1　自然风险与风险防控

1.1　不明原因的风险与风险防控

自然界是复杂的,人们对自然的认识是有限的,在当今水利水电工程建设中,我们会碰到一些从未遇见过的无法理解和无法解释的现象,随着水利水电建设向西部发展,可能还会遇到更多不明原因的技术风险。

1.1.1　江垭大坝及左右岸山体不明原因的抬升

江垭水电站位于湖南溇水中游,库容17.4亿m3,碾压混凝土重力坝坝高131m,右岸地下厂房装机30万kW。

1998年水库蓄水,很快就发现坝轴线上下游500～700m、宽800～1000m范围内,350～360m高程以下山体和坝体随库水位上升而整体抬升,2006年实测最大抬升32.6mm。经多次多方法复核,上述实测数据无误。检查认为：江垭大坝和近坝山体的抬升与水库修建后横切河谷的江垭向斜一翼承压热泉水的压力升高有关,是特殊地质背景下罕见的地质现象。

地质查明：坝址位于NEE走向的江垭向斜的NW翼,坝址区岩层走向与河流近乎正交,倾向下游偏右岸,倾角38°,其中中泥盆统云台观组D2y为厚层石英砂岩夹页岩承压含水层,其补给区为该向斜SE翼高程700～1000m的大片D2y出露区,而D2y地层上部厚63m的泥盆统的D3h和D2x不透水地层,为承压水顶板。D2y中地下水向江垭向斜深部运移,被加热,水温达70℃,原在坝址处出露,江垭水库修建后改变了出露状况,承压水头提高。部分专家解释：由于承压水头抬高,岩体扩容变形,导致江垭大坝及近坝山体的抬升(图3.1-1)。

人们不解,江垭岩体是否真的存在扩容现象?扩容机理又是什么?为什么100m的水压力会抬起131m高重力坝及200～300m山体?坝址地应力不高,不存在膨胀岩,热泉温度升高不足以使膨胀系数较低的山体产生如此大的变形?……人们无法解释这罕见的现象,只能依据抬升变形与库水位的关系预测可能最大抬升40mm。但基于对不均匀抬升、热泉腐蚀及对大坝和地下厂房安全的担心,人们只能加强监测分析工作。

1.1.2　琅琊山抽水蓄能电站1#引水钢管放空期间外水压力的反常现象

琅琊山抽水蓄能电站位于安徽滁州,该工程由上水库、下水库、引水发电系统组成,装机600MW(4×150MW)。上库库容1744万m3,下库利用已建的城西水库,库容4400万m3。电站引水系统采用一洞一机的布置方式,尾水系统采用一洞两机的布置方式。引水道自闸门井到地下厂房由上平段、上弯段、竖井段、下弯段和下平段组成,上平段及上弯段洞径为6.0m,竖井段为6.0m,下弯段及下平段为5.4m。上游洞段全洞采用钢筋混凝土衬砌,下游21m洞段采用钢板衬砌。

四条引水洞的工程地质特征基本相似：地面高程180～200m,开挖前天然地下水位约141～172m,引水洞上覆岩体厚度40～70m,岩性为琅琊山组下段(∈3Ln1)薄层条带灰岩,岩层产状NE45°～50°,NW(SE),∠80°～85°。局部分布燕山期侵入的蚀变花岗闪长斑岩岩脉。4条引水隧洞均受F47断层切割,F47产状为：NW285°～310°,NE∠35°～45°,宽度0.05～1.5m,与引水隧洞近正交,对洞室稳定影响相对不大。引水隧洞围岩以Ⅲ类为主,占63.3%～86%,断层出露段岩体为Ⅳ～Ⅴ类围岩,引水隧洞主要的工程地质问题是断层、节理密集带,以及结构面不利组合部位的洞室局部稳定性等。

2005年7月上水库蓄水,从2007年9月投入运行以来,上库水位已超过正常蓄水位(171.80m),且经受了两次大洪水考验,监测数据总体正常,安全监测设备对工程实施了有效监控,各建筑物正常运行,发电效益显著。

2007年9—10月1#、2#、3#、4#钢管相继放水检查,发现2#、3#、4#钢管附近外水压力有所降低,渗压计测值正常；1#钢管C-C剖面以下钢管附近渗压计测值也正常,唯1#钢管A-A剖面(高程40.4m)与B-B剖面间约20～40m范围内渗压计测压水头不降反升,高达100～150m,超过设计外水压力允许值70～100m,同时B-B剖面钢板应力转为压应力,最大值229.21MPa(16MnR钢材承受内压极限230.8MPa,抗拉抗压抗弯设计强度300MPa,屈服极限325MPa)。待1～2月后,钢管外围岩内的渗透水压力才恢复正常,至高程50m左右。2010年10月放空检查时仍有上述现象。

(1)特点分析。

1)该现象是1#钢管A-A剖面与B-B剖面间约20～40m范围内的局部现象,其他钢管段其余剖面的测值均未出现异常。

2)UP2-2、UP2-18均在钢管排水洞上游侧,且比排水管高30m左右,排水管排水效果不佳,实测外水压力超过设计外水压力允许值70～100m,可能威胁钢管外压稳定。

3)1#钢管轴线NE20,位于寒武系琅琊山组薄层灰岩∈3Ln1和∈3Ln2中,该地层为薄层与中厚层泥质灰岩互层,透水性较弱。该地层产状NE45°～50°,NW或SE,∠80°～85°,与背斜轴线平行,与洞轴线斜交。F15产状NW285°,NE,∠35°～50°,由蚀变花岗闪长斑岩组成,具有较强阻水性,切割2#、3#、4#钢管竖井段与下平段,其影响长度分别为43m、29m和52m。

4)该段地表高程为180～200m,洞室开挖前附近地下水位为141～172m。

5)钢管上方开凿的三条排水平洞和垂直层面的排水幕,因岩体完好致密,透水性差,排水效果不好。

(2)可能原因分析。

1)1#钢管A-A剖面、B-B剖面共16支渗压计,测值连续,相关性很好,仪器正常。

2)由于2007年9—10月1#、2#、3#、4#钢管相继放水检查,不存在与2#、3#、4#钢管漏水影响问题。

3)1#钢管A-A剖面、B-B剖面渗压计测值与库水存在一定关系,但2009年最大渗压水位187.31m,高于水库正常水位171.8m,可见渗压的升高与库水位无直接关系。

4)钢管外围岩的岩层陡立,岩石透水性较差,区域来水可能不是主要水源,但背斜构造可给裂隙水创造升压条件。该地区降雨较多,钢管外的渗压异常可能与降水有关。

5)突然放水,钢管回弹变形,围岩扩容,可以提供外水压力升高条件,但为何只发生在1#钢管A-A剖面、B-B剖面20～40m区间?是否与局部分布的燕山期蚀变岩有关?

(3)影响分析。

1)发展趋势：由于岩层陡立,出露面积不大,岩石透水性不强,地表高程180～200m,原始地下水位141～172m,估计外水压力最大升高至180～200m高程,不会无限增大。

2)可能影响：钢管外压失稳、围岩及断裂的水力劈裂、围岩上抬或渗流破坏。

3)钢管外压失稳三条件中除外压力外,还必须有一定的水体和急剧的压力变化,由于补给源不大,水头最多只有180～200m,只要有效控制放水与充水速率,分段放水,估计尚不致引起钢管外压失稳。

(4)2008年安全鉴定意见：1#压力管道放空检查期间,渗压计测值升高的反常现象,原因尚不明确,建议加强钢管部位钢板应力和外围渗压监测。避开雨季和冰雪融化期放空,放空时严格控制放空速度。

(5)2012年2月专题研究报告认为：2007年10月和2010年10月1#压力管道放空期间局部管段外渗压计测值的突然上升,经复核,此时钢板应力未超过钢板允许值,均在弹性范围内,建议：①避开雨季和冰雪融化期放空；②放空时严格控制放空速度；③下次放空时进一步判断1#压力管道放空时的安全性。

钢管放空后外压突然升高,这是一个反常的现象,原因一时尚难查清,只要暂不影响工程安全,只能允许它存在。由于该压力管道外水压力及钢管压力异常增高的机理尚不明确,考虑到本段岩体排水效果不佳,本着风险控制的原则,宜根据上述管段灰岩、侵入岩、蚀变岩、结构面、允许水力坡降和现排水设施状况等,对钢板应力与允许外水压力的安全裕度进行分析；综合考虑抽水蓄能电站压力管道频繁变换抽水和发电、开机停机、材料疲劳及性能的变化,合理确定放空时的放空速率,对放空时钢管外的高外水压力所可能产生的风险,继续关注,继续研究。

1.1.3　不明原因风险的防控

(1)当遇到一些不明原因的异常现象时,要承认自然界的复杂性及人们认识的局限性,要允许这些事件在不危及工程安全的前提下存在。

(2)世界上的事物都是一个动平衡,当水利水电建设打破原有平衡后,自然界必然会构建一个新的平衡,出现一些未曾预料的尚查不清原因的事件,在这种新平衡构建过程中不应紧张,不要强求一定要查明原因,更不能轻易打破或中止这个平衡进程,否则会带来更多无法预测的风险。对已出现查不清原因的异常现象,关键在于详细和全面地分析这种现象对工程安全的影响,只要这种现象暂不影响工程安全,只能加强观测,加强分析研究,适当顺导微调,以适应新的动平衡进程。

(3)一些工程运行多年后出现这样那样的问题,经过多年努力已趋于动平衡状态,同样不宜再做大的变更,不能轻易打破这来之不易的新的动平衡。如三门峡水库淤积导致上游潼关华县等地出现严重盐碱化、河道改道等问题,经过几十年努力,打井排水降低地下水位,上述问题已得到一定程度控制和缓解,已形成一个新的动态平衡关系。有些人现在还提出要炸掉三门峡大坝,会带来什么样结果呢?三门峡水库数百亿方泥沙将冲到何处?潼关华县等地地下水位的大幅下降又会带来什么结果……任何事都有利与弊,当初三门峡上马没有充分考虑“弊”,吃了苦头,现在再不应贸然行事。

1.2　水文数据不确定性所带来的风险与风险防控

水文资料是水利水电工程设计的基础资料,通常包含与发电、灌溉、供水等效益关系较密切的年径流总量和径流年内分布,也包括与工程防洪安全密切相关的洪峰流量、洪水总量、洪水历时等。受气温、降雨、地下水、冰川、冰雪融化、溃坝、地形地质及人为活动等影响,水文是一个非常复杂且具有明显不确定性的问题,把相关水文数据作为一个独立随机变量,采用概率统计方法把复杂问题概化,统计分析计算,该方法是科学的、有效的,但其计算结果是不确定的,是有局限性的。事实上,一些特大洪水是多种原因组合形成的,许多工程缺少实测特大洪水资料,设计和校核洪水只能依靠历史洪水调查及概率曲线外延求得,当实测资料较少或成因复杂时,该计算成果就有一定局限性。虽然随着大江大河水文站的建立,水文系列样本数增加,计算精度提高了,但仍无法解决它的不确定性,更何况许多小河尚无实测资料,只能依靠推理或经验公式计算,因而常带来一定风险。这种风险既可表现于设计和校核洪水参数的调整,也可表现于各种原因引起的漫坝和溃坝事故。

1.2.1　冲乎尔水电站历史洪水及其对设计的影响

冲乎尔水电站是新疆额尔齐斯河一级支流布尔津河规划的第二级电站,距布尔津县城70km,是一座以发电为主要任务,兼有灌溉、供水效益的中型水电枢纽工程。

枢纽工程由拦河坝、泄水、引水发电系统及电站厂房等建筑物组成。碾压混凝土重力坝最大坝高71m。水库总库容0.84亿m3,正常蓄水位755.0m,电站总装机110MW。该工程为Ⅲ等工程,设计和校核洪水重现期分别为100年和1000年,根据下游8km群库勒水文站1957—2001年共45年实测洪水资料计算,相应洪峰流量分别为2036m3/s和2623m3/s。

布尔津河的洪水主要来自阿尔泰山区的融雪水,同时夏季暴雨也可与融雪型洪水叠加形成混合型洪水,存在着发生较大历史洪水的可能,洪水的大小主要取决于冬季积雪量和夏季气温变化。

该工程2006年10月开工。开工后,2007年下级电站在历史洪水调查中查明,布尔津河1931年发生了重现期为100年的洪水,洪峰流量为2551m3/s,把此历史洪水资料放入水文系列后,冲乎尔水电站相应设计洪水和校核洪水流量分别增加25.3%和39.6%(表3.1-1),原有两底孔和一个排漂表孔的泄洪能力严重不足,校核洪水位将超过原水位3.5m,不仅超过原坝顶,造成漫坝,还将严重威胁该工程及下游三个梯级电站的安全。

1.2.2　张河湾抽水蓄能电站运行期间设计和校核洪水的调整

当今水利水电站工程建设均拥有40～60年的实测水文资料,采用频率统计法,计算与防洪标准相应的设计和校核洪水是可行的,但由于实测样本所限,自然气象条件变化及人为影响,原计算成果可能偏低,如不适时延长水文系列,复核洪水设计成果及相应设计和校核洪水位,复核坝顶高程,就可能出现漫坝事件。

张河湾抽水蓄能电站装机100万kW,下库利用子牙河支流甘陶河上原有的水库续建而成。该水库拥有44年实测水文资料,2002年发生大水,100年一遇设计洪水和1000年一遇校核洪水分别从3560m3/s和6690m3/s增加为4570m3/s和8750m3/s,分别增加28%和31%,设计上不得不对下库的泄洪设施做相应复核和变更。

1.2.3　上游冰川融化、冰积湖及堰塞湖溃决对设计洪水的影响

阿尔塔什水库位于新疆叶尔羌河上游,库容22.04亿m3,装机73万kW,砂砾面板堆石坝坝高164m,工程主要任务为灌溉。由于叶尔羌河上游有冰川覆盖,有冰积湖,阿尔塔什洪水成因包括暴雨、冰川融雪、冰积湖溃决等,成因复杂,特别是当暴雨、高温、冰雪融化、冰积湖溃决的洪水叠加后,往往造成较大洪峰。鉴于我们对于这种暴雨融雪冰积湖溃决复合型洪水的规律认识尚有不足,还原计算困难较多,现有以概率统计原理的水文计算方法尚难于真正反映这种洪水的规律；特别是水文计算的依据站为下游55km的卡群水文站,该站位于浩瀚的戈壁滩中,其水文特点与阿尔塔什坝址有一定差距。因此,阿尔塔什洪水计算就有相当难度,也存在一定风险。阿尔塔什水库虽设置了2条孔宽15m的表孔溢流洞、1条中孔泄洪洞,及2条7m宽深孔放空排沙洞,但也很难保证不存在暴雨、冰雪融化、冰积湖溃决而形成的超标洪水的风险,为此仍须做好洪水漫坝溃坝的应急预案和溃坝危险性分析。

