2.3　山洪对水库大坝影响与作用分析

2.3.1　山洪对水库大坝影响

2006—2014年，全国因洪涝灾害损坏大中型水库416座，小型水库12587座，水利设施损失达2770.6亿元，死亡10352人，因超标准洪水垮坝43座［54－62］。2006—2014年全国洪涝灾害水利设施受损情况见表2.3。2006—2014年全国各地区洪涝灾害水利设施受损情况，全国洪涝见表2.4。

以2013年为例，全国因洪涝损坏大中型水库120座，为统计年份中损坏最多的一年，占统计年份总数的28.85%，仅黑龙江省就损坏55座，占13.22%，见图2.1。损坏小型水库12587座，2010年江西省损坏小型水库1458座，占全年总数的39.47%。2006—2014年全国洪涝灾害损坏小型水库分布图见图2.2。

目前，国内外对水库大坝安全影响因素的研究很多，但是针对山洪易发区的水库大坝安全影响因素的研究较少。由于洪水资料是推求水利工程防洪标准的核心依据，一旦水利工程区域出现超过设计标准的洪水，水利工程的脆弱性将被极大地激发，就可能造成水荷载过大致使水利工程设施损毁、堤防决口甚至是漫坝垮坝等严重事故。由于降水雨量集中、强度大，容易造成突发性洪水，可能致使河流改道，河堤毁坏给我国的城市基础设施造成严重的破坏，给城市居民生命财产安全带来巨大的威胁。此外，突发性洪水极易导致山洪、泥石流等次生自然灾害，其携带的大量泥沙容易致使河流渠道淤堵，将对我国的水利工程，特别是农田水利工程的安全和寿命带来巨大的影响。影响山洪易发区水库大坝安全的因素有很多，主要的影响因素有极端天气、大坝漫顶、大坝结构缺陷、失稳变形、大坝运行及施工质量等。

2.3.2　水库“承灾体”角色

水库建成后，其首要作用是防洪保安，此外还有蓄水灌溉、供水、发电、养鱼等兴利作用。由于受河道行洪能力的限制，建设防洪水库成为防治山洪灾害重要的工程措施之一，特别是当无法提高河道的行洪能力时，建设防洪水库则是提高山区防洪能力的最有效措施。防洪水库有蓄洪、削峰、错峰的功能，在一定程度上能控制水库下游的洪水灾害，水库工程扮演着重要的“承灾体”作用。概括起来，水库对洪水的调节作用主要有两种：

（1）滞洪作用。滞洪就是使洪水在水库中暂时停留。当水库的溢洪道上无闸门控制，水库蓄水位与溢洪道堰顶高程平齐时，则水库只能起到暂时滞留洪水的作用。水位继续上升，则水库将失去滞洪作用。

（2）蓄洪作用。在溢洪道未设闸门情况下，在水库管理运用阶段，如果能在汛期前用水，将水库水位降到水库限制水位，且水库限制水位低于溢洪道堰顶高程，则限制水位至溢洪道堰顶高程之间的库容，就能起到蓄洪作用。蓄在水库的一部分洪水可在枯水期有计划地用于兴利需要。

2.3.3　水库“致灾体”角色

分布于山洪易发区的大量中小型水库工程由于特殊的历史原因，存在不同程度的病险隐患，在遭遇极端气候产生超标准洪水时，水库有溃决风险，此时水库工程从承灾体转变为致灾体，大坝一旦溃决更将会带来难以预估的人员伤亡及经济财产损失。山洪、水库淤积、库岸滑坡、坝体失稳、地质等因素都会对水库安全造成影响，引发水库致灾。

2.3.3.1　溃坝

山洪是引发山洪易发区内水库致灾最主要的因子，暴雨、融雪、冰川融化导致水库水位快速抬升，产生超标准洪水，由于泄流能力不足往往导致漫坝、溃坝。在我国绝大部分水库失事都是由于漫顶溃坝，历史上发生过很多重大的暴雨洪水导致水库溃坝事件。暴雨山洪导致水库溃坝的典型案例简述如下。

