楊彥龍，沈海堯，黃 維

（國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，311122）

0 引言

潰壩是一個低概率高風險事件，1954—2018年，我國共有3 541座大壩發(fā)生潰決，95%以上為土石壩，近20年（2000—2018年）共潰壩84座，年均潰壩率降至0.45×10-4[1]。由于混凝土材料強度高，相對土石壩，混凝土壩潰壩事故較少。截至2020年12月，在國家能源局注冊大壩共565座（另有備案大壩47座），其中混凝土壩和漿砌石壩共422座，土石壩143座，混凝土壩和漿砌石壩所占比例約75%[2]，雖然未發(fā)生過潰壩等重大惡性事件，但在運行中也曾出現(xiàn)過洪水漫頂、壩基錯動、壩體結構損壞、水淹廠房等險情[3-4]。

考慮到潰壩洪水對下游人民生命財產(chǎn)的潛在影響，國內(nèi)外大壩安全監(jiān)管中，均有編制應急預案或應急行動計劃（EAP）、繪制潰壩洪水淹沒圖的要求。如新西蘭2014年7月頒布的《建筑（大壩安全）條例》中，要求中、高潛在風險大壩制作潰壩洪水淹沒圖；英國所有水庫的潰壩洪水風險圖均已制作完成，并在網(wǎng)上向公眾公開；2006年3月，中國國家防汛抗旱總指揮部辦公室以辦?！?006〕9號文印發(fā)了《水庫防汛搶險應急預案編制大綱》；2018年12月，國家能源局發(fā)布了DL/T 1901-2018《水電站大壩運行安全應急預案編制導則》。按照大綱和導則要求，水庫（水電站）大壩均應編制應急預案，并提供大壩失事后洪水淹沒圖。潰壩洪水淹沒圖必須準確地描繪出“可信的最壞情況”即大壩潰決后的影響。潰壩洪水淹沒圖繪制需要開展?jié)魏樗嬎?，計算結果的可信度取決于計算工況假定，故需要分析判斷大壩潰決原因、破壞模式及潰口參數(shù)、潰決歷時等，如果參數(shù)選取不切實際，可能導致對淹沒面積的低估或高估。

潰壩洪水計算分析一般需要從歷史潰壩案例中了解潰壩特征?？蓞⒖嫉臐钨Y料大部分是關于土石壩的，其沖刷破壞導致逐漸潰決的機理較為明確。目前有關土石壩潰壩模式和潰壩路徑的研究相對較為充分，但針對混凝土壩潰決模式及潰口尺寸的研究較少?；炷翂螡谓咏矔r潰決，預警時間短，造成的后果更為嚴重，如何較合理地確定其潰口范圍及尺寸一直是潰壩洪水計算的難題。

方崇惠[5-6]提出了拱壩單元組和整個結構體系可靠度計算方法，來評估拱壩潰口發(fā)生部位、范圍，并根據(jù)結構承載能力可靠度評價指標確定潰口幾何尺寸；卓福濤、王興旺等[7-8]結合錦屏一級拱壩論證了壩體和斷層超載時裂縫和破壞的演化過程，狹窄河谷拱壩整體穩(wěn)定性和安全性較高，其破壞部位多以地基為主，而寬河谷拱壩則多以壩體為主；傅忠友、張士辰[9]結合工程實例分析了重力壩潰決模式和潰決路徑。本研究收集了國內(nèi)外混凝土壩潰壩案例資料，總結分析了混凝土壩的主要潰壩原因及潛在破壞模式，研究探討其內(nèi)在規(guī)律和聯(lián)系，為混凝土壩潰口參數(shù)確定提供參考。

1 潰壩案例統(tǒng)計分析

1.1 潰壩數(shù)據(jù)庫

表1 歷史混凝土壩潰決信息統(tǒng)計Table 1 Statistics of historicalconcrete dam failures

表1 歷史混凝土壩潰決信息統(tǒng)計（續(xù)2）Table 1 Statistics of historical concrete dam failures

表1 歷史混凝土壩潰決信息統(tǒng)計（續(xù)1）Table 1 Statistics of historical concrete dam failures