1.2.4　“75·8”洪水及板桥、石漫滩等大坝溃决

板桥水库位于河南泌阳县汝河上,黏土心墙坝,坝长2020m,经加高最大坝高24.5m,库容4.92亿m3,1953年建成,设计和校核洪水重现期分别为100年和1000年,相应溢洪道泄洪流量分别为6630m3/s和8950m3/s。

石漫滩水库位于河南舞阳县滚河中游,均质土坝,加高后坝高25m,库容0.47亿m3,1951年竣工,设计洪水重现期为50年,校核洪水为500年一遇洪水加20%洪峰流量,相应校核泄洪流量为5083m3/s。

1975年8月3日2时,当年第3号台风在福建晋江登陆,经江西、湖南后转为低气压,受大别山地形影响,在河南汝河及沙颍河上空徘徊20h,3—7日当地普降大雨,暴雨中心就在板桥水库上游的林庄和石漫滩水库上游油房山等地,三日连续降雨分别为1605.3mm和1411mm,暴雨呈双峰型。

8月5日14时板桥水库第一次洪峰7500m3/s,7日12时第二次洪峰13000m3/s。相应最高库水位117.94m,超过校核洪水位116.14m,也超过坝顶高程116.34m。洪水漫坝,大坝溃决,溃坝流量78100m3/s,下泄水量约7.1亿m3,垮坝口门顶宽372m,底宽210m,坝顶及上下游坝壳的砂壳料被冲光,坝顶3～6m心墙被冲走,冲走土石料100多万m3。

石漫滩第一次洪峰发生在8月5日15时,入库流量3610m3/s,第二次洪峰发生在7日15时,入库流量6180m3/s,相应最高库水位111.40m,超过校核洪水位109.30m,也超过坝顶高程109.95m,洪水漫过防浪墙,大坝溃决,口门顶宽446m,底宽288m,深25.84m(冲走坝基0.84m)。

由于连日暴雨加上板桥和石漫滩等水库溃决,20多m水头铺天盖地降临,下游汪洋一片,中央工作组视察中,老百姓哭述惨状,要求分洪,12日由武汉军区相继炸开班台节制闸、并炸开黑龙潭、方集、宿鸭湖等17处堤坝,灾区水位迅速下降,灾民才得以救助。

“75·8”洪水共造成板桥水库、石漫滩水库及附近的田岗、竹沟等58座水库溃坝(图3.1-2),伤亡120626人,其中死亡22564人,受灾人口1029.5万人,450万人被洪水围困,106万人一贫如洗,1778万亩的秋作物绝收,102km京广铁路受淹,经济损失26.2亿元。“75·8”洪水教训及原因分析：

(1)板桥、石漫滩大坝分别按100年一遇和50年一遇洪水设计,分别按1000年一遇和500年一遇洪水加20%校核,但由于修建时缺乏水文资料,特别缺乏大洪水资料,致使设计洪水偏小,1956年、1969年、1973年虽对其进行调整,但未彻底实施加高大坝和增加相应泄洪能力的措施。

(2)暴雨呈双峰状,峰高量大,洪水超标,致使板桥和石漫滩等水库漫坝溃坝。

(3)石漫滩上游袁门水库溃坝,加大石漫滩溃坝的可能。

(4)板桥水库未按防洪调度指令,汛期超过汛限水位蓄水,挤占防洪库容3200万m3。石漫滩在洪水来临前,为保护下游石岗水库两度下闸,加大后期泄流量200m3/s。

(5)防洪调度失误,电源中断,闸门开启不及时。

(6)未做好气象预报和抗洪抢险预案,没有备用电源,没有可靠的通信设备。

从这一事件可知,纵使有实测水文资料,但由于洪水的不确定性,也会发生超标洪水,造成漫坝、溃坝。

1.2.5　库区滑坡涌浪及洪水漫坝风险

意大利瓦依昂拱坝1960年建成,坝高262m,是当时世界上最高的拱坝,库容1.7亿m3,上游岩体为侏罗纪灰岩夹薄层泥炭岩并夹泥。1963年10月9日,上游近坝区左岸岸坡有1.8km长、1.6km宽、2.7亿m3山体滑塌,当时水库约有1.2亿m3水体,塌方堆积体高出水库水面150m。滑坡体的突然滑塌造成水库水体涌浪,水浪漫过坝顶,扫去坝顶所有建筑物,大坝屹立不动,仅左岸有一段9m长、1.5m深混凝土损坏,左岸地下厂房遭受严重破坏,造成上下游2000人死亡,并导致大坝和厂房报废。

1.2.6　梯级大坝群的连溃风险

当今我国水利水电建设已呈梯级开发方式,梯级开发有助于提高梯级水库间调节能力,增加梯级电站发电量,但一旦上级水库大坝溃决,就会使下游水库的大坝面临连溃风险,使灾害扩大。

当今我国水利水电工程的防洪标准均由其工程规模(库容、装机等)决定,很少考虑梯级水库间及与地方县乡间防洪标准协调,并规定当挡水建筑高度小于15m、最大水头小于10m时,可按平原水库标准执行；工程规模由装机容量确定时,挡水建筑物级别可降一级；坝高小于30m、校核洪水工况上下水头差小于2m时,挡水建筑物级别可降一级,相应调整防洪标准,这样往往加大梯级水库间防洪标准的不协调。

新集电站位于汉江中游,库容4.418亿m3,日调节水库,装机120MW,挡水建筑物(土坝)最大坝高17.3m,属峡谷地区水电站,按库容确定为Ⅱ等工程,土坝设计洪水重现期为100年,校核洪水重现期为1000年,相应洪峰流量分别为18700m3/s和38400m3/s。上游王甫州水电站库容3.095亿m3,土工膜防渗土坝最大坝高12m,最大挡水水头小于10m,遵照规范规定,按平原水库设计,相应设计洪水重现期为50年、校核洪水重现期为300年,即发生超过300年一遇洪水时,王甫州土坝即将溃坝,相应下游的新集电站土坝虽校核洪水重现期为1000年,但也有漫坝可能。考虑到汉江上游为我国著名的暴雨中心,汉江洪峰高,洪量大,历时长,发生大洪水概率较高,王甫州土坝为土工膜心墙砂砾石坝,初期蓄水时曾发生过渗流破坏,现泄洪设施按300年一遇洪水标准校核,泄流能力仅26960m3/s,存在较大的漫坝溃坝风险。鉴于王甫州与新集水库均为日调节水库,两水库库容相差不大,新集水库调蓄能力有限,一旦王甫州土工膜砂砾石坝溃决,将引发新集及下游崔家营等大坝群的连溃,严重威胁下游谷城、襄樊人员生命及财产安全。

河南滚河上的石漫滩土坝坝高25m,库容0.47亿m3,上游有袁门小型水库(库容小于1000万m3),下游有石岗水库,库容2700万m3,坝高15m。1975年8月7日上游袁门水库溃决,入石漫滩水库洪水约1000万m3,石漫滩大坝安然。8日0：30降雨442.4mm,石漫滩入库流量6180m3/s,大坝溃决,溃坝流量30000m3/s,洪量1.69m亿m3,直接导致下游石岗土坝溃决。河南汝河板桥水库库容4.92亿m3,1975年8月8日降雨1028.5mm,8日1：30入库流量13000m3/s,土坝溃坝,垮坝流量78100m3/s,溃坝洪量7.1亿m3,直冲下游宿雁湖水库(当时亚洲第一大平原水库,拦河土坝坝长35.29km,坝高58m,库容12.61亿m3)。由于宿雁湖水库调蓄能力较大,溃坝洪水大部存于库内,当时宿雁湖大坝并未溃决。8月14日为排走上游洪水,缓解上游水淹程度,炸坝。

从上述案例可见：

(1)梯级大坝群的连溃,主要取决于梯级水库间防洪标准是否协调、流域是否发生超标洪水或巨大滑坡涌浪、大坝是否存在溃坝的潜在危险源、下游水库是否有足够大的调洪库容容纳溃坝洪量、梯级水库间的正确防洪调度等。

(2)上级水库大坝溃坝后是否发生梯级大坝连溃事件,主要取决于洪量。当下游水库当时库水位较低,具有足够库容及泄洪能力,能够容纳上游溃坝洪量加区间来水时,即使上游板桥大坝溃决,洪峰流量高达78100m3/s,溃坝洪量7.1亿m3,但下游宿雁湖大坝(库容12.61亿m3)并未溃决(后炸坝)。

(3)即使上游大坝连溃,若下游人口不密集且无重要设施,也不会造成重大灾害。如我国梅花拱坝溃决,因坝址临近海边,溃坝洪水直接泄入海中,也未造成重大损失。又如巴西大肯哈大坝溃坝,引起下游奥立雄腊大坝连溃,但无一人死亡,也未造成重大灾害,仅4000户房屋被淹。

(4)为防范梯级水库大坝连溃,除确保梯级中每一座大坝安全外,关键在于建立完善的梯级水库防洪管理机构,统一防洪调度,并编制预警及应急预案,做好防控与监控。

1.2.7　水文数据不确定性所带来的风险的防控

总结上述事件,为了防范因水文数据的不确定性而带来的风险,应注意：

(1)提高水文风险意识。承认水文是一个复杂的问题,具有不确定性。目前把水文参数作为一个随机的独立变量采用概率统计法进行水文计算,是一个统计概率的办法。该方法虽是科学的,但本身具有一定的局限性,由此可能带来一定的风险。

(2)由于近年来气候异常,特大暴雨频发,超标洪水屡见,应关注特大暴雨所带来的滑坡、泥石流等次生灾害,按规定相应延长水文系列,复核水文计算成果。

(3)历史洪水对小概率洪水计算成果的影响非常敏感,宜慎重地对待历史洪水调查工作。

(4)加强水文及气象监测,加强水情测报,建立梯级统一防洪调度系统,统一防洪、排沙、发电、供水等调度。

(5)协调梯级水库间及与地方防洪工程间的防洪标准,严格工程设计,确保足够的泄流能力,提升工程质量,加强安全监测,定期进行安全检查,消除工程安全隐患。

(6)确定防洪监控指标：死库容、汛限水位、警戒水位、设计洪水位、校核洪水位、防洪水位、保坝水位等,加强水位监测。

(7)编制防洪应急预案：预备独立的专用应急电源,确保闸门开启泄洪；严格控制汛限水位,保证应急能力；危急时应炸开备用泄洪设施,加大泄水能力；保坝、抢险,并立即疏散可能受到危害的人员。

(8)评估溃坝及梯级大坝群连溃风险。《水电工程安全验收评价报告编制规程》(NB/T35014—2013)规定：在安全验收评价阶段,安全验收评价单位应根据工程具体地质条件、坝型、库容、施工质量、运行现状及监测资料等,分析溃坝的可能性；对存在溃坝可能,且位于人口密集区上游的大坝,建议业主进行溃坝洪水计算,预测影响范围和程度,编制应急预案。

1)梯级大坝群连溃,必须是在上游有溃坝潜在危险源时才能发生；这个危险源包括超标洪水、强震、滑坡涌浪及坝体严重缺陷等。实践证明,混凝土拱坝和重力坝的超载能力大于土石坝,心墙堆石坝的抗风险能力大于面板坝。宜分析是否存在潜在危险源,区别不同坝型的抗风险能力,进行相应溃坝计算。

2)溃坝计算意在防范溃坝所带来的重大灾害。对于存在溃坝可能,且位于人口密集区上游,溃坝将带来重大灾害的大坝,宜进行溃坝计算。

3)溃坝计算需要较大范围较详细的地形图、较为详细的径流计算参数,还需要做某些计算假定,目前溃坝计算建立的不同坝型的溃坝模型,尚难于真正满足工程需要。根据2008年汶川地震中唐家山堰塞体的溃坝计算成果,下游疏散了27万人,实际溃坝洪峰流量仅6500m3/s,甚小,造成不必要的浪费,其教训应该吸取,慎重看待并妥善处理溃坝计算结果。

1.3　震害风险与风险防控

1.3.1　构造地震与大坝损毁风险

我国位于欧亚板块与太平洋板块、印度洋板块与欧亚板块接触带之间,是几条大构造带的复合地区,其中环太平洋地震带、印度洋板块与欧亚板块接触地震带,以及北起六盘山南至横断山的南北地震带,是发震频率较高的构造地震地带。

20世纪以来,我国已经历了4个地震活动周期,1986年以来进入第5个地震高潮期,我国台湾和西部地区地震次数和震级明显较高。

我国是世界上著名的多地震国家之一。据陈厚群院士统计,自20世纪初至1996年,我国共发生3000多次震级大于5级的破坏性地震。其中,震级大于6级的792次,震级大于7级的117次,震级大于8级的9次；我国大陆平均每年发生大于5级的地震20.8次,大于6级的地震4.5次,大于7级的地震0.7次。

我国地震分布具有明显的广泛性。据历史记载,我国各省都曾发生过破坏性地震,其中18个省市曾发生过7级以上强震,10个省市曾发生过8级以上强震。

我国的构造地震多为浅源地震,分布广,震级和发震次数均较高。

1.3.1.1　1976年唐山地震

1976年7月28日3时42分,东经118.1°,北纬39.6°,河北唐山市丰南发生7.8级地震,Ts＝114s,顿时唐山市夷成废墟,震区及其周围地区出现大量地裂带、喷水冒沙、井喷、重力崩塌、滚石、边坡崩塌、地基沉陷、洞穴塌陷、采空区坍塌,地震破坏范围超过3万km2,共死亡242769人,伤435556人。这次地震中,共有3座大型水库、2座中型水库的大坝滑塌开裂,防浪墙倒塌,有240座小型水库震坏(无溃坝)。其中,密云水库库容43.75亿m3,白河主坝及8座副坝均为土坝,最大坝高66.4m,坝顶长4559.5m,地震设防烈度8度,地震时场地烈度Ⅵ度,实测坝脚处a＝0.054g,地震持续时间114s,地震时水库水位138.4m,低于正常高水位(157.5m)19.1m,高于死水位12.4m；地震时白河主坝的壤土斜墙上游侧砂砾石保护层液化,发生大面积滑坡,滑坡面积6万m2,塌方15万m3,下滑200～230m,震后经1976年和1997年两次加固,大坝安全运行。陡河水库库容3.39亿m3,均质土坝最大坝高22m,坝长1700m,地震设防烈度8度,唐山地震时场地烈度Ⅸ度,土坝虽未溃决,但坝顶下沉1.64m,上下游坝坡共发生95条裂缝,裂缝密集,将大坝切割成数块,坝脚大面积喷沙,下游坝坡滑塌等。