1.云南昭通七仙湖水库溃坝

七仙湖水库位于云南省昭通市彝良县东北部的小草坝乡大桥村境内的一条山坳中，是一座兼具发电和农业灌溉、人畜饮水功能的塘坝，距离彝良县城约29km，总库容8万m3。大坝为浆砌石单曲拱坝，最大坝高17.4m，坝脚高程约1896.00m，坝顶宽约1.8m、底宽约3.5m，坝顶轴线长约55m。七仙湖水库由彝良县双龙电站业主于2003年擅自动工修建，当年建成后即投入使用。

2005年7月上旬，彝良县境内前期持续干旱；7月17—20日，彝良县北部山区连降大到暴雨（降雨量140mm），导致七仙湖水库蓄水量猛增，库水位维持在高水位，库水位持续上涨；7月21日6：20左右，大坝右坝肩及右坝段瞬间发生崩塌，垮塌坝体约占坝体总量的一半（图2.3）；溃坝下泄洪水冲毁了大坝下游1.5～2.0km处的大桥村钻天、蜂子、小岩三个小组。

2.河北刘家台水库溃坝

刘家台水库位于河北省保定市西北满城县刘家台西高士庄村西界河上游，是一座中型水库，该水库始建于1958年，同年汛前完工，后于1963年进行了溢洪道的加深加固。因遭遇超标准洪水，1963年8月8日凌晨4：00大坝漫顶溃决，后无修复。

刘家台水库溃坝，影响范围广，受灾程度严重（图2.4）。水库下游共计68个村庄13996户64941人受灾，67721间房屋被冲毁（其中4个村全部冲毁），造成下游1.0～15km范围内的界河沟谷中居民约948人丧生，10000多头牲畜死亡，2.3万亩农田被冲毁，12万余株果树被冲倒，249辆农用车被冲走。

3.浙江舟山沈家坑水库溃坝

沈家坑水库位于浙江省舟山市岱山县，集雨面积0.26km2，土坝高28.5m，总库容23.8万m3。2012年8月受台风“海葵”影响，连日暴雨，引发山洪，8月10日沈家坑水库发生垮坝（图2.5），造成11人死亡，27人受伤。

2.3.3.2　库岸滑坡

库岸滑坡是影响水库安全的重要因素之一。水库内的滑坡会产生水库的库容损失，造成水库淤积，使得水位骤涨。近坝库岸边坡滑坡除了能直接破坏建筑物外，还有可能堵住放水涵洞，泄洪闸门，造成水库安全事故。此外，滑坡涌浪，会对大坝及下游造成很大破坏，有时可能会导致溃坝。典型案例为意大利瓦伊昂水库事件。

瓦依昂大坝位于意大利阿尔卑斯山东部瓦依昂河下游河段，距离最近的城市为瓦依昂市。大坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高262m，水库设计蓄水位722.50m，有效库容1.65亿m3。1963年10月9日22：00靠近大坝的山体岸坡发生了大面积整体滑坡（图2.6），长约2km、宽约1.6km、体积达2.4亿m3的滑坡体将坝前1.8km长的库段全部填满，淤积体高出库水面150m。滑坡时，涌浪超过坝顶100多米，约有300万m3水注入深200多米的下游河谷，涌浪前锋到达下游距坝1.4km的瓦依昂峡谷出口处，下游村庄大部分被冲毁，共计死亡2000余人。

2.3.3.3　坝体失稳变形

山洪易发区水库大坝失稳变形主要表现形式是滑坡、坍塌、裂缝等。影响大坝稳定的因素大致可分为坝身因素、地质灾害因素、水文及水动力学因素等，其在坝坡形成及稳定性变化的各个阶段所起作用各不相同。地质对水库大坝失稳变形的影响主要体现在地质条件复杂，地基有软弱层，在大坝建成后产生不均匀沉降，产生裂缝；砂砾石基础地质中，若不密实、特别是粒径均匀的砂土，地震时可能发生液化造成大坝滑坡坍塌；滑坡是指在一定自然条件下，边坡部分岩土在重力和渗透压力作用下，由于自然或人为等因素的影响，沿一定的软弱面或者软弱带发生移动的现象。滑坡最终有可能导致水库大坝垮坝。据统计［63］，截至1990年，由于滑坡导致垮坝的总共有143座，占垮坝总数的4.40%，占全部建成土石坝水库的0.17%。

