大坝失事的原因及对策.docx

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大坝失事的原因及对策

摘要:

20世纪水电事业得到了蓬勃发展,目前世界上已修建了数万座大坝,绝大多数运行良好,为防洪、发电、灌溉、改善河流的通航条件等发挥了巨大作用。

但也有大坝失事的事件发生,失事的大坝虽不多,但其后果却十分严重。

造成大坝失事的原因多种多样,但主要有坝基破坏、泄流能力不足、渗流控制不当、地震、滑坡以及施工质量差等,应着重在设计、施工、管理上进行改进,并加强安全监控,尽可能降低大坝失事的概率。

关　键　词:

大坝失事;原因分析;安全监测;对策研究

1　概述

众所周知，大坝是一种特殊建筑物，其特殊性主要表现在如下3个方面：

①投资及效益的巨大和失事后造成灾难的严重性；②结构、边界条件及运行环境的复杂性；③设计、施工、运行维护的经验性、不确定性和涉及内容的广泛性。

以上特殊性说明了要准确了解大坝工作性态，只能通过大坝安全监测来实现，同时也说明了大坝安全监测的重要性。

大坝按主要建筑材料可以分为土石坝、混凝土坝或两种材料组合坝。

拦河筑坝综合效益大,可以防洪、发电、灌溉和改善大江大河的通航条件。

据国际大坝安全委员会统计,截止1980年全球已建成高于15m的大坝18000多座。

以我国为例,截止1996年底,中国已建成大中小型水库8.4万余座,总库容4700余亿立方米,其中90%为土坝。

这些水库在防洪、灌溉、发电、城市生活用水方面发挥了巨大作用。

绝大多数大坝的运行安全可靠,失事的大坝为数很少。

据统计,世界上每年平均毁坝1～2座,远远小于其他同类建筑物的破坏几率。

就运行安全可靠性而言,混凝土重力坝最高,土石坝相对稍差。

由于坝工建设的复杂性,要完全排除大坝失事几乎是不可能。

一旦溃坝失事,不仅工程毁坏,而且会对下游地区经济建设和人民生命造成毁灭性的灾害:

如我国河南省境内的板桥水库,属淮河流域,1952年建成,库容4.92亿m3,1975年8月3～5日该区域发生特大暴雨,水库入库洪峰流量大大超过枢纽泄水能力,8月8日水库垮坝。

鉴于大坝安全的重要性,世界各国对此都给予了高度重视,并制定了一系列安全法规。

国际大坝安全委员会1964年正式成立了大坝失事安全委员会,针对涉及大坝安全的相问题进行探讨和研究,以指导各国的水工建设。

2　大坝失事原因分析

引起大坝失事的原因很多,据国际大坝会议“关于水坝和水库恶化”小组委员会记录的1100座大坝失事实例，从1950年至1975年大坝失事的概率和成因分析中得出大坝失事的频率和成因分别为：

30%是由于设计洪水位偏低和泄洪设备失灵引起洪水漫顶而失事；27%是由于地质条件复杂，基础失稳和意外结构事故；20%是由于地下渗漏引起扬压力过高、渗流量增大、渗透坡降过大引起；11%是由于大坝老化、建筑材料变质（开裂、侵蚀和风化）以及施工质量等原因；12%是不同的特有原因所致。

      通过上面的数值可以作如下分析：

大坝失事的原因很多、涉及范围也很广，但大致可以分成3类。

第一类是由设计、施工和自然因素引起，它没有一个从量变到质变的过程，而是一旦大坝建成就已确定了的，如设计洪水位偏低、混凝土标号过低、未考虑地震荷载等；第二类是在运行、管理过程中逐步形成的，有一个从量变到质变的发展过程，如冲刷、浸蚀、混凝土的老化、金属结构的锈蚀等；第三类是上述两种混合情况，即设计、施工中的不完善在运行中得不到改正，或者说随着时间的推移和运行管理的不力使设计、施工中的隐患发展为破坏。