1.3.1.2　2008年汶川地震

1.汶川地震特点

2008年5月12日14时28分04秒四川省汶川县映秀镇发生8.0级地震,震中烈度Ⅺ度(图3.1-3)。据国务院抗震救灾指挥部9月9日公告：汶川地震受灾面积10万km2,死亡69226人,受伤374643人,失踪17921人,疏散1486407人,直接经济损失8451亿元,其中受损供水管线48275.5km,震毁水厂8426座,倒塌房屋21.6万间(其中校舍倒塌6898间),共发生次生灾害12536处,其中山体崩塌3618处,滑坡5899处,泥石流1054处,其他地质灾害1964处,形成堰塞湖35处(其中自溃3处,自然漫流5处,人工泄流4处)。

相对于唐山地震,这次地震有下述特点：

(1)唐山地震前已有较明显征兆,地震人员曾赴北京汇报,但因种种考虑,上级机关未发出相应预报。汶川地震前无明显征兆,虽然龙门山断裂带曾于1933年8月25日发生过7.5级叠溪地震,1976年8月16日发生7.2级松潘-平武地震,但地震部门认为：龙门山中部及前山断裂(映秀-北川、灌县-江油断裂)岩体聚能条件差,应变量不大,不大可能发生8级强震,因而本区的地震场地基本烈度为Ⅶ度左右。

(2)汶川地震是龙门山的前山映秀-北川断裂逆冲右旋走滑运动,主震的持续时间80～90s,为一次低速率、长周期的新类型地震。发震后,地壳破裂先向南发展,后向东北以3m/s速度沿断裂带传播,在地壳深部岩石中形成长300km,深30km的大断裂,其中200km出露地表,形成长形地壳破裂带和极震带,该破裂带垂直错距5m,水平错距4.8m,凡在此破裂带附近的建筑物和基础设施无一幸免,并形成山崩、滑坡、泥石流等次生灾害。映秀镇及北川震中烈度均为Ⅺ度,烈度图呈长方形NE向展布,地震破坏区10万km2,大于唐山地震3万km2。

(3)本次地震发生在新构造运动较为发育的西部深山狭谷地区,该地区岩体卸荷、风化深度较大,岩体较为破碎,地震后滑坡泥石流堰塞湖一并发生,滚石破坏严重,砸断桥梁,破坏公路,中断通信,水淹厂房,次生灾害严重,严重影响到抢险救灾工作进行。

(4)地震区人口稀少,工业欠发达,地震发生在中午14时左右,相应伤亡人员及财产损失小于唐山地震,但本次地震中疏散148.6万人,其中为防范唐家山堰塞体溃决,疏散27万人,影响大。

2.水利水电工程震害

汶川震区共有已建水电项目125项,在建水电项目115项,前期工作项目30项。其中岷江干流已建项目有：天龙湖、金龙滩、吉渔、铜钟、姜射坝、福堂、太平驿、映秀湾、紫坪铺(属水利口)；支流黑水河上有：二道桥、竹格多；杂谷脑河上有：红叶二级、理县、甘堡、薛城、桑坪；草坡河上有：沙牌、草坡；渔子溪河上有：耿达、渔子溪,总计20座大中型水电站,总装机约300万kW。上述水电站中,除宝珠寺、紫坪铺、沙牌外,其余多为闸坝引水式电站。

震区有2000多座水利工程,其中仅四川省就有1803座水库,受损水库1054座,高危水库310座,有溃坝危险的水库69座。百米以上大坝有紫坪铺面板堆石坝(156m)、碧口心墙坝(121m)、武都碾压混凝土重力坝(121.3m)、双牌碾压混凝土拱坝(132m),均经受了强震考验。

这次震害表现为：

(1)已建水电站的实际地震烈度大多高于原场地地震基本烈度(表3.1-2)。

(2)本次地震发生在5月,正逢用水高峰期,除沙牌拱坝外,相当多的水利工程处于低水位运行期,再加上汶川地震波的主方向为NE向,与一些大坝轴线方向相近,一些工程实际地震烈度虽较高,但受两岸山体作用,大坝顺水流向控制断面所经受的地震考验可能低于设防烈度。

(3)水利与水电系统的挡水建筑物虽有不同程度变形、裂缝,但无一溃坝。相对比较,呈现如下特点：

1)混凝土坝抗震能力强于土石坝。绵阳市武都镇武都水库碾压混凝土重力坝,坝高120m,坝长631m,灰岩坝基,库容5.7亿m3,主要工程任务为灌溉,设计烈度Ⅶ度。该工程2005年11月2日开工,计划2008年竣工,地震时处于较危险的未蓄水阶段。本次地震实际地震烈度Ⅸ度。震后检查,仅水库下游渠道损坏严重,除上游围堰、下游围堰右端头、左右岸混凝土护坡有些破损外,大坝未见震损。

宝珠寺折线式混凝土重力坝,坝高132m,坝长524.48m,坝基地质条件复杂,千枚岩坝基,软弱夹层发育,原场地地震基本烈度Ⅵ度,设防烈度7度。本次地震中实际烈度Ⅷ度。震后检查,枢纽区左岸缆机平台3#、4#桥台边坡局部小量坍塌；右岸坝后原回填石渣公路路面局部开裂,左岸坝后边坡局部喷层裂开；但近坝库岸未见异常现象,坝体未发现明显震害。

沙牌碾压混凝土双曲薄拱坝,坝高132m,坝长238m,厚高比0.211,场地地震基本烈度Ⅶ度。本次地震中实际烈度Ⅷ度,地震时水库水位接近正常高水位(图3.1-4)。震后检查,坝区及近坝库岸均未见有规模的滑塌体,仅见局部表层破碎岩体和覆盖层塌滑现象；左岸抗力体边坡局部垮塌；左岸上坝隧洞出口段内侧山体局部塌方；调压井边坡垮塌；2#泄洪洞出口边坡局部发生小规模塌方；厂房两侧自然边坡垮塌约10000m3,下游滑坡体堵江后,水淹厂房,发电机层及其以下设备被水淹没,水淹开关站(图3.1-5)；崩塌、滚石对厂房及设备造成破坏,屋面损坏,桥机被巨石砸断,压力钢管伸缩节破裂；坝顶电梯井的控制楼墙面有竖向和横向裂缝,拱坝右侧横缝上部有张开迹象,但坝体和坝基完好,未见异常。

甘肃省文县碧口心墙土石坝,坝高101.8m,坝长297.4m,库容5.21亿m3,坝轴线近NW50°,装机30万kW。该大坝建筑在厚25～34m的砂卵石覆盖层上,千枚岩坝基质量较差,再加上建设期(1969—1978年)正逢“文化大革命”时期,施工质量存在一些问题,经加固,已经受1976年8月6日四川平武-松潘Ⅵ度地震考验,工程运行正常。本次地震中实际地震烈度Ⅸ度,震后检查发现25个问题。其中主要为坝体变形,即坝体下沉24cm,向上游水平变位19cm,向下游水平变位28.21cm；渗流状态与震前水平相当；枢纽区边坡只有零星滚石、掉块和拉裂现象；左岸泄洪洞口原塌方体上方的地表有局部变形现象；左岸下凹弯段滑坡体有剪出滑动迹象；坝址左岸梁脊顶部存在危岩体和松动岩块；近坝库岸的河口和孟家干沟坍塌体及青崖岭滑坡体,震后均无异常现象；坝基和坝体未见明显破坏。

紫坪铺混凝土面板堆石坝,坝高156m,坝长663.77m,库容11.12亿m3。紫坪铺水库位于龙门山构造带的中南段,水库回水长度26.54km,库区内NE走向倾向NW的北川-映秀断裂和安县-灌县断裂分别在距坝址8km和5km处穿过水库。这两条断裂为区域性活动断裂,在距地表11km深处归并于水平滑脱断裂,并与龙门山后缘断裂(平武-茂汶断裂)相交,转化为深层次断裂。库区和枢纽区留下大量废弃釆煤巷道,有些巷道已有300多年历史,其中枢纽区共发现126条巷道。

勘测设计阶段,地震部门认为：龙门山断裂带以韧性变形为特征,无强烈地震反映,上述深断裂不会发生大地震,未来100年内紫坪铺附近可能发生6.0～6.5级地震,坝址区场地基本地震烈度为Ⅶ度,a＝0.1g,Ts＝0.4s。紫坪铺水库蓄水后,北川-映秀断裂、安县-灌县断裂可能发生水库触发型构造地震,最大震级4～5.5级,地震烈度不超过Ⅶ度。考虑到紫坪铺混凝土面板坝坝高156m,下游为成都平原,设防烈度8度,按a＝0.265g设计。

2004年底水库下闸蓄水前的围堰挡水期内,紫坪铺上游寿溪河附近就发生过3.1级和4.0级两次地震,后者震中恰在水库范围内。

此次地震震中距坝址8km,震源深10km,实际地震烈度Ⅸ～Ⅹ度。当时水库水位为830m,略高于死水位,最大水深约100m,水库仅蓄水3亿m3,占总库容的27%。地震时地壳表面主形变方向为NE向,形变量200～300cm,地壳表面主形变方向与坝轴线方向近乎平行,而顺河流方向的形变仅70～120cm,即大坝的设计控制剖面(横剖面)并未真正经受Ⅹ度地震的考验。

震后检查,发现：①面板坝下游干砌石边坡隆起、松动、变形；②大坝整体沉降变形,坝体最大沉降81cm,坝顶起伏不平,出现较多裂缝,裂缝宽10～20cm,坝顶与面板接头处开裂,裂口宽拳头大小,右坝头坝顶下沉20cm左右,形成明显错台；③坝顶栏杆垮塌,防浪墙的部分接头部位起拱,部分石块滚落到坝后地面厂房、开关站和泄水建筑物上；④部分周边缝和止水错动、破坏；⑤Ⅱ、Ⅲ期混凝土接缝处(高程845m)面板折断,缝口上下两边错开17cm(图3.1-6),中下部至水面以下40m范围内的混凝土面板挤压破坏,面板拱起,钢筋弯曲,垂直缝挤压破坏(图3.1-7)；⑥两条泄洪洞及冲砂放空洞结构受到不同程度破坏(顺轴线方向破损较为严重),2台3600N卷扬机损坏,泄洪洞液压启闭机控制系统受损,闸门受损,无法开启；⑦主副厂房及其他地面建筑物沉陷、开裂,损坏较为严重；⑧大坝内部观测仪器、强震仪和地震台网等损毁；⑨发电厂房内工业电视系统、中央空调系统、火灾报警系统、桥机控制系统、监控系统、接地系统等受损,停止发电；⑩高压空气开关震坏,避雷器倒塌,主变压器发生较大相对变位；进场公路大桥的中部有六跨桥面板及上部结构震倒,坍落于水中；库区六处滑坡,泄洪洞出口两处滑坡,左坝肩(马鞍山)的山体开裂,缝长100m,宽10～30cm,可能形成崩塌性滑坡；约200万m3树枝、杂木、建筑材料、生活垃圾顺江进入水库,封闭1500m2水面。

2)闸坝具有较高抗震性能。岷江干流上除紫坪铺外,大多数水电站为闸坝式引水式电站,设防烈度大多为7～8度,本次实际地震烈度为Ⅷ～Ⅹ度,有些闸坝上游水库被滑坡体侵占掩埋,库水漫坝,漫坝水深达20m,但坝体结构完好。如太平驿水库被滑坡体淹没1/3库容,右岸挡水坝段被滑坡体掩埋,洪水漫顶,5#泄洪闸门被洪水冲走,支铰牛腿损坏,左右活塞杆严重变形,左岸上坝公路混凝土路面被溢流洪水淘刷成长30m、深6m深坑,枢纽区两岸边坡表层滚石、崩塌严重,两岸接头坝段被掩埋,右坝肩成了滚石堆,尾水出口被崩塌物堵塞,飞石对首部、取水口、尾水闸门等部分设备造成破坏,但坝基、坝体结构完好(图3.1-8)。

3)地下结构震害轻于地面建筑物。天龙湖电站利用叠溪地震中所形成的滑坡体挡水,引水发电,原场地地震基本烈度Ⅸ度,本次实际地震烈度Ⅷ度,地震中进厂交通洞被后坡滚石及崩塌体砸坏,左侧团结村滑坡体不稳定,有加速向库内滑动的趋势,但引水隧洞及地下厂房内喷锚支护完好(图3.1-9)。

耿达水电站闸坝挡水,窑洞式发电厂房发电,场地地震烈度Ⅶ度,本次地震烈度Ⅹ度。震后闸墩之间发生12cm水平错位,窑洞式厂房的地表部分被滑坡体掩埋,地下部分完好(图3.1-10),地震时部分员工跑出厂房,被滑坡及巨石砸中,但躲在厂房内的职工幸免于难。

地表建筑物破坏严重,如渔子溪的开关站被砸毁(图3.1-11),映秀湾的进水口被边坡落石砸坏(图3.1-12)。部分地面厂房沉降、开裂、漏水,桥机轨道变形。

大多数变电站、出线场及其电气设备受损严重,部分送出线路的铁塔倒塌,电站全部停机。

4)加固后的人工边坡稳定性强于自然边坡,自然边坡的失稳及滚石问题突出。震后调查结果显示,经加固后的人工开挖边坡的稳定性强于自然边坡,自然边坡失稳突出,部分进出口边坡、地面厂房边缘边坡失稳。如吉渔电站厂房后坡滑坡、进口边坡垮塌；姜射坝厂房后缘边坡持续严重垮塌；耿达厂房下游侧山坡滑坡,掩埋窑洞厂房的地面建筑物。边坡失稳造成巨大滚石下落,砸死砸伤人员,砸毁建筑物及设备,损失惨重。

5)简支结构的震害严重。震区大部分地表建筑物为简支混凝土或砖混结构,它们大多在地震中倒塌。紫坪铺进厂公路桥为简支钢筋混凝土结构,地震中中部有六跨桥面板塌落(图3.1-13)；渔子溪闸门铰接于牛脚上,在往返地震力和动水荷载的共同作用下,五扇泄洪闸门支臂全部被震断,闸门被冲向下游,但启闭机房的横梁与闸墩为整体浇筑结构,震后结构完好。