1.按库容大小分析

在143座滑坡垮坝失事案例中，无一座大型水库，中型水库也只有一座，仅占总垮坝数的0.7%；小（1）型水库27座，占19.0%；小（2）型水库110座，占76.9%；情况不明5座，占3.4%（图2.7）。可见，土石坝垮坝的绝大多数是小型水库，主要由于小型水库在设计、施工和运行管理中更易存在问题造成的。

2.按坝型分析

滑坡垮坝的土石坝，以均质坝最多，共计124座，占总数的86.7%，其次是心墙坝13座，占9.0%，其他情况不明的6座，占4.3%（图2.8）。这是因为我国土石坝中，以均质土石坝所占的比例最大，均质坝施工也较简便，易被接受。均质坝蓄水后，坝体内浸润线较高，库水位骤降和雨水入浸，坝体排水较差，土体内孔隙水压力增大等原因，都有可能导致溃坝。

另外，如果坝址或者岸坡岩层有断裂带、褶皱或者倾斜度不利于稳定等情况存在时，也很容易导致坝坡或者岸坡的滑动失稳。坝体和坝基土料的液化，也是导致垮坝或者坝体失稳变形破坏的重要原因之一。地震对大坝失稳的影响主要是使坝基土的孔隙水压力增大，改变坝体内土颗粒的黏聚性，导致大坝失稳的出现。降雨也是很多水库大坝工程失稳的主要因素之一，降雨使地下水位上升，坝体内土的含水量增加，使土体参数发生变化，降低了土体的强度，容易产生失稳。

2.3.3.4　人为因素

上述水库致灾因素绝大部分是自然的，但人类的行为往往也会对水库造成不利影响。工程技术方面的问题也是水库致灾的重要因素，包括设计缺陷、质量问题、设备故障以及安全事故等。管理失误会导致水库病险和灾害的发生，人类的活动影响和破坏也会导致水库的灾害，例如战争毁坏、工业污染等。

1.设计缺陷

水库的设计是至关重要的，然而历史上出现的很多水库失事事件都是由于勘测设计方面的问题造成的，我国一半以上的水库建于新中国成立初期，大多是“三边”工程，设计防洪标准低，泄流能力不足，很多水库都没有设置可靠的溢洪设施，是导致水库溃坝等灾害发生的主要原因。如1979年四川省有28座水库溃坝，都是由于没有做勘测设计、防洪标准偏低造成。宁夏1958—1979年统计的21座小型溃坝水库，都是由于勘测设计不到位，一般都没有泄洪设施，加上水库淤积日益严重，抗洪能力逐年降低。国外也出现过不少设计缺陷或者不足导致溃坝的事故。典型案例如下。

（1）美国圣弗朗西斯重力坝溃坝。美国圣佛朗西斯坝是一座56m高的混凝土重力拱坝。1928年3月12日发生溃坝，38m高的水墙沿着圣弗朗西斯基多河谷奔涌而下。当其流到87km外的大海时，溃坝洪波依然高达6m，下游城镇在溃坝中毁于一旦，死亡人数在600人以上。大坝在设计及建设过程中存在着问题，但这并没有引起重视。在建设过程中先后两次将大坝各抬高3m。将混凝土大坝加高6m后却未能相应加宽地基，是导致溃坝事故发生的重要因素。

（2）青海沟后水库［64－65］。1993年8月27日23：00左右。青海省海南藏族自治州共和县境内的沟后水库发生溃坝，库内蓄水近300万m3，冲开坝体超过60m，从超过40m高处跌落，扫荡了恰卜恰河滩地区，冲毁大片农田、房舍、铺面，死亡300余人，尚有多人下落不明。溃坝原因是大坝存在严重的设计失误和施工质量问题。砂砾石坝体未设置排水层是坝体结构设计的严重失误；高程3255.00m面板的水平缝问题，存在着明显的渗漏通道；坝顶防浪墙及其与面板顶部水平止水连接也存在设计失误。

2.质量问题

我国很多病险水库是在“大跃进”时期快速建成的，施工质量普遍存在问题。据统计，在1954—2003年的50年中，我国已溃大中型水库中超过半数是在施工期发生的，而绝大部分的施工期是在“大跃进”时期。对全国1954—2003年已溃水库的溃坝原因进行统计，结果表明泄流能力不足和质量问题是导致溃坝发生的主要原因，其中泄洪能力不足导致溃坝的比例超过40%，质量问题导致溃坝的比例超过35%。

