则更少。
（4）按溃坝发生阶段统计，76%溃坝发生在运行阶段，24%发生在施工阶段。大型水库并无施工期溃坝记录，但中型水库则相反，施工期溃坝数量占总数58%，小型水库则都在运行期失事，按运行期和施工期分别统计，也显示出溃坝数量在70年代剧增和80年代后缓和的趋势。
（5）按省份分布统计，溃坝率最高的省份是在北方，溃坝率低的在南方，据李君纯分析，这与北方比南方干旱、寒冷、土料内含粘土少，以及地区偏远，经济不发达有关。
（6）按事故原因统计，分为五类，即：①洪水漫顶。大多因为水文资料短缺、洪水设计不当、标准偏低和泄洪能力不足造成。②设计、施工质量差。主要是坝和地基防渗和稳定性不足，引起管涌、滑坡和开裂而破坏。③运行管理不善。包
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括防汛准备不足，缺少安全监测，水库操作不当或泄洪闸门故障等。④其他，包括泄洪设施失效认为干预等。⑤原因不详。
1.2 土石坝溃坝的危害
我国人口稠密，城镇密集，铁路纵横，工矿罗布，水库溃坝，不仅使工程本身遭受损失，更严重的是给水库下游人民生命财产和经济建设造成灾害，有的甚至造成毁灭性的灾害。“75.8”河南省板桥、石漫滩两座大型水库溃坝，溃坝流量分别为80000m3/s和20000m3/s以上，遇城冲城，遇乡毁乡，数十个县，顿成泽国。洪水夺走了数以万计的生命，造成不可估量的经济损失。除这次历史上最为惨重的垮坝灾害外，据不完全统计，截止1980年，共淹地221万亩，倒房21.7万间。人员伤亡和对城镇、工矿、交通造成的其他损失，过去都无法专门统计。中小型水库垮坝同样也会造成毁灭性的灾害。如1963年8月上旬，河北大洪水，冲垮中型水库5座，即刘家台、东川口、佐村、乱木、马河，库容均在（2000-6000）万m3，坝高19-36m，除马河及乱木水库泄空时间较长，垮坝流量较小外，其余水库泄空时间均为0.5-1h，垮坝流量均在20000m3/s以上，最大28000m3/s。除乱木，佐村两座水库下游1-0.5km入泜河和沙河未造成大的灾害外，其余3座水库均给下游带来了毁灭性的灾害，如刘家台水库垮坝后，坝址下游20km除的最大流量仍有17000m3/s，流速约每秒10-13m，冲毁村庄68个，死亡948人，倒房6.7万间，冲毁、沙压耕地2.4万亩。广东揭西县横江水库（中型），1970年9月15日土坝溃坝，死亡941人，倒房5.8万间，冲走粮食26万多斤。甘肃省敦煌县党河水库（中型），1979年副坝漫决垮坝，洪水淹了敦煌县城，死亡4人，造成经济损失打3000余万元。浙江省平阳县桥墩门水库（中型），于1960年8月10日垮坝，死亡291人，冲毁耕地近2万亩，倒房1.5万多间，冲走粮食116.8万kg。
综上所述，垮坝造成的危害是严重的，特别是“75.8”以后，更引起了全国广大公众的关切。
1.3 土石坝溃坝模式和溃坝路径
溃坝模式分析是大坝风险分析过程中的重要环节，根据各种可能出现的外荷载，分析在荷载作用下，大坝各组成部分（包括挡水、输水、泄水建筑物及附属建筑物）可能出现的破坏形式，并分析是否可能发展成为溃坝事件。水库大坝溃决是在内部的薄弱环节和外部荷载共同作用下发生的，可能方式很多，内部薄弱环节的存在不确定性，外部荷载的出现也具有不确定性，不同的荷载组合会出现不同的溃决模式。如果在水库大坝发生溃决事故前就能够分析出可能发生的溃决
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方式和可能性，则对于水库大坝的安全将会起到决定性的作用，可以针对性地预防溃坝灾害的发生和减少溃决带来的损失。
根据对我国已溃坝溃决情况的分析，可总结出我国主要溃决模式如下： 1) 汛期洪水荷载引起的溃坝。如漫顶、渗流破坏、滑动（含倾覆）、溢洪道冲溃
2) 非汛期水荷载溃坝。 如渗流破坏。
3) 地震引起的溃坝。如渗流破坏、液化、漫顶、结构破坏（裂缝、滑动等）。 由于我国95%以上的水库大坝均为土石坝，因此对土石坝的可能溃坝模式进行初步分析后得到以下五大类溃坝模式和24种可能的土石坝溃决路径。但是对某一座水库来说大坝特性不同，内部薄弱环节不同，溃决模式和破坏路径都会有所区别。
第一类：汛期由于无溢洪道、溢洪道泄量不足、坝顶高程不足、闸门故障等原因引起洪水漫顶。
1) 洪水－闸门操作正常－坝顶高程不足－不能及时加高坝顶－漫顶－冲刷坝体－干预无效－大坝溃决
2) 洪水－部分闸门故障－逼高上游水位－坝顶高程不足－不能及时加高坝顶－漫顶－冲刷坝体－干预无效－大坝溃决
3) 洪水－全部闸门故障－逼高上游水位－坝顶高程不足－不能及时加高坝顶－漫顶－冲刷坝体－干预无效－大坝溃决
4) 洪水＋持续降雨－无溢洪道－近坝库岸滑塌－涌浪－漫顶－冲刷坝体－干预无效－大坝溃决
5) 洪水－溢洪道泄量不足－逼高上游水位－坝顶高程不足－不能及时加高坝顶－漫顶－冲刷坝体－干预无效－大坝溃决
6) 洪水－上游水库垮坝洪水－坝顶高程严重不足－漫顶－冲刷坝体－干预无效－大坝溃决
第二类：汛期由于溢洪道被冲毁或（上下游坡）滑坡引起溃决。
1) 洪水－洪水不能安全下泄－溢洪道冲毁－冲淘溢洪道基础－库水无控制下泄－溃口扩大－大坝溃决
2) 洪水－洪水不能安全下泄－溢洪道冲毁－冲淘溢洪道基础－库水无控制下泄－上游坝坡滑坡－大坝溃决
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