6)水淹厂房,损失严重。地震中产生大量滑坡,滑坡体封堵江河,形成堰塞湖,映秀湾、桑坪、太平驿、渔子溪等地下厂房被淹,其中渔子溪厂房多次水淹；沙牌引水明管爆裂,草坡引水明管被震坏,开关站和地面厂房被水冲毁。

7)部分电站泄水设施及进水口损害严重。渔子溪弧形闸门的支臂结构震坏；太平驿闸门油压设备震坏；映秀湾闸门只能局部开启；紫坪铺、沙牌启闭机构架变形破坏；一些电站门槽变形或失去动力,造成一定险情。太平驿、映秀湾、福堂、沙牌等电站进水口启闭设备和排架结构受损,无法立即关闭进水闸门。

8)监测设备受损严重。天龙湖、金龙潭、渔子溪、耿达等电站监测设备受损严重。

9)通信、交通中断。震区交通、通信几乎全部中断,给抢险救灾带来巨大困难。

1.3.2　水库触发地震

据不完全统计,我国已发生的水库触发地震有：辽宁的参窝,青海的龙羊峡、盛家峡,湖北的隔河岩、邓家桥,安徽的佛子岭,浙江的乌溪江,福建的水口,湖南的柘林、黄石、南充,广东的东江、南水、新丰江,广西的盐滩,云南的鲁布革,贵州的乌江渡、天生桥一级,四川的铜街子、新店等水电站。其中部分岩溶地区的水库触发地震既是触发构造型地震,也是触发岩溶型地震。

水库触发地震多发生于水库刚蓄水后的一段时间内,与库水位变化有关。除新丰江触发地震烈度(Ⅷ度)高于场地烈度外,大部分水库触发地震烈度低于场地烈度。水库触发地震能量小,但震源浅、频次高、距水利水电工程近,同样震级的水库触发地震,烈度可能高于同级构造地震,引起较大破坏。如小浪底原场地地震基本烈度为Ⅶ度,设防烈度8度,a＝0.215g,水库触发地震震级6级,但a＝0.313g,Ts＝12s。

水库触发构造型地震,既可发生于如龙羊峡、新丰江等花岗岩脆性岩石库盆中,也可发生在如鲁布革等沉积岩库盆中；既可发生于地质构造背景较为复杂、场地地震烈度较高的库坝区(如龙羊峡),也可发生在地质构造背景较为简单、场地地震烈度较低的库坝区(如新丰江)。

我国分布有广阔碳酸盐岩,且多集中于西南地区。岩溶地区易产生岩溶型水库触发地震。岩溶型水库触发地震震源浅,范围相对集中,应予以重视。

新丰江水库位于广东省河源县东江支流新丰江上,工程以发电为主,坝后式厂房,装机29.25万kW,混凝土大头坝由19个支墩及面板组成,坝高105m,库容115亿m3,坝基为燕山三期花岗岩,地质条件较好。水库修建前,该地区无破坏性地震记录,场地地震烈度Ⅵ度,按规范规定,未提出地震设防要求。工程1958年7月开工,1960年第一台机组发电,1962年基本建成。

在围堰拦水期间,1959年库区即发生微震。随着水位升高,地震活动剧增,震中大部分集中在近坝区和坝址上游西北向深谷中(图3.1-14)。随即设观测台监测,自1958年12月至1961年7月共取得33000个地震纪录,其中1960年5—7月就连续发生3.1级和4.3级地震。

1962年3月19日库区发生6.2级主震。在这次地震中,由于坝体上部动力放大效应及高阶振型影响,坝体右岸108m高程处(距坝顶16m)发现延伸82m长水平裂缝,左岸大致相同高程也有较小不连续裂缝,电站受损停电,1800间房屋倒塌,6人死亡,80人受伤。这次地震也成为世界上4个6级以上水库地震之一。

地震后,1961年3月至1962年5月进行第一次加固；1962年11月至1965年,按Ⅷ度抗震要求,第二次进行全面加固,回填支墩间空间,增加大坝抗震刚度,同时增设一条直径10m的泄水隧洞。

新丰江水库诱发地震证明：①新丰江地区原无破坏性构造地震记录,1962年3月19日6.2级水库触发地震的震级和烈度均高于历史记录,也高于原先确定的场地烈度；②水库触发地震均发生于近坝库岸,与隐伏活动断裂分布有关；③水库触发地震的振次及所释放的能量与库水位密切相关；④强烈的水库触发地震也能给工程和人民生命财产造成重大损失。

1.3.3　地震次生灾害

地震除对水利水电工程造成直接损害外,还可以造成次生灾害。据统计,我国从14世纪以来的700多年内发生7级以上大地震135次,其中就有58次导致水利工程不同程度的次生灾害,占比38%。地震次生灾害主要表现为滑坡涌浪、河道堵塞及其后溃决、河堤决口等。如1556年陕西华县8级地震及1668年山东郯城8.5级地震,导致黄河在山西、河南、山东的堤岸崩毁,酿成水灾。又如1786年四川康定7.5级地震,大渡河堵塞,10天后,壅体溃决,洪水直泄宜昌,死亡不少于10万人,等等。值得注意的是：地震引起的次生灾害往往是突发性的,破坏面积大,损失严重,其损失往往超过地震本身直接造成的损失。因此,地震中我们既要注意地震对水利水电工程造成的直接灾害,还要关注并减少地震的次生灾害。

汶川地震与唐山地震两次地震的重要区别是地震次生灾害严重程度不一样。汶川地震中,由于山体滑坡、泥石流、滚石,除堵塞交通、砸毁房屋及基础设施外,还形成35处堰塞湖,其中最大的为唐家山堰塞湖。

唐家山堰塞湖堆石体长803.4m,宽611.8m,高82.8m,堆石体2037万m3,形成库容2.2亿m3湖泊(图3.1-15)。自堰塞湖形成至排除险情,共持续31天,通过人工挖渠,最大泄水流量6500m3/s,化解了溃坝危险。唐家山堰塞湖处理中,共调动武警官兵1021人,调用大型施工设备26辆,直升飞机740架次,疏散人口27万。

1.3.4　活动性断裂错断坝基

传统的水利水电工程设计要求：坝址应避开活动性断裂及其分支断裂。但如何避开?保持多少距离?均无经验。即使避开了活动断裂,在强烈地震时,活动断裂也可能复活,甚至错断大坝,仍存在溃坝风险。

台湾石岗水利枢纽坝址距车笼埔活动断裂3km,已避开了活动性断裂,但1999年9月21日台湾南投县发生7.3级地震,车笼埔断层破裂总长100km,产生8条次生断裂,其中一条断层错断重力坝,大坝溃决(图3.1-16)。

1.3.5　地震灾害的防控

从上述构造地震、水库地震、地震次生灾害及活动断裂复活的案例中可以看到：

(1)随着我国水利水电建设向西部发展,我们将越来越多地遇到复杂的构造地质及强震频发的问题。地震是影响我国水利水电工程安全的重要潜在危险因素之一。

(2)目前地震预测预报水平距工程建设要求尚存在一定差距。1933年8月25日龙门山断裂带北部四川茂县叠溪发生7.5级地震,震中烈度Ⅹ度。当时预测未来100年内龙门山断裂带不会发生强烈地震,所以紫坪铺原场地地震基本烈度为Ⅶ度,156m高紫坪铺面板堆石坝按Ⅷ度设防。叠溪地震75年后,2008年5月12日龙门山断裂带中部汶川发生8级地震,紫坪铺场地地震烈度Ⅹ度。当时预测在未来3000年内龙门山断裂不会发生强震。时隔5年,2013年4月2日龙门山断裂南部雅安市芦山县发生7.0级地震。

上述事实说明：当前地震预测预报水平距工程建设要求尚存在一定差距,即使按规定的场地地震烈度设计,仍可能存在一定风险。

(3)地震次生灾害可能大于地震直接震害。汶川地震震害证明：由于我国西部地区地质构造背景复杂,强震频发,岩石风化及卸荷严重,岩体破碎,遭遇到强震及暴雨后,滑坡、泥石流频发,堰塞湖溃决,高耸落石,水库淤积、水淹厂房、电源中断,公路桥梁断裂,交通和通信中断,抢险受阻,致使地震的次生灾害可能大于地震直接灾害。

(4)抗震计算水平不能满足结构抗震要求。当今我国水工结构抗震计算技术发展迅速,但正如陈厚群院士所指出的,目前结构抗震存在“两头小中间大”的现象,即结构体系地震动力响应计算发展迅速,但地震动输入(地基动力特性及输入方式)和材料地震抗力(地震工况下允许强度)发展缓慢。

地震动输入和材料地震抗力是一个复杂的问题。在抽水蓄能电站抗震计算中,我们把高差600～700m的上下两库的地震动参数视为相等,可能与实际不符；糯扎渡心墙坝抗震计算中采用场地波与规范波计算的坝顶放大系数分别为4.06和1.53,心墙最大动剪应力0.322MPa和0.17MPa,坝体最大垂直变形分别为3.229m和1.695m,两者相差甚大；董箐面板坝实测地震动反应与计算值相差较大；我们的抗震计算均以一次强震为计算荷载,未考虑强震频发,如主—主型地震及频发余震的累进破坏……这些均说明当今我们的结构抗震研究尚有一定提升空间,因而当前地震计算大多数仅能起参考作用,结构抗震中更应重视抗震措施的落实。

(5)地震是人们尚无法预测预报无法抗拒的巨大自然灾害,对大坝安全及人身安全构成重大威胁,但地震毕竟是小概率事件,虽然我们相比智利、日本等国的抗震水平尚有一定差距,但我们在Ⅸ度和Ⅹ度地震地区已建设了一些高坝大库,这些工程已经经受了Ⅸ度和Ⅹ度地震的考验,地震已不再是水利水电工程建设的制约因素,只要按照规范做好结构抗震计算,做好相应抗震构造措施,做好地震应急预案及监控工作,震害可以减轻,水利水电工程可以做到大震不倒、中震可修、小震不坏。

为了减少地震灾害宜采取下列措施：

(1)积极开展抗震教育,提高全民抗震、防震、避震意识。

(2)避开9级以上强震区、避开活动性断裂、避开严重不良地质条件地区建坝,优选抗震结构型式,严格按规范要求进行抗震结构设计,按照大震不倒、中震可修、小震不坏的原则,充分考虑地震累进破坏效应,做好地基抗震处理,搞好结构抗震构造措施,提高结构抗震能力。

(3)建立地震台网,开展梯级工程及工程区微震监测和地震动监测,提升地震预测预报水平。

(4)编制抗震应急预案,以自救为主,开展互救,以自主抗灾为主,搞好社会帮助。

1.4　边坡失稳风险与风险防控

边坡失稳,是指原处于静止或蠕变状态的岩体(或土体),因水环境或动力环境的变化,在非人为因素或人为因素作用下的突然失稳现象。它既可以是古滑坡复活,也可以是堆积体、变形体、不稳定体的失稳破坏,是水利水电工程中一个常见的工程地质现象。

按滑体物质的不同,滑坡可分为岩质滑坡和泥质滑坡。按滑坡位置,可分为库区滑坡和近坝库岸滑坡；按对工程的影响,近坝库岸滑坡又可分为上游近坝库岸滑坡、坝址处滑坡、下游近坝库岸滑坡等。上游近坝库岸滑坡可造成滑坡涌浪,直接威胁到工程安全,影响坝址和坝型选择。坝址处滑坡可分为人工开挖边坡滑塌和自然边坡滑塌。这种滑坡可直接导致施工期重大安全事故,也威胁运行期工程安全,其中施工期人工开挖边坡滑塌可能已成为威胁人身安全的重大隐患。下游近坝岸坡滑塌可堵江,造成水淹厂房或堵塞尾水,影响发电效益,甚至会引起下游断流。

自然滑坡多发生于沉积岩的顺层向岸坡,但也可发生于非沉积岩的不利结构面组合。人工开挖边坡的失稳滑塌往往与不当的施工方法有关。

1.4.1　漫湾左岸开挖边坡滑塌

漫湾水电站位于云南省澜沧江中游,工程任务为发电,电站建成后担负向云南和四川电网的供电任务。枢纽工程由混凝土重力坝、坝后厂房、厂房顶溢洪道、左岸泄洪洞及500kV和220kV开关站等建筑物组成(图3.1-17)。混凝土重力坝坝高132m,坝顶长418m,共分19个坝段。坝后式厂房装机125万kW,库容10.604亿m3。其中9～14#坝段设5个溢流表孔,自厂房顶部泄流,双层差动扩散挑流,水垫塘消能。15#坝段内设泄洪底孔,8#、14#坝段分别布置左右冲沙底孔。泄洪洞布置在左岸条形山脊内,全长413.98m。工程1985年5月开工,1993年3月下闸蓄水,1995年6月30日投产发电。漫湾坝址处河道呈反“S”形,河谷较狭窄,左岸为凸岸,三面临空,山体单薄,山脊走向NW40°,岩体风化及卸荷强烈。

漫湾坝基为三叠系流纹岩,断层裂隙发育。

(1)左岸厂房—水垫塘岸坡失稳。左岸坝肩及水垫塘边坡长315m,最大坡高220m,其中坝轴线附近左岸山体高出河水面137m,宽约280m,岸坡42°～45°。高程920m以下坝肩和水垫塘开挖边坡1:0.3,高程920m以上开挖边坡1:1。边坡岩体主要为强风化岩体,卸荷裂隙和节理发育,平均深5～35m。出露F346、F393、F61、F345、F336、F306、F370、F345、F326、F381等断层,其中大多与边坡夹角较小。NW15°～30°,SW,∠35°的顺坡结构面发育,贯通,形成似层状构造。上述断层及结构面共同构成不稳定体,再加上左岸山体三面临空,排泄条件较好,地下水位较低,1#、2#导流洞及泄洪洞三个洞室的开挖进一步降低地下水位,加快地下水渗流,恶化左岸边坡稳定条件。

1989年1月7日以前,左岸厂房及水垫塘开挖边坡从坡脚至坡顶高度已近百米,由于错误的开挖步骤,基坑的南侧及东侧较大范围内挖断了顺坡结构面,边坡岩体临空,上部缆机平台施工用水长期下渗,增加渗透压力,降低结构面抗剪强度,坡脚反复爆破降低岩体强度和完整性。1月7日下午4时许,坡脚连续开挖爆破,药量分别为2.8t和1.5t,爆破后1h,坡顶后缘裂缝宽度增加2cm,下午6时55分21秒发生滑坡。滑坡体上下游方向长70～80m,平均厚度10m,高112m(高程912～1024m),滑坡体方量10.6万m3。滑面由多个结构面组成,高程999m以上滑面主要沿F393发育,高程999m以下呈阶梯状和曲折状,上部陡下部缓,滑坡底滑面最远出露点为当时的开挖基坑,最深处低于基坑4m,进入弱风化岩体底部至微风化岩体。滑坡把已完工的13个深17～28.5m锚筋洞全部剪断,150根锚筋桩和锚杆全部破坏,并掩埋1#机组机坑及水垫塘。