1962年7月25日，辽宁省德力吉水库溃坝，水库失事的主要原因是由于工程存在着严重的质量问题。坝端与山体结合部分存在施工质量问题，产生严重渗漏；右坝头出现裂缝，大坝加高部分质量较差［66］。

1979年陕西省有15座小型水库失事，其中土层碾压不实、坝体埋管和岸坡结合等施工问题导致的就有8座。新疆的文洛克水库，自1974年建成，发生垮坝事故5次，都是由于质量问题。甘肃省于家海子水库，由于大坝填土质量差，辗压不实导致无降雨情况下垮坝。新疆第二水库由于闸室处坝体发生管涌，造成闸室周边出现渗水通道，闸室整体沉陷，坝体溃决。湖南省佛光水库因涵洞漏水溃决。福建省莆明水库由于坝体与山坡结合差、夯筑不实垮坝［67］。

3.设备故障

水库安全需要每一个建筑物正常运行，当然也应该保证所有的机械电气设备工作正常。但是很多水库由于运行时间长、设备老化、管理维护不善，造成水库在遭遇暴雨洪水时，供电系统出现故障，闸门卡滞、启闭设备无法运行、泄洪设施不能工作导致溃坝的事件也经常发生。因此故障事故的发生也是导致水库灾害的因子之一。2010年7月27日吉林省桦甸市大河水库溃坝，水库遭遇超标洪水，因断电原因溢洪道闸门没有全部开启，水库泄流量达不到设计要求，导致溃坝。

4.管理问题

我国水库一直都有重建设轻管理的问题，水库管理对于水库的安全运行至关重要。很多水库失事都是由于管理不当造成，管理制度不健全，操作运行人员责任不明确，闸门启闭机等设备维护不到位，都给水库运行留下了安全隐患。一旦出现险情，没人发现或发现不及时，设备无法运行，极有可能会造成水库失事。

水库管理问题导致失事的典型案例：1993年2月云南梅子阱水库溃坝，是由于盲目超蓄，水库高水位运行时管理人员不在场导致。1991年8月云南三台城水库溃坝，也是因为长期无人管理。甘肃省党河水库、四川省青龙洞、长田青水库、湖北省古塘水库、江西省环溪水库均因为汛期违规超蓄，造成漫坝。湖南省高岩坝水库、左右冲水库、广东省崖子山水库，都是由坝上扒口放水造成垮坝。

2.3.4　我国中小型水库溃坝特征与溃决成因

山洪易发区内水库以中小型工程为主，若失稳溃坝将对下游带来极为严重的生命财产损失。根据1991—2013年23年间发生的289座溃坝案例，统计分析主要从溃坝年份、省份分布、水库规模、大坝类型、坝高、工程状态、溃坝原因等方面进行，并将结果与国外的一些统计资料进行比较研究。

2.3.4.1　我国中小型水库溃坝特征分析

（1）按溃坝年份分析。溃坝是指水库大坝的主体工程的破坏，其中也包括了其附属结构的完全破坏，包括溢洪道设计不当而产生的漫顶或者设计洪水的估算错误而使库水短期大量泄流而产生的结构破坏。虽然大坝的工程设计、施工等设计不断进步，但是水库溃坝并不能够完全杜绝，溃决事件仍然时有发生。根据文献资料记录的内容，我国分别在1962年、1979年和1991年先后三次对溃坝失事案例进行过统计。最新统计资料显示，在1954—2013年全国共有3549座水库溃坝，其中1954—1990年有3260座水库溃坝，年平均溃坝88座；1991—2013年有289座水库溃坝，年均溃坝12座。本书主要对后者进行了全面的统计。1991—2000年，全国共垮坝227座，年均溃坝数约为23座；2001—2006年，共垮坝35座，年均6座；2007—2013年共垮坝27座，年均溃坝4座。根据统计结果，按年份统计的溃坝数与溃坝百分数见图2.9和图2.10。

从图2.9和图2.10可以看出，在1994年出现了1个垮坝高峰，共计垮坝58座，而20世纪90年代后期以来，尤其是2001年以后，年均溃坝数明显减少。

（2）按各省（自治区、直辖市）分析。表2.5列举了1991—2013年各省（自治区、直辖市）溃坝数及溃坝百分数。

从表2.5中可以看出，1991—2013年，云南省、吉林省、广东省、新疆维吾尔自治区、广西壮族自治区、四川省、湖南省、贵州省、宁夏回族自治区的溃坝数量较多，都在15座以上，其中云南省的溃坝数最多，占全国溃坝总数的15.92%；而北京、天津、江苏、上海等9个省（直辖市）均无溃坝事件发生。