具体可以分为以下几个方面:

坝基破坏、遭遇特大洪水、泄水建筑物泄流能力不足水流漫顶、渗流、地震、滑坡、人为方面等。

2.1　坝基破坏

坝体依靠与坝基和岸坡的紧密结合来抵抗外部荷载的作用,坝基若出现问题就会直接威胁大坝的安全,据统计大约有40%的大坝失事是由基础引起的。

坝基破坏主要由坝基地质缺陷或处理不当引起。

在所有坝型中,由于钢筋混凝土坝、混凝土坝及堆石坝体型小、地基应力大、坝体自身适应变形的能力差,因而对地基的要求较土石坝为高。

由坝基地质缺陷引起坝基破坏,进而导致坝体失事的事例很多,1959年12月2日,法国马尔帕塞特（Malpasset）拱坝失事,震惊了世界,该坝1954年竣工,高61m,为当时世界上最薄的拱坝,溃坝后造成421人死亡。

法国政府组织了大批专家和技术人员耗时6a对大坝失事的原因进行调查,结论是:

左岸坝肩地质条件较差,倾向下游的片麻岩片理被右坝肩下游1条倾向上游的断层所切割,形成了具有2个软弱滑面的楔形岩体。

水库蓄水后悬臂梁底部产生拉应力,坝踵开裂,水流沿片理深入,形成巨大的扬压力。

坝肩渗流场产生的力加上拱推力,导致支撑坝体的楔形岩体滑动,左坝肩产生了变形和位移,导致坝体破坏。

坝基处理不当也会造成坝体失事,西班牙的普恩特重力坝在施工时发现坝基有比较厚的砂卵石冲积层。

设计采用木排提高地基的承载力,水库蓄水初期,坝体比较稳定,随着水位的升高,巨大的静水压力将坝体底部的冲积层击穿,水库蓄水很快被排光,坝基彻底毁坏。

2.2　泄流能力不足

泄水建筑物是水利枢纽的重要建筑物之一,因为泄水建筑物存在问题,特别是泄流能力的不足,而造成水利枢纽损伤、故障进而失事的仅土坝就占44%左右,因此必须引起高度重视。

目前大多数水利枢纽的设计流量仍采用数理统计的方法确定,由于水文现象的随机性、水文系列的短缺或代表性不够、水文参数的不确定性,加之对枢纽所在地的水文情况研究不深,对洪水叠加的可能性考虑不周,考虑工程项目的经济性,极有可能导致泄水建筑物设计标准偏低或在遭遇超标准洪水时泄流能力严重不足。

由于实际流量大大超过设计流量而造成垮坝的事例很多,如印度马其胡（Machhu）II坝,该坝于1972年建成,坝顶高60m,1979年大坝遭遇特大暴雨而漫顶,当时实际流量为14000m3Ps,然而实际泄流能力只有6000m3Ps。