(2)左岸三洞出口滑坡。左岸1#、2#导流洞及泄洪洞出口段边坡长200m,最大坡高227m,边坡岩体以全、强风化岩为主,岩体破碎,风化深,出露F306、F377、F325、F322、F378等5条断层,小断层与节理发育,并有次生泥土充填。由于三洞出口明槽开挖,地形复杂,最陡开挖边坡1:0.1,甚至直立,大量顺坡结构面被切脚,在坡面上出露。

自1986年开工,高程982m以下边坡曾发生多起滑坡,每次塌滑体厚度3～5m,总方量约1万m3。1989年7月,左坝肩的岩体滑塌。同年9月19日,三洞出口高程992m以上坡残积物及全风化岩体发生弧形滑坡,滑坡高度110m,方量约5万m3。

(3)边坡处理。两次大规模滑坡后,采取如下处理措施：①削坡减载,挖除坡积层和全风化的松散岩体,减少滑坡体上部荷载；②顺坡结构面设置锚固洞、抗滑桩、预应力锚索；③加强边坡表面和内部排水,表面挂网喷混凝土护面,减少雨水和地下水的不利影响；④加强监测,增设滑坡体表面变形、岩土内部变形和地下水位监测设备；⑤取消1#机组,后改为地下厂房。

(4)处理效果。1993年8月,水库蓄水后5个月的监测资料表明,边坡在加固过程有局部松弛和蠕变现象,加固后处于稳定状态,但还需对雾化、地震、库水位骤降等情况下的边坡稳定加强监测。

从漫湾的人工开挖高边坡失稳实例可知：即使在非层状岩体中,坝址坝轴线选择也宜控制人工开挖边坡高度及坡度。当无法避免开挖高边坡时,宜重视高边坡地质勘探和边坡稳定分析工作,按结构面组合关系及岩体自身稳定条件合理确定开挖边坡系数和开挖顺序,自上而下开挖,杜绝切脚开挖；控制爆破药量,减少爆破震动,先锚后挖或及时锚固；加强地表和地下排水,加强滑坡体变形监测,控制岩体变形速率；编制滑坡抢险预案,及时报警并启动预警系统,及时处理,防止重大人身伤亡和工程损失。

1.4.2　滑坡风险的防控

(1)自然边坡稳定监控。滑坡是水利水电工程常遇的工程地质问题。在我国许多工程中,如龙羊峡、李家峡、小浪底、大朝山等工程的建设期和运行期均遇到库岸滑坡问题。其中,大朝山库区滑坡有20多个；小浪底的库岸发育着40个规模不等的滑坡和8个较大的崩塌体、危岩体,其中大于100万m3的滑坡16个。自然边坡稳定监控宜采取下述措施：

1)为预防或减轻滑坡的破坏作用,首先应加强对可能滑塌体的勘测工作,查清结构面组合,找出后缘方位,查清滑带的位置、性质及力学参数,分析滑坡方量、滑动方向及滑动速度,预测不同部位滑坡体对工程安全的影响。

2)对于坝址附近的较大滑坡,原则上应在坝址选择时予以避开。对于坝址附近的小滑坡,可以如小浪底工程那样,微调坝轴线,结合坝基开挖,挖除坝肩滑坡体,在特殊条件下,也可如天龙湖电站那样,巧妙地利用滑坡体。

3)按规范要求,复核各工况下滑坡体的稳定性。

4)对于近坝区可能滑动的较大滑坡体,可采取削头、压脚、内外排水及加固等办法处理。其中内排水和外排水对改善滑带的水环境及其力学参数甚为重要。

5)采用控制库水位上升速度、有计划降低库水位、滑坡体后缘内灌水等措施,让滑坡体逐渐滑塌,缓解上游库岸滑坡威胁。

6)在关注有明显滑面存在的滑坡问题的同时,也宜关注如拉西瓦果卜岸坡坐落变形及其所带的危害。

(2)人工高边坡风险监控。坝肩、厂房、溢洪道、泄水建筑物、船闸及公路等开挖,往往有许多数百米高的又长又大的人工开挖边坡。由于改变了原先边坡和相应支撑条件,这些边坡岩体产生应力释放、卸荷回弹、构造面松弛、力学参数降低等现象,再加上水的渗流、爆破震动等影响,原先处于稳定状态、临界状态或蠕变状态的岩体,可能会沿其结构面、层面、裂隙面等软弱面滑动,构成了人工开挖高边坡稳定问题。

1985年天生桥二级水电站进水口明渠人工开挖边坡失稳,造成48人死亡。同时,也因边坡稳定问题,电站厂房几度搬迁。施工后山体仍在蠕动,最大每月下滑7mm。采取减载、排水、抗滑桩、系统锚杆、预应力锚索等措施后,才保证工程安全。

1987年清江隔河岩电站左岸导流洞出口人工开挖高边坡失稳,近20万m3岩体解体,边坡处理延误工期3个月,增加了许多如削坡和预应力锚索加固等工程量。

1992年二滩水电站2#尾水渠开挖时,由于开挖爆破及雨季渗水影响,边坡变形急剧增长,裂缝最宽达5～17mm,深1.5～2.0m,失稳岩体6.5万m3。为了不影响截流工期,经两个月预应力锚固和深孔排水处理,才保证安全施工。

除此之外,龙羊峡泄水消能区开挖高边坡、五强溪大坝左岸船闸附近开挖高边坡、李家峡左岸及泄水区开挖高边坡、小浪底进出水口开挖边坡、三峡左岸船闸附近开挖边坡、天生桥一级溢洪道开挖边坡、柴石滩溢洪道开挖边坡、龙滩左岸进水口开挖边坡、拉西瓦左坝肩开挖边坡、洪家渡左坝肩开挖边坡,以及紫坪铺右岸边坡塌方、昌马右岸边坡失稳等,均向我们展示了高边坡稳定问题的普遍性和严重性。实践证明：人工开挖边坡失稳是目前影响施工安全的重大工程问题之一,也是枢纽布置和相应安全评价中必须考虑的问题。

人工开挖边坡失稳不仅与岩体结构面与开挖面的不利组合、岩体自身稳定性有关,也与人工开挖方式、支护锚固时间、爆破量、降雨等影响有关。它既可表现为顺坡向的整体失稳,也可表现为破碎岩体的局部失稳。如处理不当,不仅会延误工期、改变枢纽布置方案、修改工程设计,还会造成生命财产的重大损失。因此,在设计与施工中必须慎之又慎。

1)在枢纽布置及方案比较中,将人工开挖边坡的稳定问题作为比选内容之一,充分考虑人工开挖高边坡的不利影响,优选枢纽布置方案。当枢纽布置方案确定后,加强人工开挖边坡勘探及计算分析,提出相应排水、削头、压脚、加固等处理措施,合理控制开挖坡度,不挖坡脚,控制爆破,先支护后开挖,根据地形及勘探资料合理确定清坡的范围,对影响工程安全的陡峻山坡适时支护,设立主动或被动防护网等设施,加强施工期开挖边坡变形监测,加强巡视,确保施工人员人身安全和机具设备安全。

2)运行期注意人工开挖边坡的稳定监测。藤子沟电站建成运行3年后,一场50年一遇的降雨致使左坝肩的开挖边坡滑塌,对拱坝安全构成一定威胁。为此,运行期也应对人工开挖边坡加强巡视或监测。

1.5　泥石流风险与风险防控

泥石流是因暴雨、暴雪或其他原因而引发的含固体量超过15%的水石流,是我国西南地区普遍的自然现象。泥石流具有突发、流量大、流速高、破坏性大的特点,常对工程区人身及建筑物安全构成重大威胁。泥石流发生需具备下述条件：纵坡很陡的沟谷、沟谷内大量松散堆积物、暴雨。常采取的工程措施是：沟内修筑拦砂坝,开凿引水隧洞,水石分离；非工程措施为：水土保持,降雨量及泥石流监测、预报等。

1.5.1　白鹤滩泥石流

白鹤滩水电站位于金沙江上,双曲薄拱坝坝高289m,左右岸地下厂房装机16000MW。

右岸电站进水口附近有大寨沟,流域面积28.73km2,主沟长度约11.2km。流域内海拔最高点高程3225m,最低点高程586m,相对高差为2639m。大寨沟流域面积较大、沟谷干流纵坡比降大、岸坡平均坡度陡,有较丰富的固体物源。大寨沟流域雨量丰富,且大雨—暴雨集中,具备发生泥石流的基本条件。大寨沟主沟50年一遇以下的泥石流均为稀性泥石流或洪流,而50年一遇以上的泥石流在中、下游区为黏性泥石流。泥石流的暴发频率约为30年一遇。泥石流类型为沟谷暴雨型低频率特大型黏性泥石流。百年一遇泥石流峰值流量为827m3/s,一次泥石流总量和固体物质含量分别为30万m3和16万m3。

为保证白鹤滩水电站的正常施工与运行,防范大寨沟泥石流对工程安全的影响,遵循以排导拦挡工程为主,辅以监测预警和后期维护的设计原则,经多方案分析比较,采用在沟口及梨园砂坝至铁业沟间布置10个梯级拦砂坝,并在沟口堆渣体上设排导明渠(槽)的措施进行治理,还对堆渣采用压坡加局部抗滑桩治理等。

工程2010年开始施工准备,水电四局承担导流洞及303交通洞施工任务,施工人员居住在大寨沟支沟对岸的矮子沟口晏子酒家三层楼房内。矮子沟长11km,平时为干沟,为计划的巨型堆渣场,堆积弃渣4100万m3。为保证渣场安全,计划开凿一隧洞将渣场汇集的洪水导走。2012年矮子沟的导洪隧洞尚未开工,沟内已堆放原民建弃渣和导流洞的弃渣。

2012年6月连日降雨。6月14日上游阿海电站工地发生泥石流,7人失踪,1人重伤。6月22日下游乌东德工地发生泥石流,1人死亡,2人失踪。6月27日20时至28日7时20分,白鹤滩工地降雨238.8mm,暴发黏性泥石流,含泥量约2～2.2t/m3。泥石流主要来源为矮子沟内原有松散堆积物,也与晏子酒店后上游侧的弃渣有关。当时,宁南县政府已发出泥石流警报,业主也发出8次泥石流警报,当地117户557名村民已撤离疏散,矮子沟上游导流洞工地工棚中的38人也被疏散,但居住在沟口晏子酒店三层楼内水电四局工人未接到警报,泥石流将晏子酒店完全淹埋,41人死亡或失踪。

1.5.2　泥石流风险的防控

(1)普及泥石流知识,提高防范泥石流风险的意识。

(2)加强泥石流勘察工作,掌握泥石流发生规律,查清泥石流方量,规划好撤离疏散方向和疏散地点；与地方结合,建立泥石流监测站,加强泥石流预测、预报,必要时及时撤离。

(3)避开在泥石流沟口布置工程生活区、临建区；统一规划弃碴场,保证在设计洪水时渣场的自身安全。

(4)修筑挡渣坝,适当导排洪水,使水石分离,做好工程区泥石流防治工作,尽量减少泥石流的危害。

1.6　岩溶风险与风险防控

岩溶风险主要指蓄水后岩溶渗漏、岩溶孔洞塌陷、岩溶承压水异常、岩溶浸没、岩溶内涝及岩溶性水库地震等。据1999年统计,已建的水库中约有51%的水库存在着岩溶问题,多集中于我国西南地区,但西北华北等地岩溶问题也较突出。

50多年来我们在岩溶地区勘测、设计和处理等方面取得不少成就,在岩溶地区成功地建成了乌江渡、大化、鲁布革、东风、隔河岩、天生桥、岩滩、龙滩等一大批工程,积累了丰富经验。但由于岩溶埋藏于岩体中,具有一定的不可预见性,目前的勘探手段尚难真正完全地查清,再加上时间、经费的限制,一些工程如水槽子、桃曲波、羊毛湾、拉浪、拔贡、大龙洞、肖家山、猫跳河二级、猫跳河四级、黄壁庄、江口、银盘等水库都曾出现过不同程度的岩溶性渗漏和岩溶塌陷问题,而岩溶性浸没及内涝、岩溶性水库地震等则更多见诸报端。

岩溶可带来建坝条件、坝址选择、水库渗漏、发电供水效益、坝基与大坝结构安全等问题,施工期也可带来较复杂的基坑排水和溶洞处理等问题。

1.6.1　桃曲波水库岩溶渗漏

桃曲波水库位于陕西省耀县沮水河上,均质土坝,坝高61m,库容4300万m3。水库功能为灌溉,1974年建成。

坝址位于奥陶系灰岩峡谷,灰岩质纯,厚800～1000m,岩溶发育,分布于坝址上游400m至下游2km范围内。库盆由石炭系—二叠系的砂岩和页岩互层组成,该岩体产状平缓,不整合于灰岩之上,厚7～10m。砂岩页岩中裂隙与灰岩中岩溶裂隙及溶洞有一定水力联系。

灰岩中岩溶往往沿裂隙面发育,地表及地下均有发现。在坝区0.5km2范围内,发现各种岩溶洞穴149个,最大洞径10m。灰岩含水层中地下水位低于河水位350m,为典型的悬托型河谷。

1974年3月9日水库蓄水,水位上升至高程747.76～747.85m时,发现水库渗漏,漏水量0.64m3/s,占来水量1.12m3/s的57.4%。1975年,渗漏更加严重,库水位每天下降1.0m以上,仅仅16天漏水3255万m3,平均渗漏流量为23.5m3/s。