1.2 典型潰壩案例

（1）意大利格萊諾混凝土連拱壩最大壩高46 m，水庫總庫容4 500萬m3，1923年完工。工程完工后40 d，受強降雨影響，水庫蓄滿后，大壩的一個支墩開裂倒塌，并最終導致潰壩，造成至少356人死亡。大壩潰決是由磚石基礎和上部結構之間的層間滲水引起的，最終潰口為80 m長的矩形潰口[13]。拱壩，最大壩高15.8 m，壩頂長50 m，1924年完工。1926年，由于上游3座小水庫潰壩，潰壩洪水導致大壩漫頂溢流，水位高于壩頂2～4 m，漫頂水流淘刷左岸壩肩，最后壩肩破壞導致水庫失事，大壩和壩肩連接段潰決，但大壩主體結構仍完整保留[14]。

圖1 格萊諾大壩Fig.1 Gleno dam

圖2 莫依河大壩Fig.2 Moyie River dam

（2）莫依河大壩位于美國愛荷華州，為混凝土

（3）美國加利福尼亞州的圣弗朗西斯重力壩壩高62.5 m，庫容4 700萬m3，1926年5月建成。1928年3月12日午夜，壩體突然潰決，潰壩洪水造成近450人喪生。該壩設計和施工中有不少不符合現(xiàn)代規(guī)范要求的情況，如沒有進行基礎灌漿、壩基排水不完善、未設檢查廊道及伸縮縫、未考慮基礎揚壓力影響等。Rogers[15]提出的大壩破壞機制是發(fā)生在大壩左壩肩的大規(guī)?；聦е麓髩螇熙辔恢贸霈F(xiàn)張開，左岸壩段首先發(fā)生了破壞，然后誘發(fā)右岸壩段潰決，潰決后大壩只剩下右側岸坡壩段和一塊矗立在河谷中間的殘留壩段，約80%～90%的大壩主體部分均潰決了。

圖3 圣佛朗西斯大壩Fig.3 St Francis dam

（4）法國馬爾帕塞混凝土雙曲拱壩最大壩高66.0 m，水庫總庫容5 100萬m3，壩頂長222.7 m，于1954年9月建成。1959年12月2日，大壩突然潰決，造成500余人死亡和失蹤。大壩失事的根本原因[16]是左岸壩肩支座巖體正好是上、下游斷層構成的斷層破碎帶巖體，大壩蓄水受力以后，上游斷層受拉張開，斷層破碎帶物質(zhì)抗剪和變形性能急劇下降，而下游斷層處于受壓狀態(tài)，迫使壩基滲透壓力升高，致使左岸壩體上舉，左壩肩產(chǎn)生了變形和位移，水流持續(xù)淘刷，最后導致大壩潰決。

（5）中國福建梅花拱壩壩高22 m，壩頂長64 m，1981年3月完工。1981年9月18日13∶35，大壩潰決?，F(xiàn)場調(diào)查顯示，沿周向接縫的滑動導致大壩拱頂斷裂[16]。

（6）巴西卡馬拉大壩是目前唯一掌握的碾壓混凝土重力壩潰決案例，壩高50 m，壩頂長約250 m，2002年竣工。首次蓄水時，大壩左岸壩趾發(fā)生滲漏，且滲漏量隨著水位升高而增大，當時并未引起重視。2004年6月17日，遭遇強降雨之后，大壩左壩肩發(fā)生沖刷破壞，11 d后上部壩體潰決，留下一個約40 m寬的垂直側面潰口，潰口底部延伸至大壩基礎[17]，潰壩洪水導致5人死亡、20人失蹤。

（7）第二次世界大戰(zhàn)期間，德國的埃德爾和默內(nèi)大壩遭到盟軍攻擊，爆炸在大壩上游表面產(chǎn)生缺口，導致大壩漫頂潰決。另一個遭到戰(zhàn)爭破壞的大壩是前蘇聯(lián)的Dnjeprostroj大壩，大壩被炸藥引爆，形成一個200 m寬的缺口。

