土石坝溃坝研究
β
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风向与坝轴线的法线所成的交角（弧度）
库水风壅高度E的计算表
运行状况 e（m） 设计 非常 0.00067 0.00025 K 3.6×10 3.6×10 -6-6W（m/s） 24.0 16.0 D（m） 1000 1000 H（m） 29.0 29.0 g 9.81 9.81 β 30 30 π 3.14 3.14 ④安全加高
根据工程规模按照《碾压土石坝设计规范》 表5.3.1规定，设计情况下的安全加高A=0.5m、校核情况下情况安全加高A=0.3m。
⑤坝顶超高的计算
大草滩水库坝体为4级永久性水工建筑物，设计洪水标准为20年一遇、校核洪水标准为100年一遇。因此坝顶超高根据以上资料计算。
坝顶超高Y计算表
防洪 标准 设计 校核 频率Y(m) （%） 5 5 2.13 1.33 1.63 1.03 0.007 0.003 0.5 0.3 Rp (m) E(m) A(m) 高度(m) 陷值（m） 0.5 0.5 0 0 地震涌浪 地震附加 ⑥坝顶高程复核
按照《碾压土石坝设计规范》推荐的第三种情况复核的坝顶高程S。 正常蓄水位1713.46m 加非常运行情况的坝顶超高+地震安全加高；S=1713.46+1.33+0.5=1715.29（m）；
设计洪水位1714.35m加正常运行情况的坝顶超高； S=1714.35+2.13=1716.48（m）；
正常蓄水位1713.46.00m加正常运行情况的坝顶超高； S=1713.46+2.13=1715.59（m）。
校核洪水位1715.62加非常运行情况的坝顶超高 S=1715.68+1.33=1717.01（m）。
综合结论表明：计算设计坝顶为1717.00m，实际坝顶高程为1717.00m，满足《碾压土石坝设计规范》要求；因此大草滩水库的坝顶高程满足《防洪标准》（GB50201-94）的要求。根据失事水库时水位最高1712.45m，比坝顶高程低4.55m。这一切说明：失事前库水位包括浪高都不可能漫溢坝顶造成破坏。
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㈡大坝非渗透破坏
大坝渗流分析采用北京理正软件设计研究所的渗流分析软件，采用有限元法计算；计算断面选取坝体典型断面0+042.5与0+066.5断面资料，土层渗透性按各项渗透性考虑。
本次选择坝体具有代表性的断面，桩号0+042.5断面，坝顶高程1716.0m，坝高31m；桩号0+066.5断面，坝顶高程1716.0m，坝高37m，设计正常运行水位1713.46m，断面实测上游坝坡为1:1.7，下游坝坡为1：1.5。
大草滩水库的计算水位条件：
（1）上游水位为正常运行水位1713.46m，死水位为1686.5m。 （2） 坝体主要分层与渗透系数的选取
大坝面板堆石坝，坝体填筑以砂石料为主，坝前为砼面板；坝基表层为砾石土，深度为1～8.4m，下部为细粒长石砂岩。坝前库中有部分淤积，根据以上资料，计算断面可以简化为5个区域：①坝前砼面板；②砂石料垫层；③坝体戈壁填筑；；④坝基砂砾石；⑤基岩；渗流计算所采用的主要参数见表4-2-1。
大草滩水库大坝计算采用参数表
土料指标 部位 坝前砼面板 砂石料垫层 坝体戈壁填筑 坝基砂砾石 基岩 湿容重 g/cm 2.4 2.24 2.29 2.15 2.3 3饱和容重 g/cm 2.45 2.3 2.42 2.25 2.4 3内摩擦角 φ′ 40° 33° 37° 35° 40° 粘聚力C′ kpa/m 35 0.4 0.4 0.4 50 2渗透系数cm/s 1×10 8.16×10 1.46×10 2.06×10 1×10 -7-2-3-3-6通过渗流程序计算大坝0+042.5与0+066.5断面有限元计算渗流结果如下
坝坡出逸 坝体溢出点桩号 计算水位（m） 高度（m） 正常运行水位0+042.5 1713.46 正常运行水位0+066.5 1713.46 0 0.27 0.42 30.99 1.0 0.26 0.42 23.55 渗透坡降 允许渗透 3渗流量（m/d.m） 比降值J允许 2、坝体的渗流稳定性分析
参用规范为：中华人民共和国行业标准SL189-96《小型水利水电工程碾压土
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石坝设计导则》、SL274-2001《碾压土石坝设计》。坝体的允许渗透坡降：参照以下公式确定
J破坏＝???1??1?n?