据调查,渗漏原因如下：

(1)表层岩溶洞穴渗漏。

(2)库水通过煤窑直达下部灰岩溶洞。如1975年10月蓄水2070万m3,通过煤窑采煤巷道通向岩溶管道,漏水流量达27.8m3/s,致使库水漏光,水库干涸。

(3)库盆砂岩和页岩厚度太薄,起不到隔水作用,库水直接下渗约0.03m3/s。漏水后库盆塌陷,坡脚出现陷落坑,直径3～7m,最深达8m。

决定采用下述处理：

(1)坝前库盆铺砂砾石及水库淤积土,铺盖厚度按水头的1/10控制(不小于1.5m),长490m。1975年实测,因人工铺盖加天然淤积,渗漏量减少58%。

(2)岸坡修筑1:3黏土斜墙式铺盖。

(3)用混凝土封堵原导流洞附近岩溶裂隙。

(4)清除溶洞或窑洞填充物,用混凝土回填。

(5)用混凝土封住库底塌陷洞口。

(6)充分利用渭河平原河流的泥沙,形成天然铺盖。

水库建成几年后,死库容即已淤满,固结两年后整个库盆防渗性能有了改善,渗透系数K＝2.48×10-5～3.06×10-5。

经4年多处理及水库自然淤积,渗漏量为0.16m3/s。

1.6.2　黄壁庄水库副坝坝基岩溶塌陷

黄壁庄水库位于河北省鹿泉市黄壁庄镇滹沱河干流上,是海河水系子牙河上大(1)型水利枢纽,总库容12.1亿m3。该枢纽工程由主坝、副坝、重力坝、正常溢洪道、非常溢洪道、灵正渠涵管及电站等建筑物组成(图3.1-18)。主坝位于主河槽部位,副坝位于主坝南侧,与主坝间相隔马鞍山、重力坝段和正常溢洪道。电站装机1.66万kW。主坝为水中倒土均质坝,最大坝高30.7m,坝顶长1843m,坝顶高程128.7m。副坝0＋000～2＋841坝段高程124m以下为碾压坝,其余部分也是水中倒土均质坝,最大坝高19.2m,坝顶长6907.3m,坝顶高程129.2m。工程任务是：防洪,兼顾城市供水、灌溉、发电和养殖。

坝址区场地基本地震烈度Ⅵ度。副坝坝基覆盖层由第四系冲洪积物组成,厚32～49m。其中,上更新统冲积层由壤土、砂层、砂卵石层组成,砂层与砂卵石层间不满足层间过渡要求；中更新统冲洪积物为含碎石红黏土层,2＋940～3＋630段最厚25.5m,5＋800～6＋907.3段厚4～10m。基岩为震旦系和元古界滹沱群硅质灰岩、大理岩、千枚岩,大理岩岩溶发育。

该工程1958年开工,1959年拦洪蓄水。蓄水以来出现不少问题,主要是防洪标准偏低、副坝坝体裂缝、上游铺盖裂缝、坝基渗流等。多年来做过多次除险加固处理,但均治标未治本。1998年,为解决坝体和铺盖渗流破坏及坝体裂缝等问题,黄壁庄水库列为全国第一批除险加固水库,进行下述7项工作：①副坝坝顶至坝基组合垂直防渗；②新增五孔非常溢洪道；③重力坝加固改造；④正常溢洪道加固改造；⑤金属结构与电气设备更新改造；⑥水情测报系统改造；⑦增补观测项目。

1999年3月,黄壁庄除险加固工程开工。在混凝土防渗墙施工中,发生较大漏浆681次,漏浆量约4.9万m3,消耗黏土5800m3、碎石450m3、水泥230t。由于反复发生严重漏浆,1999年10月至2002年11月副坝防渗墙施工过程中,坝体与坝基诱发了7次大规模塌陷,7次塌陷均发生在大理岩混凝土防渗墙段,除第5次塌坑发生于2＋848～2＋861位置外,其余6次塌陷位置均在4＋026～4＋360约330m范围内重复发生,总计塌陷量8140m3以上。最大一次塌坑顺坝轴线长46.2m,垂直坝轴线方向53.5m,最深12.1m,塌陷量3900m3。塌坑呈漏斗状。除塌坑外,影响范国自内向外环形裂缝异常发育,在远离塌坑一定范围内,垂直坝轴线方向有较大的拉裂缝。从塌陷情况看：塌陷大多在突然漏浆后发生,塌陷处基岩严重漏水。塌陷后在基岩段补充勘探钻孔中常发生掉钻现象,并发现较大溶洞。

分析认为：黄壁庄副坝塌陷的原因是多方面的,其中坝基卵石层存在强渗漏带和基岩上部有溶隙、溶槽、溶洞等集中渗漏通道,防渗墙造孔施工中发生严重漏浆,致使砂层和坝体大量流失形成脱空,是连续几次产生重坍塌的主要原因。

3年半时间处理过程中,边处理边发生了7次塌坑。其中,第1次至第5次采用浅层灌浆试图封闭坝基卵石层存在的强渗漏带,结果均告失败。第6、第7次采用振冲碎石桩、充填灌浆桩加固坝基(深入基岩2～4.5m),用堵漏灌浆孔封住了基岩岩溶通道及其上各渗水层。其中堵漏灌浆孔深入基岩15～20m,灌浆压力0.5～1.0MPa,平均干料注入量474.4kg/m。7次处理共打桩1281个,累计桩长37994m,开挖松动坝体223541m3,回填坝体258319m3,砌石护坡14058m3,反滤料20730m3,土工膜1744m2,最终取得成功。

1.6.3　岩溶风险的防控

(1)收集区域岩溶资料。岩溶的发育与岩石的岩性、岩体结构、地质构造、水动力条件、气候、地形地貌等密切相关,勘探中首先应收集区域及库坝区地层、分布、地层年代、矿物组成、岩性、地下水埋深、分水岭、透水地层和相对隔水层分布等资料。实践证明：一般碳酸盐岩质地越纯、碳酸盐含量越高、不溶酸性物质越少,岩石越易溶解,岩溶越发育。

(2)尽量避开强岩溶地区建库。岩溶渗漏和岩溶塌陷是直接影响水利水电工程安全及运行的重大风险之一。鉴于岩溶具有一定的不可预见性,目前的勘探手段尚难真正完全查清,再加上时间、经费的限制,优先选择非岩溶性或岩溶不发育河段,避开强岩溶河段；优先选择补给型河谷,避开悬托型河谷和排泄型河谷；优先选择较直河段,避开邻近河谷、河湾等易产生岩溶渗漏的河段。

(3)加强工程区岩溶勘探工作。工程区岩溶勘探是岩溶地区工程设计的基础。鉴于岩溶的产生、汇流及溢出往往构成一个完整的水文地质通道,岩溶区水文地质勘探范围往往要大于工程地质勘探范围,应适当加大勘探深度：既要关注岩溶发育的工程地质背景,也要关注水动力条件；既要注意岩溶单体分布,也要注意各单体间的水力联系；既要注意地下分水岭的位置,也要关注相对隔水层的连续性；既要关注施工期岩溶渗漏,承压水的堵漏和排水,也要关注运行期岩溶渗漏、塌陷、浸没、内涝等。

岩溶勘探是一项投入量很大且复杂的工作,特别是岩溶系统的勘探更为困难。要区分库区向邻谷渗漏与坝址区岩溶管道渗漏的界限,妥善安排基础处理工作；既要关注开工前岩溶勘探,合理进行枢纽布置和工程设计,也要加强施工期岩溶勘探和相应的分析工作,尽力保护好原有岩溶顶板,防止恶性事件发生；同时岩溶地区工程设计宜充分了解勘探成果,做好专业间的协调配合。

(4)编制岩溶处理应急预案。由于岩溶的发育与水动力学条件有关(包含岩溶水来源、出路、门坎值等),也与溶隙的分布(包括位置、联系、脱空、充填等)等密切相关,施工期岩溶处理时,应尽力查清岩溶水源头,上堵下排,对岩溶塌陷和涌水宜以深度围封、回填灌浆为主,堵不住时还一味强抽,往往费时费功,难于济事。蓄水后还应关注建筑物的变位、扬压力、渗水量及水质,防范于未然。

1.7　不利结构面组合风险与风险防控

受地壳运动等影响,地壳中岩体会发生连续或不连续的褶皱和断裂等永久变形,这些构造形迹的空间位置,以平面或曲面为代表,构成了不同级别的结构面及其组合关系。通常,结构面问题包含结构面本身的强度及变形,也包括不同结构面与临空面组合,以及由此而引起的岩体自身和水工建筑物稳定、变形、应力、渗流等问题。

实践证明：我们既要关注重大结构面的充填状况、力学特性、组合及不利影响,有时也要关注对工程安全敏感的较小结构面的不利组合及其影响。

1.7.1　丰满坝基F67断裂带及其风险

丰满水电站位于东北吉林省第二松花江上,距吉林市24km,水库总库容107.8亿m3,总装机容量100.4万kW,为混凝土重力坝,最大坝高91.7m,全长1080m,分60个坝段,为大(1)型水电工程。1937年开工,1942年蓄水,1943年发电,1946—1950年续建,1953年正式运行。场地地震基本烈度原为Ⅶ度,大坝设防烈度Ⅷ度(后场地烈度调整为Ⅵ度,相应设防烈度调整为Ⅶ度)。

重力坝坝基为变质砾岩,岩石完整、坚硬、密实,裂隙不甚发育,工程地质条件较好。34～36#坝段位于多条小断层构成的F67断裂带上,F67宽40余m,主要由碎块岩(宽7～15m)、断层压碎岩及角砾岩(宽10～25m)、碎粉岩(1～2m)、断层泥(15～25cm)组成,RQD＝0～45%,岩石破碎—较破碎,纵波波速vp＝2061～5290m/s,f'＝0.72,C'＝0.71MPa。

为确保工程抗滑稳定,1986—1997年在34#、35#、36#坝段检查廊道内打预应力锚索18根,每根吨位2040～2620kN,间距2～3m,深入基岩20m。1998年丰满大坝首次安全定期检查,结论为：35#坝段在Ⅷ度地震工况下,计及坝前泥沙压力时,按拟静力法计算,抗滑稳定安全系数略小于当时规范要求；若按动力法计算,坝基稳定基本满足规范要求,但坝踵拉应力0.6MPa,下游压应力2.8MPa。即Ⅷ度地震时大坝整体尚可稳定,但应力会恶化,会导致局部破损。按照大震不倒、中震可修、小震不坏的原则,丰满重力坝可满足上述要求。

2006年吉林省地震中心提出《吉林省丰满发电厂工程场地地震安全评价报告》：丰满电站的场地地震烈度为Ⅵ度,50年基本期10%超越概率a＝0.07g,100年基本期2%超越概率a＝0.131g；经现场补充大型试验,F67的f'＝0.75～0.80,C'＝0.42～0.50MPa。按此条件,经静力学和动力学计算,丰满大坝整体稳定和坝体应力均满足现行规范要求。故此首轮、二轮、三轮安全定期检查专家组均把丰满大坝评为“安全坝”。

1.7.2　功果桥地下厂房裂隙组的影响及处理

云南省澜沧江功果桥水电站枢纽工程由碾压混凝土重力坝、坝身5个泄洪表孔和1个泄洪底孔、右岸地下引水发电系统等建筑物组成。碾压混凝土重力坝高105m,装机900MW,库容3.16亿m3。坝基为白垩系下统景星组下段变质砂岩和砂质板岩,岩性坚硬,岩层产状NW20°,倾SW,∠55°～75°,倾上游偏右岸,斜向谷。坝址区地震设防烈度动峰值加速度0.143g,岩体中顺层陡倾断层发育,缓倾结构面不发育。

地下洞群轴线NE50°,主厂房开挖尺寸为175.0m×27.4(25.2)m×74.45m(长×宽×高),主变洞开挖尺寸为134.80m×16.50m×46.80m(长×宽×高)。尾水调压室采用长廊道式布置,开挖尺寸为130m×25m×69.7m(长×宽×高),主厂房、主变洞、尾调洞三大洞室的间距分别为40m和39.5m,岩性以微、弱风化层状分布的变质砂岩、变质石英砂岩为主,岩层倾向上游偏岸内。厂房轴线与岩层走向夹角50°～60°,与地应力第一主应力方向夹50°,其中主厂房Ⅱ～Ⅲ类围岩占73%～80%；Ⅲ2类围岩占17%～20%；Ⅳ类围岩占3%～7%。平均纵波速4152m/s,围岩条件总体较好。结构面主要为顺层发育,规模较大的断层为F2与f15,其中F2断层顺层面发育,基本贯穿三大洞室,破碎带宽50～100cm,影响带宽1～2m,由于断层陡倾上游,对洞室防渗影响较小。f15断层出露于地下厂房顶拱中部,产状NE57°,倾NW,∠75°～80°,走向与厂房轴线(NE50°)小角度相交,陡倾上游,断层破碎带宽15～20cm,局部宽30cm,两侧影响带岩体风化较强,自厂房左端墙(厂右0＋000)延伸至厂右0＋125,该断层与厂房轴线夹角较小,不利于厂房靠河侧的防渗及围岩稳定。当时发现地下厂房区有3组节理：①NW340°～NE15°,SW(NE),∠50°～70°,为顺层节理；②NW340°～350°,NE,∠70°～85°,为陡倾节理；③NW300°～340°,NE,∠15°～30°,为缓倾角节理。以①组顺层节理最为发育,占总数的47%,其余结构面规模较小,对地下洞室的围岩稳定和防渗影响较小。

因洞室开挖及其结构面的不利组合,施工期曾造成局部落石。

地下厂房开挖后,主厂房0＋25、0＋85、0＋110～0＋130洞壁围岩发生50～100mm变位,1#尾水管和1#尾水洞也分别发生87.8mm和95.8mm变位(表3.1-3和图3.1-19),同时锚杆应力超标。经仔细检查,发现地下厂房区还发育一组NE节理,该节理与厂房轴线夹角较小,倾角75°～80°,节理较密集,层间距较小,洞室开挖后围岩卸荷回弹,对洞室侧壁稳定不利,是造成主厂房、主变洞及尾调洞壁发生69.4～99.9mm大变形和锚杆应力增高的主要原因。为此,增加数十根1500kN预应力锚索(长20m),并把原系统锚杆改为长9m的150kN预应力锚杆,才维持了围岩稳定。

虽然施工期围岩发生较大变位,锚杆应力超标(大于300MPa),20根锚杆已损坏,同时主厂房预应力锚索设计值1500kN、锁定1300kN左右,由于围岩大变形,预应力锚索达2200kN,超锁定值70%左右,加固后已稳定。

综上所述：水利水电工程建设及管理中,既要关注大断层、缓倾结构面、层间剪切带、软弱夹层等的影响,在某些特殊情况下,一些节理裂隙也会对工程安全构成威胁,也应加以关注。功果桥地下洞室围岩稳定的处理还告诉我们：即使施工期围岩发生了较大变位,但及时加固后,变形也可很快收敛,围岩恢复稳定状态。