马其胡Ⅱ坝共有18个溢流孔,其中3孔因坝上电器设备失灵,未能开闸放水,致使事故灾害加重。

左右两岸土坝分别有长1066m和700m的一段被冲垮,决口后的洪水淹没了莫维市,冲毁12700间房屋,伤亡近2万人。

2.3　渗流控制措施不当

水库蓄水后,必然通过坝体、坝基和坝端两岸产生渗流。

随着水位的抬高,基础孔隙水压力逐渐增加,可以使土体发生管涌、流土、接触冲刷和接触流土破坏,引起坝基和坝体破坏。

若土石坝碾压不密实,坝体内往往会形成隐患裂隙及通道或透水层,导致坝体浸润线抬高,也可以引起坝体破坏。

对于含有石膏或其它可溶性物质的地基,渗流可以引起地基的侵蚀,使坝体产生不均匀沉降。

软弱夹层或断层在渗透水流的作用,层面强度降低,引起坝基或坝体滑动。

同时水流沿着坝体两岸裂隙、节理、断层或软弱夹层,发生侧岸绕渗,抬高岸坡部分坝体的浸润面和坝基扬压力,给水库蓄水或坝体安全带来影响。

由于渗流为地下水所为,常被忽视,因此破坏性比较大,据维也纳世界大坝失事数据站统计,因渗流控制不当引起大坝失事占34%。

1928年美国洛杉矶的圣弗朗西斯（StFrancis）重力坝失事的内因是坝址处存在有地质缺陷,而外因则是渗流。

该坝坝高62.5m,1928年5月竣工,库容0.47亿m3,坝基由2种岩石组成,峡谷底部和左坝肩为相对均匀的页岩,右坝肩为砾岩,坝址处有顺流向的断层和古滑坡体,在蓄水初期沿坝体、断层和坝肩就开始发生渗漏。

由于砾岩中含有可溶性矿物,岩石吸水软化,受水流冲刷该部位出现缺口导致右侧坝体失去支撑。

在水压力的作用下,古滑坡体复活,岩体沿页岩层面楔入坝体左侧基础并将坝体抬高,最终洪水将重达万吨的混凝土块卷走,造成450多人死亡。

2.4　滑坡

水库一般位于高山峡谷地区,常会遇到岸坡稳定问题,一旦滑坡发生,将造成很大的危害。

堵塞泄水建筑物,直接威胁建筑物的安全;大体积滑体高速滑入水库激起巨大涌浪,对大坝形成很大的冲击荷载,甚至漫顶,导致大坝失事,给下游人民的生命财产带来巨大损失。

如意大利的瓦依昂（Vaiont）拱坝,坝高265m,既是当时世界上最高的薄拱坝,也是坝高居第二的大坝。

1964年10月9日,瓦依昂水库库区左岸大滑坡,20s内有2.7～3.0亿m3的滑坡体滑落,速度28mPs,激起涌浪高出原库水位250m以上,不仅对坝体形成了巨大的推力,而且翻越坝顶飞向下游,造成2600多人死亡,滑体把坝前近1.8km的一段库容完全填满,整个水库报废。

2.5　地震

地震波碰到建筑物后,会引起建筑物的震动,因而在结构中产生复杂的剪应力和弯曲应力,从而使建筑物受到破坏。

地震对土坝造成的破坏表现为滑坡、裂缝以及较大的沉降变形,但造成溃坝失事的比较少。

2.6　设计

从设计方面考虑主要有：

（1）前期工作不充分，工程仓促上马。

（2）设计人员水平低，设计因素考虑不周，结构布局不合理，设计深度不合理，设计深度不够，方案比较不充分，设计人员不熟悉规范，未执行强制性标准。

（3）设计质量不高，图纸粗糙，施工时随意变更图纸。

（4）设计质量缺乏有效监督。

 2.7　施工质量差

施工阶段能否贯彻设计意图、确保施工质量，特别是有效解决施工中发现的新问题是确保坝体质量的关键因素之一。

施工不按规范，出现“豆腐渣”工程。

（1）工程多次转分包，层层收管理费、资金流失，经济利益驱使偷工减料，粗制滥造很难避免。

（2）大量民工及农村施工队伍涌入建筑市场，施工人员业务素质差，技术水平、经验不足。

（3）施工不按规范，质量控制手段落后，管理粗放，质量体系有健全，质量把关不严。

由施工质量低下而造成坝体失事的例子也不少,位于西班牙北部的维格德特拉（VegadeTera）支墩坝,坝体由混凝土面板和砖石支墩组成,主要提供灌溉和金矿用水,坝高34m。

