大壩失事案例原因分析及對策探討

黃小波

（永州市水利水電勘測設計院 永州市 425000）

1 概 述

20 世紀隨著經濟和科學技術的迅猛發展，水利水電事業也進入了一個全新的階段。據國際大壩安全委員會統計，截止1980年全球已建成高于15m的大壩18000多座。以我國為例，截止1996年底，中國已建成大中小型水庫8.4萬余座，總庫容4700余億m3，其中90%為土壩。這些水庫在防洪、灌溉、發電、城市生活用水方面發揮了巨大作用。

據統計，世界上每年平均毀壩1～2座，遠遠小于其他同類建筑物的破壞幾率。就運行安全可靠性而言，混凝土重力壩最高，土石壩相對稍差。由于壩工建設的復雜性，要完全消除大壩失事幾乎是不可能的。一旦潰壩失事，不僅工程毀壞，而且會對下游地區經濟建設和人民生命財產造成毀滅性的災害。

2 大壩失事案例

（1）法國的Malpasset拱壩。

1959年12月2日，法國馬爾帕塞特（Malpasset）拱壩失事，震驚了世界，該壩1954年竣工，高61.0 m，為當時世界上最薄的拱壩，潰壩后造成421人死亡。法國政府對大壩失事原因進行調查，結論是：左岸壩肩地質條件較差，傾向下游的片麻巖片理被右壩肩下游1條傾向上游的斷層所切割，形成了具有2個軟弱滑面的楔形巖體。水庫蓄水后懸臂梁底部產生拉應力，壩踵開裂，水流沿片理深入，形成巨大的揚壓力。壩肩滲流場產生的力加上拱推力，導致支撐壩體的楔形巖體滑動，左壩肩產生了變形和位移，致使壩體破壞。

（2）美國的Teton黏土心墻壩。

美國的提堂壩是一座黏土心墻壩，壩基為多孔洞且裂隙嚴重的凝灰巖和玄武巖，上部覆蓋30m厚的沖積土和風化巖層，心墻下的壩基中設有3道防滲帷幕，深度達100m，由于施工質量不高，水庫蓄水后滲流擊穿帷幕，從靠近下游壩腳處的壩坡上逸出，產生管涌，致使大壩潰決。失事導致壩體1/3土料被沖走，發電廠房上部建筑、開關站和倉庫全部破壞，廠房下部結構、水輪機、尾水渠等被泥沙埋沒。提堂河和斯內克河下游130km，面積780km2的地區全部或局部遭受潰水泛濫。4萬hm2農田被淹，沖毀鐵路52km，11人死亡，25000人無家可歸。

（3）美國的StFrancis重力壩。

1928年美國洛杉磯的圣弗朗西斯（StFrancis）重力壩失事的內因是壩址處存在有地質缺陷，而外因則是滲流。壩基由2種巖石組成，峽谷底部和左壩肩為相對均勻的頁巖，右壩肩為礫巖，壩址處有順流向的斷層和古滑坡體，在蓄水初期沿壩體、斷層和壩肩就開始發生滲漏。由于礫巖中含有可溶性礦物，巖石吸水軟化受水流沖刷該部位出現缺口導致右側壩體失去支撐。在水壓力的作用下，古滑坡體復活，巖體沿頁巖層面楔入壩體左側基礎并將壩體抬高，最終洪水將重達萬噸的混凝土塊卷走，造成450多人死亡。

（4）我國的石漫灘大壩。

石漫灘水庫在河南省舞陽市洪河上游，工程于1952年竣工，1955年重新做洪水計算，并對工程進行擴建。大壩為粉質粘土均質壩，最大壩高25m，總庫容0.92億m3。1975年8月4～8日，因受3號臺風的影響，庫區發生特大暴雨，3天降雨量達1074.5 mm，5日第一次入庫洪峰流量為3640m3/s，23時第二次入庫洪峰流量達6280m3/s。7日22時30分庫水位與壩頂齊平，又加上其上游的元門水庫潰壩，1000萬m3的水量泄入石漫灘水庫。8日0時20分庫水位升至111.37m，超過防浪墻0.37m而潰壩，最大潰壩流量20000m3/s，約4小時水庫全部泄空。

3 大壩失事原因分析

（1）壩基破壞。

壩體依靠與壩基和岸坡的緊密結合來抵抗外部荷載的作用，壩基若出現問題就會直接威脅大壩的安全，據統計大約有40%的大壩失事是由基礎引起的。壩基破壞主要由壩基地質缺陷或處理不當引起。在所有壩型中，由于鋼筋混凝土壩、混凝土壩及堆石壩體型小、地基應力大、壩體自身適應變形的能力差，因而對地基的要求較土石壩為高。如法國馬爾帕塞特（Malpasset）拱壩失事事件。壩基處理不當也會造成壩體失事，西班牙的普恩特重力壩在施工時發現壩基有比較厚的砂卵石沖積層。設計采用木排提高地基的承載力，水庫蓄水初期，壩體比較穩定，隨著水位的升高，巨大的靜水壓力將壩體底部的沖積層擊穿，水庫蓄水很快被泄光，壩基徹底毀壞。

