土石坝安全评价的基本原则与方法

土石坝安全评价的基本原则与方法

刘 杰 崔亦昊 谢定松

中国水利水电科学研究院，北京车公庄西路20号，100044，Cuiyh@

摘要：中国已建的15m以上的大坝有18600多座，90％以上是土石坝，约90％的大坝坝龄

都在25年以上。建成多年的土石坝应如何进行安全评价是需要探讨的问题。工程实践表明，安全评价的基本原则应当是研究过去，着眼现在，重在分析多年运行情况及实际的表现，应

依靠各类观测资料的整理与分析。本文从坝工理论分析基础来自实践，并在不断总结实践经

验的基础上发展和完善；运行多年的土石坝本身有自行调整工作性状的特性；缓慢蓄水的过

程对土石坝薄弱环节有自行加强作用等方面阐明了为何重在表现；观测资料的分析可以查明

坝体质量及坝体结构的完整性及可靠性，坝后渗流量的变化特征是分析评价大坝渗透稳定的

有效方法。文中利用国内外工程实例阐明了上述基本原则和方法。

关键词：土石坝；安全评价；重在表现；观测资料；渗透稳定

1前言

到目前为止，中国已建库容在10万m3以上的水库达85120多座，高度在15m及以上的大坝有18600多座，其中土石坝占90%以上，绝大多数都有25年以上的历史。由于当时无国家颁发的设计和施工方面的规程规范，因而在建时的标准往往比现行标准偏低。有些工程施工结果与设计要求不完全相一致。如有些工程因土料场天然含水量偏高，压实困难，心墙干密度未达设计要求。有些截水槽底宽未达原设计要求。有些工程心墙土料的渗透系数大于15−

10

s

cm/

×的标准，心墙下游面的反滤层不合规范要求等等。从运行情况来看，在蓄水初期及不同运行阶段，有的坝体及地基都曾出现过不同程度的问题；有些水库运行已达正常蓄水位，有些多年一直未达到正常蓄水位。

对于建成多年并已实际运行的土石坝的安全评价，国外多重视运行性状的观察、观测资料的分析，国内多依靠现行的规程规范、重视施工期的质量及运行初期出现的一些问题。如何科学地对土石坝的安全进行评价，是目前需要进一步研究的课题。工程实践表明，运行多年的土石坝，安全评价的基本原则应当是研究过去，着眼现在，重在分析多年运行情况和实际表现，依靠各类观测资料的分析。我们安全评价的四座大型水库，陆浑、红山、柴河及小南海四座大坝的安全评价就是贯穿了这一指导思想，结果以最少加固费用并在短期内投入了安全运行。

2土石坝的安全评价原则应当重在分析运行过程中的实际表现

（1）土石坝的理论分析基础来自实践。到目前为止，土石坝的设计和施工仍处半经验半

理论阶段，计算分析方法多属于对已有经验的总结和理论解析。就坝的结构而言，也是随着时间的推移，经验的丰富，不断地向前发展。如防渗土料，开始阶段主要是使用最大粒径小于0.1mm 的细粒土，保证渗透系数在10-6~10-7cm/s 范围之内。几十年的实践经验，使防渗土料的颗粒组成范围扩大为最大粒径小于150mm，小于5mm 的颗粒含量大于50%，小于0.1mm 颗粒含量大于10%，渗透系数小于s cm /1014−×的各类土料[1]。就防渗体的厚度而言，20世纪60年代以前，绝大多数的土石坝坝高H 与厚度B 之比小于0.5，在中国以均质土坝为最多。到20世纪末期，高度大于100m 的土石坝，有50%以上防渗体的高度H 与厚度B 之比大于3.0。哥伦比亚1988年建成的247m 高的瓜维奥土石坝，心墙厚度在任何高程均为相应水头的0.3倍，即J 平均=3.3[2]

。1963年建成的高148m 的英菲尔尼罗心墙坝，心墙边坡只有0.0887，底宽36m，高度与底宽比达4.1。60年代以前，中国土石坝心墙与基岩接触带都设置2~3m 高的混凝土截渗墙，以后全都取消。

上述事实说明，土石坝工程是在不断总结实践经验的基础上发展进步并不断完善的。现在的规程规范也是根据大坝运行经验制定的，因此建成多年的大坝的安全评价应着眼于运行现状的分析与总结。

（2）土石坝各个部件功能的优劣在运行过程中将会有自我反映

土石坝是由散粒材料组成，有变形特性，同时也有较强的适应变形的能力，运行初期特别是前五年内就会调整自己的性状使之适应客观要求，一旦不适应客观要求，就会很快出现各种有害现象，如裂缝、滑动、渗透破坏等，不会丝毫隐瞒弱点或缺陷，所以研究大坝运行中的各种表现是评价大坝安全的首要方法。

加拿大1975年建成高109m 的马尼克3号坝，是座砂砾石坝壳冰碛土厚心墙坝，底宽达0.75倍水头。尽管心墙较厚，水库首次蓄水满库后，不久就发现心墙下游侧测压管水位很高，接近水库水位，反映出心墙中产生了水力劈裂的水平缝，使心墙上下游相连通。由于反滤层的功能很好，保证了大坝的安全运行。

中国1974年建成的高58m 的西斋堂土坝，是座斜墙坝，地基为48m 厚的强透水砂砾石层，用混凝土防渗墙防渗，并与斜墙上游的短铺盖连成一整体。由于防渗墙造孔用的粘土材料质量很差，在两槽孔中浇筑的混凝土墙的上部接头缝之间形成的夹泥皮很厚，厚达4~6cm。防渗墙的整体防渗性能很好，致使下游地基中的地下水位下降10~16m，导致防渗墙上部与铺盖邻接处的接头缝中的夹泥皮干缩，出现上下游相连通的大的漏水缝隙，严重漏水。水库初次蓄水，水头只有46.5m，铺盖底部紧靠接头缝附近的反滤层被冲蚀，使铺盖填土架空，然后在垂直渗流作用下铺盖在反滤层破坏处渗透破坏，并很快向顶部发展，直到表面。1978年放

空水库后发现在铺盖表面呈现两个大的塌坑，里面填满了坝壳砂砾石料[3]。随后对混凝土防

渗墙上的各接头缝进行了补强处理，再次蓄水，至1997年，库水位比初次出现塌坑时库水位高出3.59m 达半年之久，铺盖表面未发现新的塌坑，2006年又放空水库观察，铺盖表面完整，表明大坝运行正常。

（3）大坝运行多年坝体性状有别于竣工初期的性状

中国大坝的特点，许多土石坝建成后不能立即蓄水，有些水库是经过多年逐级达到正常蓄水位。从大坝发挥效益方面而论是不利的，但对大坝的安全运行则是有益的，主要原因是① 坝体沉降已经基本稳定；② 坝体填土干密度提高，抗剪强度相应增加；③ 如果心墙中存在各种裂缝，遇到小水力比降的渗流将会自行愈合。所以施工期的性状不能完全代表运行多年后的现实情况。

中国湖南省70m 高的六都寨大坝，是座心墙坝。心墙上游坡比为1：0.5，下游坡比为1：0.25，从1978年9月开始填筑，直到1986年初大坝建成，1991年5月下闸蓄水，2002年达