1.7.3　不利结构面组合风险的防控

(1)查清工程区岩体的岩性、产状,层间剪切带、软弱夹层,蚀变带、卸荷带以及不同级别结构面的分布、厚度、性状、延伸性,起伏差、充填物、破碎带组成等。既关注重大结构面,也关注缓倾结构面及对工程安全敏感的较小结构面与临空面的组合关系,开展现场及室内试验,测其力学参数和允许渗流坡降等,全面分析对自身安全及工程安全的影响。

(2)坝轴线及地下洞室的轴线,宜与主要结构面成较大夹角,对无法避开的或成小夹角的结构面,应采取相应锚固措施处理,锚固中应考虑岩体应力释放和卸荷回弹的影响,留有一定安全储备,关注施工期和运行期安全。

(3)对影响自身及工程安全的关键结构面开展安全监测,既关注变形量测值,更关注发展趋势和发展速率,发现测值较大或无法收敛或威胁围岩稳定的变形,应及时处理。

1.8　软岩筑坝风险与风险防控

饱和单轴抗压强度小于30MPa的岩石统称软质岩,其中15～30MPa的为较软岩,5～15MPa的为软岩。软质岩包括黏土岩、页岩、千枚岩、绿泥石片岩、云母片岩等。由于软质岩饱和抗压强度、变形模量、抗剪强度较低,遇水后易膨胀、软化、泥化,其力学特性将进一步降低,对水工建筑物的承载能力、稳定、变形等均易构成一定威胁。

1.8.1　寸塘口砌石拱坝坝基膨胀变形与坝体解体

寸塘口砌石拱坝位于四川省蓬溪县,总库容1532万m3,为浆砌条石单曲拱坝,坝高22.7m,是一座以灌溉供水为主的小型水利工程。

库区位于膨胀岩土分布较广的川中红层丘陵地带。坝址处河谷较宽,两岸边坡平缓,山脊受冲沟切割,显得单薄。坝址处位于蓬莱镇短背斜南翼,出露地层为侏罗系内陆河相红色碎屑岩地层,该地层自坝顶向下可分4个岩层,其中第2、第4层为紫红色泥岩,第1、第3层为砂岩。泥岩裂隙发育,强度低,透水性强,膨胀性大,岩芯取出后1～2d即崩解,碎成薄片,泥岩天然抗压强度9.1～19MPa,弹性模量360～620MPa,f'＝0.399,C'＝0.17MPa。泥岩浸水后体积明显膨胀,失水后干缩,垂直层理方向膨胀力0.15～0.16MPa,平行层理方向膨胀力0.12～0.16MPa。

该工程1959年施工,1960年停工,1964年复工,1973年加高至22.7m。

1973年11月水库蓄水,发现下游面中部、坝高3m处(高程336.0m),沿拱圈有1#水平裂缝,长32m,宽1.0mm。接着又在与1#缝同一高程的左右护岸边墙上各出现一条水平裂缝,长分别为3.2m和6.7m,宽0.5mm。另在坝顶距端部5～8m处各有一条垂直裂缝(3#、4#裂缝),长2～3m,宽1mm。此时坝体共有100余处漏水,有的已形成喷射水流。由于坝体裂缝发展迅速,漏水严重,危及大坝安全,决定放空检查。

放空后发现大坝向上游回弹28mm,坝顶垂直裂缝不断出现,从右坝肩的3#裂缝至左坝肩4#裂缝,每隔3～5m就有一道垂直裂缝,共有60余条,其中6条为贯穿性裂缝,这些裂缝把坝体基本分为8大块。

采取坝基帷幕灌浆、封闭上游库水入渗、阻止泥岩继续恶化等措施,保证拱坝安全。

1.8.2　软岩筑坝风险的防控

软岩筑坝包括软岩地基上筑坝和利用软岩作为填筑料筑坝两个问题。

(1)软岩承载力较低,抗剪强度不高,宜根据软岩产状及力学特性,选择相应的建筑物型式,关注软岩中软弱夹层的分布及蓄水后性状的变化,分析对水工建筑物安全的影响。

(2)软岩的微裂隙发育,具有一定的亲水性,随着其蒙脱石含量的增加,表现出不同的膨胀性和不同的膨胀力,可引起坝体破坏。软岩的膨胀变形大多表现于蓄水后几年间,随着遇水时间的加长,浸水面附近泥岩会逐步软化、泥化,力学参数显著降低,威胁建筑物稳定。

(3)防止坝基软岩膨胀变形和软化泥化,可采取如下措施：

1)加强施工排水,快速开挖施工,建基面预留保护层喷浆保护,减少吸附空中水分。

2)延长渗径,提升防渗效果,有控制的反滤排水和坝基固结灌浆是防止膨胀岩及泥岩遇水膨胀软化泥化的有效办法。

3)加强坝基变形和渗压观测,加强排水孔析出物和水质分析。

(4)为防止软岩填筑料的湿化、变形、风化等不利影响,软岩可作为次堆石料,填筑于坝体浸润线以上部位。

1.9　覆盖层上筑坝风险与风险防控

我国许多大江大河都有30～400m厚的覆盖层,在深厚覆盖层上修建水工建筑物,除常遇到的坝基承载能力及不均匀变形、粉细砂层地震液化、坝基渗漏和渗流破坏、深厚混凝土防渗墙复杂应力及防渗墙与大坝防渗体系连接方式等问题外,还会遇到覆盖层的徐变问题。

1.9.1　金康水电站坝基覆盖层徐变及闸坝断裂

1.9.1.1　工程简介

金康水电站位于四川省甘孜藏族自治州康定县境内,是金汤河梯级开发规划的最后一级电站,为闸坝引水式电站,地面厂房装机容量为150MW,2006年7月并网发电。

该工程由首部枢纽、引水系统、厂房等建筑物组成。首部枢纽从右至左依次布置右岸挡水坝段、2孔泄洪闸、1孔冲沙闸、1孔排污闸、左岸挡水坝段及进水口。闸坝顶高程为1976.00m,闸坝顶全长约94.91m(图3.1-20)。水库正常蓄水位为1974.00m,死水位为1969.00m,最大坝高20.00m。引水隧洞全长16302.51m,设计水头458m。

坝址位于金汤河的弯段后,两山脊的下游侧,河谷相对狭窄,宽度为75～80m,两岸谷坡较陡,70°～75°,两岸基岩裸露,山体雄厚,地形较完整,河谷断面呈对称“U”形。河床底部及两岸岩体为泥盆系灰—深灰色薄—中厚层状石灰岩、白云质灰岩、泥质灰岩,岩石坚硬、致密,块状—中厚层状构造。层面产状NW50°～60°,SW,∠75°～80°,斜向下游,为单斜构造组成的横向河谷。坝址两岸岩体内无区域性断裂分布,但小断层及裂隙发育,卸荷裂隙较发育,且以张开裂隙为主。

坝址位于原堰塞湖堆积体的尾部,河床中有深厚覆盖层,厚度60～80m,局部大于92m。自下而上覆盖层共分3层。

Ⅰ层：分布于河床底部,为冰水堆积漂(块)卵(碎)砾石夹砂土层。厚度大于62.0m。漂块石含量15%～25%,卵碎石含量20%～25%,砾石含量20%～30%,砂土含量约占20%,以中粗砂或中细砂为主,结构较密实。钻孔揭露,该层局部地方漏浆,掉钻,表明有架空现象存在,注水试验渗透系数1.94×10-1～6.72×10-2cm/s,具强渗透水性。该层土体形成时间较早,结构密实,承载力高,但局部存在不均一性。

Ⅱ层：埋藏于河床中部,系河湖相堆积层(粉质壤土和粉细砂层),分布连续,厚度11.53～23.30m。推测该层为坝址下游1km滑坡体堵江形成堰塞湖后的湖相沉积物。该层可分为两层：下部Ⅱ-①：灰白—浅灰色、灰色粉质壤土层,厚度11.23～16.10m,小于0.075mm粒径平均含量60%,黏粒平均含量9.3%,为含砂低塑限黏土或含砂低液限粉土,渗透系数4.82×10-5～1.95×10-4cm/s,标准锤击数平均为14.11击,平均承载力0.14MPa,承载力低,属稍密—中密程度,为可液化土。上部Ⅱ-②：灰—灰黄色粉细砂层,厚度0.3～7.20m,埋深4.15～14.0m,砂粒平均含量53.9%,粉粒平均含量18.14%,天然密度1.26g/cm2,相对密度0.34,土体结构较松散,标准锤击数2.5～22击,平均承载力0.2MPa,承载力低,稍密—中密程度,为可液化土。闸室下部及护坦和海漫等均置于Ⅱ-②粉细砂层上。

Ⅲ层：为冲积堆积灰黄色含卵砾石砂土,厚度4.15～15.35m,卵砾石含量约占40%～50%,砂土含量约占50%,以中细砂为主,含泥,该层总体结构较松散。渗透系数8.06×10-3cm/s,具中等透水性。该层表部为现代河流相堆积的漂卵石层,厚度变化大,在0～5.70m,15～20cm粒径含量占40%～60%,6～10cm粒径含量占30%～40%。标准锤击数5.7～26.94击,平均值为13.6击,平均承载力约为0.53MPa,为非液化土,是闸坝的主要持力层。

根据1990年《地震烈度区划图》,工程区地震基本烈度为Ⅷ度。2008年5月12日汶川大地震后,根据国家地震局《中国地震动参数区划图》(GB18306—2001)“国家标准第1号修改单”规定：该工程区地震基本烈度仍为Ⅷ度,相应工程地震设防烈度为8度,a＝0.2g。

1.9.1.2　开挖后地质状况

开挖后所揭示的闸坝地质情况与勘探结论总体吻合：

(1)进水口的闸基,大部分置于中—厚层状白云质灰岩、石灰岩、泥质灰岩上,基础岩石坚硬、完整,抗风化能力强,承载力高,能满足建筑物的要求。拦污栅置于Ⅲ层含卵砾石砂土上,其承载力和抗变形能力较低,不能满足建筑物对基础应力的要求。左岸坝肩、右岸1#重力坝段、2#重力坝的部分坝段置于石灰岩上,岩石较完整,块状—中厚层状,坚硬,强度高,部分坝段置于覆盖层上,基岩面斜交坝轴线,会加大闸坝不均匀变形。

(2)泄洪闸、冲砂闸、拦污闸,和左、右2#、3#挡水坝的大部分闸坝持力层为Ⅲ层含卵砾石砂土层,闸室后半部分及护坦、海漫均置于Ⅱ-②层的粉细砂层上。其中,Ⅱ层与Ⅲ层及Ⅰ层间存在接触冲刷可能性,其承载能力、抗变形能力、抗渗流破坏能力、抗冲刷能力均较低,不满足设计要求,特别是Ⅲ层、Ⅱ-①和Ⅱ-②的粉细砂,初判和复判均为可液化土。因此,对闸基土需采取工程处理措施。

1.9.1.3　基础处理

(1)粉细砂层地震液化处理。为防止闸坝地基土液化和提高地基承载力、抗变形能力及抗剪强度,结合闸基地质条件及其他工程处理经验,采用振冲碎石桩处理,即从闸室防渗护坦至海漫(0-20～0＋70),长90m、宽94m范围内,梅花形布置振冲碎石桩,桩径1.2m,填入新鲜石灰岩人工碎石,级配20～80mm,振冲器功率125kN,造孔水压0.3～0.8MPa,制桩水压在0.1～0.4MPa,填料密实电流150～160A,振斗提升高度0.5m。除海漫区碎石桩排距2.5m×2.5m外,其余均为2.0m×2.0m,桩基深度除闸基深到Ⅱ层底板外,其他为15.0m。桩基地面高程1957.0m,上部留有1m的保护层。共完成碎石桩总数为1164根,制桩总深度19389.10m(平均16.6m/根),总填料量28808.90m3。平均1.48m3/m。

现场振冲碎石桩试验中,曾多次发生断桩事件,实测振冲桩影响半径7～8m,塌陷漏斗直径5.8m,闸底面可能脱空。由于施工困难,设计上调整原碎石桩碎石级配,加大5～20mm粒径碎石比例,振冲碎石桩实际提升地基承载能力的效果可能较设计偏低。

复核资料表明：冲砂闸及排污闸施工完建工况下地基最大压应力388.17kPa,最小293.33kPa,平均340.75kPa,完建工况下的平均应力大于Ⅱ类土复合地基允许承载能力270kPa。

(2)闸基覆盖层多层分布,结构不均一,渗透性差异大,Ⅱ层顶部及底部与Ⅰ、Ⅲ层间存在接触冲刷可能,并且两岸卸荷裂隙较发育,存在闸基(肩)渗漏和渗透变形问题。其防渗处理措施主要是：闸坝底板下覆盖层中悬挂式垂直防渗墙和闸前水平铺盖相结合,同时左右岸基岩帷幕灌浆。

1.9.1.4　运行状况

(1)闸室实测水平变位。为了监测闸室水平和垂直变位,在闸坝顶部0＋1.26桩号布置一条步进式双向遥测的引张线,共10个测点,编号为EX1～EX10。引张线右侧为固定端,埋设于右岸灌浆平硐内的基岩上,左侧为移动端,埋设在左岸非溢流坝坝顶上(图3.1-21)。

监测成果表明：

1)所有水平变位连续,无明显突变及异常现象,监测数据正常。

2)10个测点测值与水位关系不密切,与时间关系密切,均表现出明显流变特性,且长时间未收敛。其中,排污闸顶EX7测点从2006年4月1日至2011年4月1日,向下游变位44mm,年变化速率8.8mm/a。其水平变位测值和变化速率远大于耿达、映秀湾等覆盖层上的闸坝(图3.1-22)。

3)10个水平变位测点中除EX9,因1#重力坝段发生斜向贯穿裂缝,向上游变位-32mm,沉降2～5cm外,其余各点均表现为不同程度的向下游方向的水平变位,且中部变位明显大于两岸坝段变位(表3.1-4)。

4)引张线2005年11月投入运行,2008年检修时发现,由于坝体位移较大,引张线线体基本已同PVC保护管碰在一起,后调整引张线活动端,保证了引张线系统能继续测量。由于引张线的设备长时间未进行维护保养,当时引张线基本处于搁浅状态,引张线活动空间已趋于饱和。鉴于引张线PVC保护管直径90mm,目前引张线又存在碰壁现象,且部分测点浮船缺失,影响到测量成果,但坝体位移较大,是客观事实,也是造成目前碰壁的原因。考虑引张线的左岸活动端建于可移动的闸墩上,从目前右岸重力坝斜向裂缝、左岸进水口附近裂缝,及排污闸与冲砂闸间工作缝的错位,可以得出闸坝已发生较大水平变位,实测的水平变位可能小于实际变位。