3
?————土粒比重γs=2.65（g/cm）
n————土的孔隙率(n=0.5) J————渗透坡降
KB————流土安全系数，取2.0 经计算J破坏＝0.83 J允许＝0.42
根据渗流程序计算得出的流网计算，坝后溢出点的渗透比降imax=0.21＜J＝0.42，在允许的渗透比降范围，因此，坝体的渗流是稳定的。
3、坝基的渗流稳定性分析
坝基渗漏严重，大坝重建于80年代，当时大坝清基不彻底，部分坝基未清到基岩，岩石裂隙处理简单，有些甚至未进行有效处理，致使大坝自建成运行后就出现渗漏严重，并限制水位运行，水库的效益未得到充分发挥。但水库淤积较少，仍有充分发挥效益的潜力该段基础基岩为粉砂质泥岩与长石中—细粒砂岩互层，破碎较严重，清基最深处可达4.0-5.0 m，基础在死水位以下，对此段基岩，基础以下平均12.0m范围，进行固结灌浆。但在坝后约50.0m、350.0m处，各有出水点一处，当水位升至1700m时，根据水库管理人员测定，两处总出水量约为20l/s。
根据渗流程序计算得出的流网计算，坝基最大的渗透比降i=0.36，i＜J允许，在允许的渗透比降范围内，因此，坝基的渗流也是稳定的。
㈢大坝可能的破坏型式及其过程
大坝实际是一个没有分区、粒径偏细的砂砾石坝，又有一个功能严重不良的面板防渗系统，防渗砼面板浇筑质量差，面板砼强度保证率为72.0%，达不到80%的要求。面板开裂、止水缝未按设计处理，起不到止水作用，成渗漏通道，坝内又未设置专门排水设施，仅依靠坝体自身砂砾石排水。溃坝机理如下：
1）库水位高，持续时间长，因坝体采用混凝土面板防渗，同时，在混凝土面板表层涂有焦油塑料，经过长期运行现混凝土板有个别断裂，焦油塑料有部分脱落；面板与防浪墙的接缝漏水量超过坝体自身排水能力，使F邵浸润线逐步抬高。
2）当坝体砂砾料饱和时，孔隙水压力和滑动力增大，有效抗滑强度减小，据估算，在坝坡稳定性最差的坝体上部，抗滑安全系数小于1。
允许
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3)设计中坝的边坡稳定是按非饱和料考虑的，饱和料比非饱和料的抗滑稳定性低很多，再加上防浪墙和填土荷载，一旦墙基填料饱和发生不均匀湿陷，必将导致墙体下沉、转动，促使防浪墙底座与面板顶部之间的水平接缝内仅有的一道橡胶止水带拉脱、敞开，形成漏水带。
4）当库水位超过上述接缝部位后，库水畅通地从漏水带灌入坝体，进一步促使顶部和填料饱和，防浪墙及坝顶的附加滑动力矩和滑动力加大，导致坝顶下游坡失稳。
5）位于河床坝段的坝高最大，沉降量也最多，使在坝顶面板顶部的水平接缝张开最大，库水灌入比左右坝段多，填料饱和湿陷时间最长，孔隙水压力和滑动力增大，抗滑力减小，以致河床段的坝顶局部连同防浪墙最先向下游倾斜滑动。
6）库水相继漫过坝顶滑塌后的砂砾石陡坡自由下泄，坝料随之流失，将河床段冲成深沟。上部悬空的面板，在库水荷载作用下，相继折断、塌落，溃口随之扩大，导致库水溢流量增大，坝体冲蚀量也加大。
7）溃口进一步扩大，直到库水位大幅度降低，下泄量级冲刷量都相应减小，砂砾坝体的流失及面板的塌落随之减少，逐渐趋于相对稳定状态，最后形成面板和坝体溃口。
4.3 溃坝问题的防治