在政府強制推動的粗放發(fā)展模式之下，信用合作社與合作金庫內(nèi)部資金積累薄弱，信用合作社被時人稱為“合借社”，合作金庫股金也主要為國家行局所認購的提倡股，據(jù)合作事業(yè)管理局收集之全國410所合作金庫股本情況看，除云南省外，全國合作金庫股金構成中，合作社股占比僅11.8%，提倡股占比88.3%。個別省份提倡股比例可達95%以上。[15]合作金庫與信用合作社幾乎成為國家行局合作貸款的轉貸機構。

圖5 卡馬拉大壩Fig.5 Camara dam

1.3 潰壩數(shù)據(jù)庫分析

混凝土大壩失事大部分發(fā)生在1960年之前，59個潰壩案例中，1921—1960年期間占了23個（見表2）。隨著現(xiàn)代設計和施工技術提高，1960年以后修建的大壩潰壩事故明顯較少。2000年以后，只有2個混凝土壩潰壩事故，其中2021年印度Tapovan大壩潰壩原因主要為上游冰川斷裂導致洪水。從潰壩數(shù)據(jù)庫可知，混凝土壩潰壩案例中近一半是由基礎或壩肩的破壞所致，大部分大壩失事發(fā)生在建設期或運行初期。

表2 不同時期混凝土壩潰壩數(shù)量統(tǒng)計Table 2 Statistics of concrete dam break in different periods

表1中的歷史潰壩案例潰口寬度和高度一般通過現(xiàn)場調(diào)查得到，其中24個潰壩案例有較完整的潰口尺寸參數(shù)。按照調(diào)查的潰口寬度（BF）與壩頂長度（BD），繪制兩者相關關系圖，另外潰口寬度與總壩頂長度之比（即BF/BD）也繪制在圖中，見圖6。由圖6可知，實際潰壩案例中BF/BD值離散性較強，潰口寬度與壩頂長度之間的關系不明顯。

圖6 混凝土壩潰決時潰口寬度（B F）與壩頂長度（B D）相關圖Fig.6 Lorrelation dam between break width(BF)and dam crest length(BD)

大部分混凝土重力壩的潰口寬度為20～60 m，見圖6中陰影部分。在24座大壩中，有13座大壩的潰口寬度在此范圍內(nèi)或更小。ANCOLD（2012）建議[18]，對于混凝土重力壩，在缺乏更多實質(zhì)性信息的情況下，可考慮30%的壩段損失。在8個混凝土重力壩潰壩案例中，4個重力壩破壞符合BF/BD＞30%的標準，其中2個重力壩（Zebrino和Cascade lake）在整個壩頂長度上都發(fā)生了破壞（即BF/BD=100%）。圖6中僅有2個混凝土拱壩發(fā)生破壞，其中Malpasset大壩幾乎在整個壩頂長度上都發(fā)生了破壞（即BF/BD=100%），但Moyie river大壩僅壩肩失效，大壩相對完整，壩肩空隙寬度占壩頂長度的20%。

2 潰壩原因及破壞模式

2.1 潰壩原因

水文、地質(zhì)、大壩結構、地震和人為影響等是造成大壩潰決的主要原因，潰壩原因及潰決模式描述見表3。

表3 大壩潰壩原因及潰決模式分析Table 3 Causes and modes of dam break

2.2 破壞模式

混凝土重力壩依靠自重在壩基面產(chǎn)生的摩擦力來抵抗水平向壓力，以保持穩(wěn)定，其潰決主要與失穩(wěn)破壞有關，主要有3種潛在破壞模式：

（1）混凝土壩壩基受滲漏或其他因素影響，造成建基面阻滑力下降，當作用在大壩的水平向荷載超過壩體與地基之間產(chǎn)生的摩擦阻力時，發(fā)生沿壩基面的滑動破壞；

（2）大壩壩踵部位出現(xiàn)拉應力，導致大壩與建基面之間出現(xiàn)拉裂縫，拉裂縫本身不會使結構失效，但由于壩基的有效寬度隨之減小，會產(chǎn)生過大的壓應力，導致結構失效；