（2）泄流能力不足。

泄水建筑物是水利樞紐的重要建筑物之一，因為泄水建筑物存在問題，特別是泄流能力的不足，而造成水利樞紐損傷、故障進而失事的僅土壩就占44%左右，因此必須引起高度重視。

目前大多數水利樞紐的設計流量仍采用數理統計的方法確定，由于水文現象的隨機性、水文系列的短缺或代表性不夠、水文參數的不確定性，加之對樞紐所在地的水文情況研究不深，對洪水疊加的可能性考慮不周，考慮工程項目的經濟性，極有可能導致泄水建筑物設計標準偏低或在遭遇超標準洪水時泄流能力嚴重不足。如印度馬其胡（Machhu）II壩，該壩于1972年建成，壩頂高60m，1979年大壩遭遇特大暴雨而漫頂，當時實際流量為14000m3/s，然而實際泄流能力只有6000m3/s。馬其胡Ⅱ壩共有18個溢流孔，其中3孔因壩上電器設備失靈，未能開閘放水，致使事故災害加重。左右兩岸土壩分別有長1066m和700m的一段被沖垮，決口后的洪水淹沒了莫維市，沖毀12700間房屋，傷亡近萬人。

同時造成漫頂潰壩的還有泄水建筑物的主要閘門機構失靈，1958年印度卡達姆壩就是一例。一般而言泄水建筑泄流能力不足對混凝土壩的影響比較小，只要壩基能抵抗超標準洪水的沖刷，對損傷部位進行及時的修復，不會造成壅水建筑物的破壞。

鑒于已發生一連串因泄流能力不足而引起的垮壩事故，很多國家重新審定了已建和在建的樞紐設計流量，同時增加某些泄水建筑物的泄流能力。為了確保大壩安全，許多工程采用輕型結構加固的壩段來作漫頂溢流壩段。

（3）滲流控制措施不當。

水庫蓄水后，必然通過壩體、壩基和壩端兩岸產生滲流。隨著水位的抬高，基礎孔隙水壓力逐漸增加，可以使土體發生管涌、流土、接觸沖刷和接觸流土破壞，引起壩基和壩體破壞。若土石壩碾壓不密實，壩體內往往會形成隱患裂隙及通道或透水層，導致壩體浸潤線抬高，也可以引起壩體破壞。

對于含有石膏或其它可溶性物質的地基，滲流可以引起地基的侵蝕，使壩體產生不均勻沉降。軟弱夾層或斷層在滲透水流的作用，層面強度降低，引起壩基或壩體滑動。同時水流沿著壩體兩岸裂隙、節理、斷層或軟弱夾層，發生側岸繞滲，抬高岸坡部分壩體的浸潤面和壩基揚壓力，給水庫蓄水或壩體安全帶來影響。

由于滲流為地下水所為，常被忽視，因此破壞性比較大，據維也納世界大壩失事數據站統計，因滲流控制不當引起大壩失事占34%。美國的圣弗朗西斯重力壩失事的外因就是滲流。

（4）滑坡。

水庫一般位于高山峽谷地區，常會遇到岸坡穩定問題，一旦滑坡發生，將造成很大的危害。堵塞泄水建筑物，直接威脅建筑物的安全；大體積滑體高速滑入水庫激起巨大涌浪，對大壩形成很大的沖擊荷載，甚至漫頂，導致大壩失事，給下游人民的生命財產帶來巨大損失，如意大利的瓦伊昂拱壩。

（5）地震。

地震波碰到建筑物后，會引起建筑物的震動，因而在結構中產生復雜的剪應力和彎曲應力，從而使建筑物受到破壞，研究表明還沒有因為地震而造成混凝土壩失事的事例發生。地震對土壩造成的破壞表現為滑坡、裂縫以及較大的沉降變形，但造成潰壩失事的比較少，最為嚴重的是美國的下圣費南多壩，該壩為水力沖填壩，地基由軟巖組成，軟巖上覆大約10.56m的砂和硬粘土；在1971年2月9日發生的圣費南多地震中，壩上游面發生了大面積的滑坡，事后壩體殘余部位離庫水位僅1.21m，若不是提前降低庫水位或地震再延續幾秒種，造成的損失將不可估量。

