土石坝溃坝研究
4 土石坝溃坝案例分析
4.1 土石坝溃坝案例的简要介绍
4.1.1 工程概况
大草滩水库由拦河大坝、放水涵洞两部分组成。根据《防洪标准》（GB50201-94）中表6.1.1和表6.1.2关于水利水电枢纽工程等别和水工建筑物的级别划分，该水库大坝的工程等别为Ⅳ等，大坝坝体的级别为4级，涵洞的工程级别为4级，水库任务以灌溉，兼有养鱼能；工程规模为小（1）型山区水库。 北169017001725大草滩水库位于米泉市水利局县大草滩乡南东约4Km处，即东径9029′，北纬43°41′，为山区小（1）型拦河水库，坝型为砼面板堆石坝，设计坝高38m，最大坝长240m，坝顶高程1716.0m，总库容450×104m3。上游坝面采用砼防渗面板，面板为分离式结构，每块板的尺寸为8×8m2，板厚坝脚为0.35m，坝顶为0.2m，板间设伸缩缝。防浪墙高1.00m；坝轴线长436m，其中主坝段154.5m，副坝段281.5m；死水位高程1686.50m；死库容20×104m3；正常蓄水位高程1715.00m；有效库容430×104m3；校核洪水位高程1716.00m；防洪库容82×104m3；放水涵洞进口高程1686.50m，放水涵洞断面型式为箱式，断面尺寸2.0×2.8，最大泄水能力20m3/s；溢洪道堰顶高程1713.50m，堰顶宽19.6m，堰型为驼峰堰，泄水陡槽长度140m，最大泄流能力205m3/s，原设计库容450×104m3，灌溉面积2.2万亩。1984年6月21日大草滩上游地区连降暴雨，洪峰流量在97.5 m3/s，洪量601×104m3，在洪水袭击过程中，因抢救无效，土坝溃决，历时约2小时，冲开口门宽60余m，深达25m，冲去坝体土方7.7×104m3，垮坝损失达70余万元，直接淹没范围包括
大草滩乡7个村，大石头乡2个村，农田2.2×104亩。
0170副坝1690主坝放水涵洞溢洪道Ⅲ°
27
土石坝溃坝研究
4.2 溃坝情况分析
4.2.1 溃坝后残留坝体情况
（1）残留坝的剖面形态表明大坝基本上是一座砂砾石均质坝。由于砂石料的不均匀系数较大，经过料场开挖、运输、上坝，易于分离，坝体的填筑层次分明。
（2）坝体浸润线很高，全部被渗水饱和。在现场到处都可以看到残留坝体内有遗留的空隙水，从残留体的临空面大量逸出、垂直向下流淌，形成很多条冲沟。位于坝轴线附近的冲沟起点几乎与水库水位齐平。溃坝10天后，在大坝右岸下游高程1700m以下，还可见到残留坝体中有空隙水成滴渗出。由于逸流集中，在临空面形成渗流溢出洞，洞内砂砾石中的细颗粒已被渗水带走。这说明砂砾石已全部饱和，才使溃坝后有大量渗水逸出。
（3）在右岸残留体高程下游马道上，可以看到排水沟中堆满了渗流从坝体带走的沙粒。可以显示出填筑体表面曾遭到渗流冲刷，卵石之间缺少沙粒，而且表面被冲刷干净，说明马道上排水沟中的沙粒来自上部坝坡。
（4）残留坝体防浪墙的水平底板与面板接缝处防渗性能很差，两者之间仅有一道止水，用互相搭接方式连接，而面板采用分离式结构，面板缝数量较多，经过多年的运行，面板表面的焦油塑料已经有部分脱落，嵌缝止水个别也有分离现象，坝肩和坝体接触的周边缝铆固螺栓已有部分脱落。 4.2.2 溃坝原因初步分析
㈠大坝属于非漫顶破坏
坝顶高程复核计算方法和基本资料 一、采用规范
1、《碾压土石坝设计规范》 （SL 274-2001） 2、《水工建筑物抗震设计规范》 （SL 203-97） 3、《水库大坝安全评价导则》 （SL 258-2000） 4、《防洪标准》 （GB 50201-94）
5、《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》（SL 189-96）
根据规范规定，坝顶高程由水库静水位加波浪爬高、风浪壅高及安全超高确定。并从下列四种情况中选择最大坝顶高程。
（1）设计洪水位加正常运行情况的坝顶超高；
28
土石坝溃坝研究
（2）正常蓄水位加正常运用情况的坝顶超高； （3）校核洪水位加非常运行情况的坝顶超高；
（4）正常高水位加非常运行情况的坝顶超高，加地震安全加高（0.5～1.0m），取0.5m。
由于水库有防洪任务，因此坝顶高程的复核分别用以上四条进行复核。 二、基本资料