目前面板堆石坝需要研究的关键技术问题，仍然是稳定、变形及渗流控制3大问题。从面板坝多年的运行情况分析，变形和渗流控制甚为重要。研究变形的目的，除选择低压缩性材料，合理的压实功能外，更重要的是研究不同的坝体结构在变形相互协调方面的能力，包括上游防渗面板、垫层及坝体的其他部分在施工及运行过程中相互良好的依存性。渗流控制方面，除直接研究面板接缝和周边缝止水外，垫层料的设计和施工也是很重要的课题。根据本文对大草滩水库溃坝的分析，大草滩水库溃坝机理是坝顶砂砾石分离层管涌和接触冲蚀，坝坡冲刷伴随塌落，致使防浪墙失稳倒塌，坝顶形成初期溃口，库水漫顶下泄，迅速切割坝体，面板失去支撑倒塌溃决。
溃坝因素包括面板与地板接缝漏水，垫层过粗，面板与垫层脱开，砂砾石严重分离而且多层下游呈连通层，诸因素中坝顶沉降造成的面板与垫层相脱开及砂砾石严重分离在坝顶出现极强透水层，且呈上下游连通状是关键因素。解决措施主要以下面两个方面分析：
（1）面板与垫层脱开问题
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面板堆石坝的面板与垫层之间出现脱开现象，在实际工程中时有发生。在诸多的试验研究表明，如果只有顶部接缝漏水，漏水量有限，漏水进入坝体后在重力作用下将垂直向下直接进入河床砂砾石层，不会从坝顶的下游坝向下直接进入河床砂砾层，不会从坝顶下游的坝坡逸出。由于面板的脱空，防渗性能失效，大坝的渗流不仅仅来自接缝漏水，上游进水面积变为整个脱开部分的面积，进水面积扩大，使渗流通过坝顶多层强透水的施工分离层，近水平向下直达下游坝坡，坝顶出现管涌，渗流冲刷坝坡，坝坡失稳，库水漫顶溃决。根据有关学者认为过渡料未按反滤原则设计是导致垫层料渗透破坏造成面板破裂。因此设计和施工者在防止因垫层料颗粒级配而导致防渗效果失效中起到重要角色。首先要对坝的结构分区、填筑质量及运行方式等方面进一步优化，确保面板与垫层不脱开，资料分析结果表明，当＜5mm的颗粒含量大于40%时，分离系数为2-6，渗透系数相差值小于40倍分离是不明显的，试验结果表明，分离系数小于10时分离层之间不会产生渗流冲蚀。其次合理的设计思路，垫层料的设计与施工质量也是关系整个防渗体系安全运行极其重要的因素，对垫层料最优渗透系数的要求及相应的颗粒级配曲线作进一步的研究，还应正确研究垫层料的反滤层设计准则，初步估计垫层料采用渗透系数为10～10的弱透水材料，不仅材料容易选择，而且可使面板坝具有第二道防渗防线作用。颗粒含量控制在＜5mm为35%～55%来实现。
（2）砂砾石面板堆石坝排水问题
砂砾石料石一种很好的筑坝材料。其最大的特点是不均匀系数很大，基本在50以上，因而施工中容易产生粗细分离问题，导致坝体出现强透水夹层。解决砂砾石料弱点行之有效的方法是在坝内设垂直排水，尽早将渗流排到坝体以外，确保下游坝体处于无渗流状态.大坝坝体通常采用了分层填筑的方法，即一层粗料和一层细料混合填筑，保证了坝料有小的压缩性和较高的强度。但这种施工方法会使坝体出现水平的强透水层，面板一旦漏水，不仅坝体浸润线很高，而且会出现水平向德集中渗流通道，无法保证大坝的安全运行。为此，在垫后设置一层＜5mm颗粒含量为10%-30%，＜0.1mm的颗粒含量小于5%的过渡层，然后设置一道粒径5-300m的砾卵石排水体。实践表明，尽管坝壳填料分层严重，甚至有强透水层，砂砾料的渗透稳定性差，但因在垫层后专门设置了排水体，使渗流有排水体全部引向了下游，保证坝壳中不出现渗流，因而保证了大坝的渗透稳定性。
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