（6）施工質量差。

由于施工質量差而使壩體出現問題的現象是比較普遍的，如壩身分層、分段和分期填筑時層與層、段與段以及前期與后期之間的結合面不好；在土壩填筑過程，對壩體填料控制不嚴土體含水量過高，碾壓不密實，壩體出現不均勻沉降、縱橫裂縫使壩體漏水或影響壩體的安全；壩基清基不徹底或未清基，或未對地基進行處理，運行中壩基會形成滲水通道或壩后出現諸多滲透破壞現象；施工中對溢洪道的護砌質量差、輸水涵管截水環做得不好也會影響壩體的穩定性。由施工質量低下而造成壩體失事的例子也不少，位于西班牙北部的維格德特拉（Vegade Tera）支墩壩，壩體由混凝土面板和磚石支墩組成，主要提供灌溉和金礦用水，壩高34m。由于面板、支墩新舊層面連接較差沿薄弱部位發生嚴重滲漏，1959年1月10日，遭遇特大洪水，滿庫后由于承載力不夠，接連垮塌，整個大壩毀壞，造成近百人傷亡。

4 防止大壩失事對策探討

大壩失事并不是由單純一個因素引起的，往往是多個因素共同作用的結果。水工建設中存在許多無法預見的因素，理論上講完全避免大壩失事是不可能的，從已失事大壩的調查分析資料表明，在設計、施工或管理方面采取認真負責的態度，采取切實可行和行之有效的措施，按現有的技術水平防止大壩失事是完全可以做到的。

（1）設計。

水工建設是一個復雜過程，涉及到水文、地質、巖土、地震、地質構造等多個學科，需要各個領域的科學技術人員緊密配合，對筑壩可能性以及可能出現的問題進行研究。對于復雜巖基和軟弱土基，必須針對地基材料和結構進行周密研究，采取必要的地基處理措施等等。

在作基礎性研究工作的同時，有必要采取現代計算技術和計算理論，對大壩施工和運行狀態進行數值模擬，以指導水工設計。例如利用大型有限元程序對壩體影響區域進行靜動力應力應變、滲流分析，研究各種因素對壩體應力場和滲流場的影響，對容易導致壩體失事的部位進行工程處理。

由于大量客觀存在而又難以確定的因素存在，有必要對大壩安全引入風險度的概念，將影響大壩失事的主要因素，如壩基破壞、泄水建筑物泄流能力、滲流、地震、滑坡、施工質量低下等作為風險因子，并通過其概率分布函數（PDF），根據分析各風險因素相互遭遇的可能性，估算出現大壩失事的概率。

（2）施工。

質量是工程的生命線，據我國垮壩失事分析，1954～1990年，由于施工質量問題而造成水庫失事的占38%，因此應給予足夠的重視。在工程建設中必須嚴格按照國家的工程建設規定做，采取發包形式，建設單位應對承擔施工的單位進行資格審查。施工單位應具備與大壩工程規模相適應的施工能力和施工經驗，必須嚴格按施工承包合同施工。大壩施工應有嚴格的質量檢查制度和質量控制系統，對施工單位進行監督、檢查、評估和驗收，以確保工程質量。

（3）管理。

完善的大壩管理制度是工程充分發揮作用的前提，過去普遍存在有重建輕管的思想，國內外由于管理不善而導致大壩失事或損失加重的，舉不勝舉，如前面提到的馬其胡垮壩事件。因此要建立和健全大壩管理機構，對大壩進行定期養護、維修、安全監測，做到專人專管、專門負責，責任明確。對承擔防洪任務的大壩，對較大洪水，特別是超標準洪水，僅僅依靠防洪工程措施是很難起到明顯減災效果的，為了將洪災降低到最低程度，必須將工程措施與非工程措施結合起來，非工程措施種類較多，例如洪水預警、防汛調度等等，這就對大壩的管理提出了更高要求。

4.4 安全監測

在長期復雜的自然環境條件影響和各種內外作用力作用下，大壩存在狀態和工作狀況隨時都在變化。為了及時掌握大壩的工作情況和變化，以便采取補救措施，避免大壩失事，應對大壩進行安全監測。安全監測內容包括壩體位移與變形、應力滲流以及庫岸變位等。如果壩體產生了可見性裂縫，則表明壩基內部可能發生了某種位移，壩體或壩基滲水水質渾濁，則表明上述部位可能發生材料溶蝕和溶解現象。通過對觀測成果進行定量和定性分析，不僅有助于了解大壩的工作狀態，而且觀測數據中蘊藏各種物理量變化規律的寶貴信息對指導今后的水工設計起到積極的作用。

5 結 語

水利工程大壩安全責任重于泰山，通過對大壩失事事故的回顧和分析，說明在大壩設計、施工和運行過程中，任何失誤和疏忽都將影響到大壩的安全運行，都有可能鑄成大禍，造成巨大損失，為此，必須加強大壩設計、施工、運行全過程的安全管理。以高度的責任感，吸取國內外大壩失事的教訓，認真規劃、精心設計、精心施工、加強管理，運用現代科學技術，就能建設一個經濟、高效、安全的大壩，為國民經濟發展和保障人民生命財產作出積極貢獻。

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