（3）重力壩產(chǎn)生的壓應力超過允許應力時，大壩壩趾處混凝土可能會被壓碎，造成混凝土壩體整體以底部建基面為轉軸向下游傾倒，造成潰壩。

對于混凝土重力壩，短期的洪水漫頂一般不會導致重力壩失事，如四川官料河巴溪大壩、漁子溪小龍?zhí)洞髩畏謩e因壩肩滑坡和特大洪水出現(xiàn)漫壩險情，漫壩后大壩主體結構仍完整，但洪水不能按設計路徑下泄可能會造成下游壩趾與壩基被淘刷，進而可能影響大壩抗滑穩(wěn)定性。當大壩基巖存在缺陷時，由于缺陷部位巖體的抗剪（斷）強度降低，可能構成淺層或深層滑動面，對抗滑穩(wěn)定性構成威脅。根據(jù)重力壩破壞試驗研究[19]，重力壩超載破壞過程為：超載后首先壩踵出現(xiàn)開裂破壞，然后壩趾處出現(xiàn)壓剪破壞，隨著超載倍數(shù)的增加，裂縫沿大壩建基面逐步擴展，最終裂縫貫通，沿建基面出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。重力壩初裂超載系數(shù)為1～1.6，最終破壞超載系數(shù)為2.6。重力壩遭遇地震瞬時荷載時，超載能力較強，超載系數(shù)為2.5～3.5[20]。汶川地震中，寶珠寺重力壩遭受地震烈度為Ⅷ度，相當于水平峰值加速度0.2g，遠超大壩設計地震0.1g，震后未見大壩明顯震損[21]。

混凝土拱壩由水平拱圈和豎向懸臂梁共同組成，屬超靜定結構。拱壩所承受的水壓力一部分通過拱的作用傳給兩岸壩肩基巖，另一部分通過豎向懸臂梁的作用傳給壩底基巖?；炷凉皦蔚钠茐拇螖?shù)很少，明顯少于重力壩，歷史潰壩案例中，僅馬爾帕塞和梅花大壩發(fā)生全面潰決。拱壩主要破壞模式有壩肩巖體失穩(wěn)、超量開裂、整體失穩(wěn)、極端漫壩、壩體沿建基面失穩(wěn)等[22]。根據(jù)拱壩破壞試驗研究[23]，拱壩破壞過程為：開始加荷載→第一條裂縫產(chǎn)生→裂縫發(fā)展→結構局部壓碎→最終潰壩。大壩結構抗拉破壞超載系數(shù)K1=2.8，抗壓破壞超載系數(shù)K2=6.6，喪失承載能力超載系數(shù)K3=8.8。在意大利瓦伊昂拱壩漫壩事故中第一次認識到了混凝土拱壩超載能力，1963年10月，瓦伊昂拱壩因滑坡造成涌浪，翻壩水流在右岸超出壩頂高度達250 m，左岸達150 m，據(jù)估計，滑坡過程中庫水作用在拱壩上的動力荷載約為設計荷載的8倍，但壩體仍屹立不動，僅左岸壩頂有一段長9 m、深1.5 m的混凝土損壞。但也需考慮翻壩水流為動力瞬時荷載，應與永久靜力荷載有所區(qū)分[16]。此外，拱壩抗震能力很強，壩高132 m的沙牌拱壩距離汶川地震震中32 km，抗震設防烈度為Ⅶ度，汶川地震在壩址處的烈度約Ⅸ度，震后檢查時大壩未見明顯結構破壞[24]。

3 潰口參數(shù)

我國潰壩洪水計算中，混凝土大壩潰口尺寸一般通過假定，具體依據(jù)DL/T 5360-2006《水電水利工程潰壩洪水模擬技術規(guī)范》：“拱壩、重力壩等壩型潰口采用瞬時全潰和瞬時局潰，潰口型式可近似為矩形和梯形，潰口最終尺寸根據(jù)壩型材料及壩址斷面綜合擬定”。由于各個工程運行性態(tài)和工程質(zhì)量差別很大，實際潰壩計算中對規(guī)范要求的掌握存在較大差異，不少潰壩洪水計算中推薦采用全部潰決，導致潰壩洪峰很大，應急預案制定及實施難度很大，可能流于形式。