(2)坝顶垂直变位。坝顶垂直位移(双向引张线测值)未见明显规律和趋势性变化,且人工水准观测数据暂未收集到,无法分析。

由于坝顶的垂直变位测量点是在闸坝施工后期埋设的,当时闸坝的垂直变位已基本完成,再加上混凝土防渗墙的顶托作用,实测的闸顶垂直变位并不能反应闸室的真正垂直变位。

(3)扬压力。扬压力测值紊乱、异常,无法分析,是否与闸坝徐变有关,也不清楚。

综上所述：金康闸坝自2006年下闸蓄水以来,最高蓄水位1974.28m,超过正常高水位(1974.0m)0.28m,虽经七个汛期,但最大入库流量152.0m3/s,约为5年一遇洪水,该工程尚未经受设计洪水考验。

虽然目前闸基未发现明显渗流破坏现象,但现场检查发现：因受水压力及基岩与覆盖层不均匀变形影响,右岸2#重力坝发生了贯穿性张开结构裂缝。该裂缝从坝顶一直贯穿至坝基,从上游面一直贯穿至下游面,2#坝段已经解体,同时左岸重力坝段与进水闸坝段工作缝张开2～5cm,错位1～2cm,排污闸与冲砂闸伸缩缝明显张开,下游护坦右岸挡墙发生2cm斜倾变形(图3.1-23和图3.1-24)监测资料表明：闸坝整体向下游水平变位30～44mm,尚未收敛,最大以8.8mm/a速率发展；相应扬压力测值异常,闸坝地基可能处于非稳定渗流状态；闸室地基虽经振冲碎石桩处理,地基抗液化及承载能力有所提高,但复核结果表明,冲砂闸及排污闸在施工完建工况下,地基平均应力大于Ⅱ类复合地基允许承载能力。

金康闸坝的基础虽未见明显渗流破坏现象,大坝仍能挡水,但由于河床深厚覆盖层的徐变及与右岸基岩之间的不均匀变形,右岸2#重力坝已解体,坝基与坝体发生了明显水平变位,且该变位尚未收敛,变位量和变化速率明显大于西南地区同类型深覆盖层上的闸坝,再加上扬压力异常,该坝定为病坝。

1.9.2　覆盖层上筑坝风险的防控

(1)深厚覆盖层上修建水工建筑物,常遇到覆盖层承载能力不足及与两岸边基岩间不均匀变形、粉细砂层地震液化、坝基渗流和渗流破坏、深厚混凝土防渗墙复杂应力及防渗墙与大坝防渗体系连接方式、坝体整体稳定、覆盖层抗冲蚀、覆盖层动力特性及结构抗震、覆盖层徐变等问题,对这些问题必须予以足够重视。

(2)加强覆盖层勘探及试验,深入了解覆盖层的成因、形成年代、分层状况、各层厚度、深槽位置、矿物组成、颗粒大小及形状、密实程度、架空状态、胶结状态、承载能力、变形模量、渗透系数、允许水力坡降、抗冲流速、静力和动力力学特性,及其受力后的应力、变形、渗流、冲蚀等及其主要工程问题。

(3)当前我国尚无深覆盖层上水工建筑物设计规范,覆盖层上水工建筑物设计应深入了解该工程覆盖层及上部结构特点,充分吸取同类工程经验教训,关注覆盖层及其复合地基的承载能力,精心搞好基础处理,做好覆盖层与基岩接头部位及覆盖层深槽部位的结构处理,防止不均匀变形所导致的结构破坏；搞好坝基防渗处理,关注防渗墙应力状态,关注防渗体系接头部位渗压变化,防止坝基渗流破坏；控制泄水和消能建筑物的单宽流量和流速,维持上下游河势稳定,减少下游冲刷破坏；加强覆盖层静动力学研究,认真做好抗震措施,确保结构整体稳定和强度安全。

(4)除常规的变形、渗压、扬压力监测外,尽可能创造条件进行覆盖层渗流量监测；监测设备量程选择、设备选型及电缆布置中,宜充分考虑受力后覆盖层可能产生的较大变形及其影响,努力提升监测设备成功率。

1.10　环境水对水工建筑物的影响及其风险防控

环境水是影响水利水电工程安全、工程寿命及经济效益的重要因素之一。它对混凝土结构及其他建筑材料的破坏可分为物理破坏和化学破坏,物理破坏有水流冲蚀、渗流破坏、冻融破坏、冻胀破坏等,化学破坏有溶蚀、浸蚀、碳化、碱骨料反应、析出物等。上述各种影响可以单一出现,有时也可共同作用,甚至与微生物作用并存,加剧混凝土的剥蚀、破损、开裂、膨胀、脱空等破坏,直接影响混凝土结构的使用寿命及安全。

1.10.1　八盘峡的环境水侵蚀

八盘峡水电站位于黄河上游,为河床式水电站,闸坝最大高度33m,装机180MW,1969年11月开工,1979年8月完工。

八盘峡水电站坝基为白垩系红色砂岩、黏土质页岩,岩性软硬相间,软弱夹层广为分布。黏土质页岩中主要矿物为伊利石,含量不少于70%,母岩中含石膏质,地下水中硫酸盐含量较高,其中含量最高达6286.9mg/m3,Cl-含量最高达15581.4mg/m3(表3.1-5),严重超标,水中与混凝土中的碱性游离石灰质和水泥中的水化铝酸三钙及水化铝酸四钙等作用,并吸附空中CO2和水分子,形成硫铝三钙结晶,体积膨胀,使干湿交替部位的混凝土结构遭受破坏。虽然八盘峡地下水中Cl-离子含量很高,对提高水化铝酸钙的溶解度有利(起到一定阻滞和缓解硫酸盐侵蚀的作用),但试验证明,当含量超过3000mg/L以上时,结晶性侵蚀作用仍会发生,且当Cl-含量超过5000mg/L时对钢筋具有强腐蚀作用(表3.1-5)。

为了减轻地下水对混凝土的侵蚀破坏,在基础底层混凝土及灌浆材料和左岸山边横向廊道内采用500#抗硫酸水泥浇筑,并在左岸近山侧设排水幕,以拦截山区来水,降低地下水位。但蓄水后不久,左岸排水孔含量达8000mg/L,闸坝位置渗水中含量达4000mg/L,厂房及右岸非溢流坝段渗水中含量渐减至200～2000mg/L,同时发现大坝基础廊道左端靠近山体的排水沟内水面波动区附近的混凝土严重侵蚀,手抓后即呈渣状,深约10cm,为此不定期地用抗酸盐水泥砂浆修补。鉴于八盘峡地下水侵蚀作用主要集中在左岸排水廊道的水面变动干湿交替部位,与坝基岩体接触部位的大坝底部混凝土完好,其他部位混凝土结构也无侵蚀迹象,因此认为八盘峡地下水对混凝土虽有严重侵蚀破坏,但侵蚀范围不大,且非关键部位,只要加强巡视,及时修补,地下水对混凝土的侵蚀暂不影响大坝安全。

1.10.2　双塔水库灌溉洞混凝土衬砌的侵蚀破坏

双塔水库位于甘肃省河西地区酒泉市安西县境内,疏勒河干流上,库容2.2亿m3,是一座以灌溉为目的的大(2)型水库,枢纽工程由一座高26m的均质土坝、直径2.5m的明流灌溉隧洞和一座小型发电站组成。该工程1958年施工,1962年竣工。

由于该地区降雨稀少、蒸发量较大,毛细作用强,土壤大多为硫酸盐类的盐碱土,其主要成分为硫酸钠和硫酸镁,含有较多的SO2-4、K＋、Na＋、Cl-、Ca2＋,这些物质结晶后为芒硝和石膏。水库蓄水后,溶解土中盐分可对混凝土产生腐蚀。这种含盐环境水对混凝土的作用可表现为物理侵蚀和化学腐蚀。物理侵蚀常发生于干湿交替变化和温度变化较大部位,而化学腐蚀则是由于地下水溶出混凝土中的可溶性Ca(OH)2,引起凝胶分解,生成钙矾石,体积膨胀,从而引发混凝土中微裂缝的发生,进而促成混凝土衬砌破坏。

双塔水库运行后发现大坝坝坡凹塌、坝顶开裂、坝后渗水、管涌破坏。运行3年后,1965年停水期间,进入灌溉洞中检查,发现在隧洞设计水位附近,混凝土表面泛起白毛,手挖混凝土后,衬砌大面积呈豆腐渣状掉下。检验结果表明：附近土中和渗水中含有大量SO2-4,渗水对隧洞混凝土衬砌产生物理侵蚀和化学腐蚀,所以水面线附近混凝土泛白毛,且被腐蚀呈豆腐渣状。

1966年开始对双塔水库全面加固,封堵原灌溉洞,在左岸另开凿一个灌溉洞,并用抗硫酸水泥衬砌。

1.10.3　丰满水库极软水及其对混凝土的侵蚀

丰满水库位于吉林第二松花江上游。由于库区地层以难溶的燕山期花岗岩为主,库周以棕色森林土为主,水库水质为极软水(钙镁硬度小于1.5meg/L),重碳酸盐浓度小于1.07mmol/L,呈中性—弱碱性,为典型低矿化水,对混凝土具有溶出性侵蚀作用(表3.1-6)。

1942年水库蓄水,极软水对混凝土侵蚀作用明显,再加上坝体混凝土质量较差,坝基廊道内漏水严重,排水沟内白色析出物普遍,洞顶钟乳石林立,工人需穿雨衣进行工作,坝内渗水水位连接线居高不下,下游坝面渗水严重,混凝土芯样上有明显溶沟和溶槽。由于下游坝面渗水,冬季冻胀,溢流面上抬变形,1986年溢流坝段泄洪,冲走溢流坝面混凝土,上下宽22m、左右长19m、深2～3m,面积约700m2,体积约1000m3,冲坑边缘可见坝体内有渗水不断流出。后经多次大规模处理,方得以控制(图3.1-25)。

1.10.4　大黑汀等坝基廊道析出物

大黑汀宽缝式重力坝坝高52.8m,坝长1354.5m,坝基地层为太古界片麻岩,主要岩性为角闪斜长片麻岩,局部为花岗片麻岩,间夹少量云母斜长片麻岩,并有不同期岩脉侵入。施工中,基坑中共发现断层122条,多为陡倾角断层,其中有3条夹泥缓倾角断层。节理、裂隙十分发育,岩体完整性较差,坝基进行了固结灌浆和帷幕灌浆。

1979年水库蓄水,坝基平均渗水2.52L/s。10年后坝基排水廊道中发现白色、乳白色、灰色、锈黄色、棕红色、黑褐色等紊状、丝线状、糊状、淤泥状等析出物,有的无味,有的恶臭。晒干后,一年析出物的总重为608.68kg,其中29#坝段析出量45.5kg(图3.1-26)。

水样、物样、矿物成分、X衍射、微生物试验分析,发现库底水环境趋于缺氧的还原环境,库底水温低、压力大,水中溶解状的CaO含量增加,同时坝基地下水酸碱度pH值和Eh值总体呈降低趋势。实测坝基地下水中好氧异氧细菌总数是库水的2～18倍,铁细菌和硫化菌的菌量为库水的10～10000倍。白色析出物主要是由于大量Ca2＋随地下水淋溶,而后与水中形成CaCO3沉淀。黄色和棕色物质中,除Ca2＋外,还有18%～31%的Fe2O3,这种物质是一定量的铁铝与形成的非晶体物质。黑色沉淀物,除含有硫化铁外,尚有较多的有机质,所以有臭味。鉴于析出物主要来源于坝基防渗帷幕水泥中的Ca(OH)2、断层裂隙充填物、少量坝基混凝土以及钻孔中残留的含铁氧化物和风化岩的溶滤物质,析出物量大并威胁帷幕防渗效果,决定对帷幕进行补强灌浆。

除大黑汀外,在新安江、安沙、紧水滩、陈村、狮子滩、龚嘴、周公宅、藤子沟等工程排水沟中也发现析出物。析出物分布似乎有下述规律：

(1)析出物在我国北方和南方水利水电工程的坝基排水沟内均有发现。

(2)析出物既可发生于沉积岩的坝基中,也可发生于火成岩的坝基中。

(3)析出物既可发生于混凝土坝坝基中,也可发生于堆石坝的坝基排水孔中。

(4)析出物既可出现在运行多年的坝基排水孔中,也可发生于刚蓄水不久的新建水库中。

(5)析出物既与坝基断层、裂隙、帷幕等的侵蚀有关,也与库底微生物活动有关。

(6)陈村等水库蓄水40年,析出物不断。即使水库已淤积10多米后,析出物也不断。析出物的出现似乎与库盆淤积关系不密切,只要坝基有渗水,即有析出物。

(7)一些水库库盆原为村镇,污染严重,清库不彻底,蓄水后很快出现析出物。因此,析出物的出现似乎与库盆清库效果有关。

1.10.5　环境水对水工建筑物安全的影响及其风险防控

水工建筑物是因水而修建的建筑物,水土环境是水工建筑物回避不了的外部环境。水环境可造成混凝土及其他建筑材料和结构的侵蚀破坏,也可促成骨料碱活性反应,还可加速结构面渗流破坏、溶蚀、地基的冻胀、混凝土冻融破坏,并会产生相当的析出物。当水对建筑物产生严重的物理或化学作用时,应做好下列监控：

(1)监测环境水的水温、水质、水流速度、输砂、导电特性等,判别对水工建筑物的影响。

(2)当环境水对混凝土、钢筋、钢材及其建筑物存在不同不利作用时,应采取相应对策措施：

1)当环境水对混凝土钢筋、钢材及其他建筑材料有较强侵蚀作用时,宜使用抗侵蚀的水泥,加大保护层厚度。在水位变化干湿交替区不宜修建薄壁轻型结构。发现侵蚀破坏后,宜及时用抗侵蚀的材料处理,防止因材料侵蚀而降低结构强度和结构承载能力。

2)对于具有硅酸性碱活性反应骨料,宜改用中碱或低碱水泥,适当掺粉煤灰。严格控制混凝土总碱量小于2.5kg/m3,抑制骨料碱活性反应。杜绝使用具有碳酸性碱骨料反应的骨料。

3)正确看待坝基廊道内排水孔排出的析出物,观测其数量、种类的变化,分析其原因及对建筑物安全的影响。

4)提高混凝土密实度和抗冻性能,减缓寒冷地区混凝土表面冻融破坏,减少混凝土碳化。

5)严寒地区建筑物的基础,宜建于非冻胀土或冻土线以下土层,宜加强混凝土结构基础防渗、排水和保温,减少混凝土结构冻胀破坏。