多年平均最大风速16.0m/s，吹程1.0km，水库平均水深29.0m，水库正常蓄水位1713.46m，风向与坝轴线的法线方向的夹角为30度。
三、计算方法
采用《碾压土石坝设计规范》附录推荐的方法进行计算。公式如下： Y=R+E+A+地震涌浪高+地震附加沉陷值 式中：Y——水库静水位以上的超高（m）； R——波浪爬高（m）；
E——库水位因风浪引起的壅高（m）； A——安全加高（m）；根据规范取值。
以下为根据《碾压土石坝设计规范》中介绍的方法和公式，计算水库波浪爬高，确定坝顶高程。
按《碾压式土石坝设计规范》中5.3.5条的规定：非常运用条件下，采用多年平均最大风速。①波浪爬高R的计算
以下首先计算非常运用条件下的波浪爬高： 一、库面最大风速W10的确定
计算波浪爬高的风速是指距库面10m以上高处的多年平均最大风速，已知的风速为气象站高10m处的风速，必须修正后使用。经修正后水库多年平均最大风速为W10=16.0m/s，对农业和水利工程均可能造成危害，库区最大风速多出现在春夏两季，风向偏南，每月平均大风日数4～6天。
二、风向长度D的确定
大草滩水库为平原水库，水库处的风向两侧水域较为宽广，风向长度按照计算点到坝体的长度确定，为1.0km；风向与该处主体坝轴线的法线夹角为30度，坝体计算处是水库的主坝体，该处的冲涮也较为严重。
三、水域平均水深Hm的确定
水域平均水深按照设计要求，沿风向作剖面求得水库水域的平均水深：
29
土石坝溃坝研究
Hm=29.0m。
四、波浪要素的计算
波浪要素包括波长与波高，确定的方法有多种，根据《碾压土石坝设计规范》采用莆田试验站公式较为适合计算浅水波。
1、平均波高的计算
按照《碾压土石坝设计规范》中的公式计算，计算公式：
（A.1.5-1）
式中：W-计算风速（m/s）； hm-平均波高（m）； g—重力加速度9.81； Hm—平均水深为29.0（m）；
计算得：①设计情况hm=0.3766m；②校核情况 hm=0.2413m； 2、平均波周期Tm的计算 Tm=4.438*（hmp%）0.5 （A.1.5-2）
通过试算的：①设计情况Tm=2.72（s）；②校核情况 Tm=2.18（s）； 3、平均波长Lm的计算 计算公式：
（A.1.5-3）
通过试算的：①设计情况Lm=11.59（m）；②校核情况 hm=7.42（m）； 五、平均波浪爬高Rm的计算
在风的直接作用下，来波为正向的不规则波，在坝坡为1.5≤m≤5的单坡的爬高采用公式：
（A.1.12-1）
式中：Rm—平均波浪爬高（m）；
30
土石坝溃坝研究
KΔ—与坝坡的糙率和渗透性有关的参数，按《碾压土石坝设计规范》中表A.1.12-1确定，为0.90；
KW—风速系数，由无因次参数W10/（gH）0.5按《碾压土石坝设计规范》中表A.1.12-2确定；计算得：①设计情况W10/（gH）0.5=1.42，查出为1.01；②校核情况W10/（gH）0.5=0.95，查出为1.0；
hm—平均波高（m），①设计情况hm=0.3766m；②校核情况 hm=0.2413m； Lm—平均波长（m），①设计情况Lm=11.59（m）；②校核情况 hm=7.42（m）；前坝坡取平均值m=1.7。
计算得：①设计情况Rm=0.9629（m）；②校核情况 Rm=0.6106（m）； 2、不同频率波浪爬高Rp的计算
不同累计频率下的波浪爬高Rp可由平均波高与坝迎水面水深H的比值和相应的累计频率P（%）按照《碾压土石坝设计规范》A.1.13规定的系数计算求得。H=29.0m，则得：①设计情况Rm/H=0.013＜0.1；②校核情况Rm/H=0.0083＜0.1。
通过查表A.1.13计算各种频率的波浪爬高见下表
不同频率波浪爬高计算表
频率（%） 0.1 1 2.15 1.36 2 1.99 1.26 5 1.77 1.12 10 1.58 1.00 20 1.34 0.85 50 0.92 0.59 波浪爬高m（设计） 2.56 波浪爬高m（校核） 1.62 注：4级坝采用累积频率为5%的坡高值R5%。 ②风壅高度E的计算 根据《手册》介绍的公式： e=KW2×D/(2gHm)COSα 式中：
--
W
--
H
m---
K
综合摩阻系数，计算时一般取3.6×10-6
水面以上10.0m处的风速（m/s）
D
水域的平均水深（m）
-- 风向长度（m）
31