混凝土壩失事一般始于運行中出現(xiàn)不利變化，如上游特大洪水導致漫壩、壩基排水管堵塞或防滲帷幕破壞導致滲壓升高、混凝土堿骨料反應導致強度降低、壩基老化、泄洪建筑物氣蝕破壞導致泄洪通道受阻、地震荷載導致結構破壞等。結合大壩自身結構、地質(zhì)條件、外部運行條件、風險源及運行缺陷，通過相應的穩(wěn)定及應力分析計算，分析大壩潛在破壞模式，進而分析潰口尺寸相關參數(shù)。

對于部分工程規(guī)模較小的大壩，可以通過歷史潰壩案例統(tǒng)計，根據(jù)經(jīng)驗假定潰口尺寸參數(shù)。從歷史潰壩案例調(diào)查資料及潰壩照片中可以看出，壩址所在河谷的形狀對潰口尺寸及參數(shù)起著重要作用，其中河谷形狀需要考慮兩岸坡度的突變，如圣弗朗西斯大壩和格萊諾大壩岸坡河谷坡度突變處都有很長的翼壩，潰壩均主要發(fā)生在深河谷，兩岸翼壩并沒有垮掉。

混凝土重力壩設計大都按單個壩段單獨擋水設計，從歷史潰壩案例來看，往往是幾個薄弱環(huán)節(jié)的壩段潰決，為局部潰決。美國陸軍工程兵團（USACE）建議使用若干壩段的長度作為潰口寬度[25]，而美國能源監(jiān)管委員會（FERC）建議使用小于或等于整個大壩長度的一半作為平均潰口寬度[26]。混凝土壩潰口通常是矩形，潰決歷時一般取0.1～0.5 h?；炷凉皦我蕾囉趬渭绲闹С?，如果一個壩肩崩潰，那么很可能整個大壩都會崩潰。混凝土拱壩最常見的位置是具有陡峭側壁的深峽谷，假定潰口邊坡的范圍從垂直到谷壁坡度，潰口寬度一般取大壩全長的80%至大壩全長，潰決形成時間從瞬時到0.1 h不等。由于潰壩機理的復雜性，實際潰口尺寸擬定時，可以擬定若干潰口范圍進行敏感性分析。

表4 假定潰口寬度和形成時間Table 4 Assumed break width and formation time

圖7 混凝土重力壩潰口示意Fig.7 Schematic diagram of concrete gravity dam break

圖8 混凝土拱壩潰口示意Fig.8 Schematic diagram of concrete arch dam break

4 結論與建議

（1）混凝土大壩潰決主要發(fā)生在建設期或運行初期，有近一半潰壩事故是由基礎或壩肩破壞所致。隨著大壩設計理念的變化、施工技術的提高及運行管理的重視，自20世紀初以來，世界范圍內(nèi)混凝土大壩潰壩案例屈指可數(shù)，我國雖然發(fā)生過若干混凝土壩漫壩等惡性事故，但未發(fā)生混凝土壩潰決事故。

（2）根據(jù)歷史經(jīng)驗，混凝土壩（特別是混凝土拱壩）具有一定的超載能力，洪水漫頂、超標準地震等不一定會導致混凝土壩潰決，但長時間洪水沖刷和地震導致的結構破壞可能會對大壩運行造成重大影響。

（3）混凝土大壩潰口參數(shù)確定要在大壩潛在破壞模式評估的基礎上，由有經(jīng)驗的壩工專業(yè)技術人員確定，負責潰壩洪水建模和制圖的水力學技術人員不一定掌握該項技能。潰壩洪水計算中，可根據(jù)大壩潛在破壞模式擬定若干潰口尺寸，以便進行多潰口方案敏感性分析。

（4）混凝土重力壩和拱壩破壞一般發(fā)生在整個主河谷橫斷面上，混凝土壩潰口寬度和壩頂長度沒有明顯的相關關系，但從歷史潰壩案例看，混凝土重力壩潰口寬度按照總壩頂長度的30%以上確定較為合適，而拱壩全部潰決的可能性較高。