（3）按水库规模分析。按水库规模统计溃坝情况见表2.6，在掌握的1991—2013年的溃坝资料中，小型水库溃坝数占98%，中型水库占2%，无大型水库溃坝事件发生。

（4）按大坝类型分析。表2.7为1991—2013年23年间全国已溃大坝不同坝型的溃坝数与溃坝百分数，从表中可以看出，全国溃坝事故中，有278座是土石坝，占溃坝数的96.19%。表2.8为土坝中各种坝型的溃坝数与百分比，从表中可以看出，均质土坝溃坝数最多，共268座，占土坝溃坝总数的96.40%。

国际大坝委员会（ICOLD）的研究表明：按照溃决的坝型统计，在所有坝型中，土石坝的溃决数量是最多的，占溃决总数的69%左右。但是若以每种坝型的溃决数与总溃决数的比值，和每种坝型的已建数与总建坝数的比值相比较，两者大致接近。

（5）按坝高分析。图2.11为溃坝按坝高分布的比例。从图2.11可以看出，坝高在10～20m的溃坝数最多，占溃坝总数的46.37%，几乎占到整个溃坝数的一半；其次是坝高小于10m的大坝，占溃坝总数的25.95%，而坝高大于50m的溃坝很少发生，只占溃坝总数的2.42%。

如果按照ICOLD的规定，把坝高为15～30m的大坝归类为低坝，30～60m归类为中坝，大于60m归类为高坝，则各类坝的溃坝百分比见图2.12　。

国际大坝委员会分析得到，在已溃大坝中，低坝所占的比例达到了70%。比较国内外的数据可以得到，在已经溃决的大坝中低坝所占的比例很大，而ICOLD仅把大坝高度高于15m的大坝进行登记注册，由图2.12可以看出，我国已溃坝中坝高低于15m的占55.02%，这是我国比国外溃坝率偏高的主要原因之一。

（6）按工程状态分析。我国不同时期所建的大坝都有其特殊性，一些水库的建设处于特殊的历史时期，水库大坝的建设技术还处于初步探索的阶段，加上历史水文数据不足，以及经济基础相对薄弱，因此许多大坝或在建设阶段就溃决，或是存在许多遗留问题，还有的大坝因为各种因素而处在停建状态，这些大坝都不完全具备防洪功能，因此溃坝的概率很大。按溃坝水库的状态，统计分析区分为：正常运行、停止建设、病险和在建四种情况，根据大坝的工程状态进行的溃坝统计见图2.13。

从图2.13可以看出，水库大坝处于停建、在建情况下的溃坝数占溃坝总数的8.31%，这也是我国溃坝率比其他国家偏高的原因之一。

2.3.4.2　溃坝原因分析

表2.9列出了不同的溃坝原因导致的溃坝数与其比例。从各种破坏的原因来看，由于漫顶引起的溃坝仍然占最大的比例，为69.9%，其中由于超标准洪水导致水库漫坝溃决数占总数的54.67%，由于泄洪能力不足而引起的溃坝数占总数的15.22%。

从我国修建水库大坝的历史来看，绝大多数大坝都是新中国成立初期修筑的，由于水文资料不足，同时对水库泄洪能力和防洪库容也没有准确的估算，再加上技术水平受限，没有意识到大坝溃决的严重后果，许多水库大坝的设计和施工标准不够高。在由漫顶而引起的水库大坝的溃决中，处于工程建设期的占2.08%，处于停建状态的占6.23%。20世纪90年代后，因漫顶而引起的大溃决比例有所增加，这是由于这一时期全球气候变化，我国发生了几次不同流域的大洪水。从前面的分析可以看出，所有坝型中土坝所占的比例超过了95%，渗流是土坝溃决的主要原因。均质土坝失事的最主要原因是坝体尺寸不足，还有一些其他的薄弱环节，如溢洪道与坝体接触处、新老坝体接触面、涵洞（管）与坝体接触处等，这些部位的处理不当也是发生渗漏破坏的因素。