由于面板、支墩新旧层面连接较差,沿薄弱部位发生严重渗漏,1959年1月10日,遭遇特大洪水,满库后由于承载力不够,接连垮塌,整个大坝毁坏,造成近百人伤亡。

2.8监督管理

质量监督缺乏力度，作用难发挥。

（1）法律、法规不健全、不完善，执法不力，质量监督处罚可操作性不强。

（2）无检测手段，质量评定缺乏权威性。

（3）质监机构为事业或企业编制，收费标准低，财力、人力所限，工作难以深入到位。

（4）质监员专业知识水平有限，监督起来力不从心。

（5）质量管理职能交叉，责任不明，质量问题难整改，质量监督机构作用难发挥。

3　防止大坝失事对策探讨

大坝失事并不是由单纯一个因素引起的,往往是多个因素共同作用的结果。

水工建设中存在许多无法预见的因素,理论上讲完全避免大坝失事是不可能的,从已失事大坝的调查分析资料表明,在设计、施工或管理方面采取认真负责的态度,采取切实可行和行之有效的施,按现有的技术水平防止大坝失事是完全可以做到的。

3.1　设计

水工建设是一个复杂过程,涉及到水文、地质、岩土、地震、地质构造等多个学科,需要各个领域的科学技术人员紧密配合,对筑坝可能性以及可能出现的问题进行研究:

如从库岸的岩性、产状、地形坡向及坡度和各种物理地质现象,对水库蓄水后库岸的稳定性作出评价,以防止滑坡威胁水工建筑物的安全。

对于复杂岩基和软弱土基,必须针对地基材料和结构进行周密研究,采取必要的地基处理措施等等。

3.2　施工

质量是工程的生命线,据我国垮坝失事分析,1954～  1990年,由于施工质量问题而造成水库失事的占38%,因此应给予足够的重视。

由于施工质量差而使坝体出现问题的现象是比较普遍的,如坝身分层、分段和分期填筑时,层与层、段与段以及前期与后期之间的结合面不好;在土坝填筑过程,对坝体填料控制不严,土体含水量过高,碾压不密实,坝体出现不均匀沉降、纵横裂缝,使坝体漏水或影响坝体的安全;坝基清基不彻底或未清基,或未对地基进行处理,运行中坝基会形成渗水通道或坝后出现诸多渗透破坏现象;施工中对溢洪道的护砌质量差、输水涵管截水环做得不好也会影响坝体的稳定性。

3.3　管理

完善的大坝管理制度是工程充分发挥作用的前提,过去普遍存在有重建轻管的思想,国内外由于管理不善而导致大坝失事或损失加重的,举不胜举,如前面提到的马其胡垮坝事件。

因此要建立和健全大坝管理机构,对大坝进行定期养护、维修、安全监测,做到专人专管、专门负责,责任明确。

对承担防洪任务的大坝,对较大洪水,特别是超标准洪水,仅仅依靠防洪工程措施是很难起到明显减灾效果的,为了将洪灾降低到最低程度,必须将工程措施与非工程措施结合起来,非工程措施种类较多,例如洪水预警、防汛调度等等,这就对大坝的管理提出了更高要求。

质量监督缺乏力度，作用难发挥。

3.4　安全监测

在长期复杂的自然环境条件影响和各种内外作用力作用下,大坝存在状态和工作状况随时都在变化。

为了及时掌握大坝的工作情况和变化,以便采取补救措施,避免大坝失事,应对大坝进行安全监测。

安全监测内容包括坝体位移与变形、应力、渗流以及库岸变位等。

如果坝体产生了可见性裂缝,则表明坝基内部可能发生了某种位移,坝体或坝基渗水水质浑浊,则表明上述部位可能发生材料溶蚀和溶解现象。

通过对观测成果进行定量和定性分析,不仅有助于了解大坝的工作状态,而且观测数据中蕴藏各种物理量变化规律的宝贵信息对指导今后的水工设计起到积极的作用。

4　结语

随着我国水电事业的蓬勃发展,已经有越来越多的大型工程上马,所碰到的问题也将越来越多,越来越复杂,一旦失事后果也更加严重。

只要我们以高度的责任感,吸取国内外大坝失事的教训,认真规划、精心设计、精心施工、加强管理,运用现代科学技术,就能建设一个经济、高效、安全的大坝,为国民经济发展和保障人民生命财产作出积极贡献。