新疆土石壩建設與運行突出問題及對策研究

柳 瑩，李 江，彭兆軒，馬 軍

(新疆水利水電規劃設計管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

土石壩具有對復雜地質條件的良好適應性、就地取材和節省投資等優點，成為世界壩工建設中應用最為廣泛的壩型之一[1]。新疆地處干旱半干旱地區，水資源時空分布不均，興修水利工程是緩解水資源短缺的有效途徑之一。針對新疆獨特的筑壩環境條件，眾多工程開展了大量的探索與實踐。在壩型選擇上形成了以當地材料壩中碾壓式瀝青心墻砂礫石壩、混凝土面板砂礫石壩為主的壩體結構型式，體現了砂礫石壩體變形較小、投資較省的特點。但由于壩體材料為散粒體，在壩體變形過大或出現不均勻變形時，容易出現壩體裂縫，或出現防滲體破壞導致滲漏等安全問題。若不重視這些安全問題未做及時妥當的處理，在后續運行過程中還有可能會引發各類安全事故，造成國家和人民群眾生命財產的重大損失。因此，有必要對土石壩建設和運行安全問題進行全方位的探討與分析，結合建設過程和后續運行管理過程，本文對土石壩工程中建設和運行中的突出問題進行了探討，并提出了合理的對策建議。

1 水庫大壩建設概況

我國的水利發展較國外有所滯后，1949年新中國成立以前新疆僅有3座平原水庫，難以滿足當時人民群眾的生產生活需要。自20世紀50年代開始，在國家大力支持下開始興修水利，但大都以平原水庫為主[2]。從20世紀90年代開始，隨著建壩技術的提高，逐漸由平原水庫向山區水庫過渡。截止2018年底，新疆(含兵團)已建成的水庫共703座，但小型水庫和平原水庫占絕大部分，且大多水庫服役時間較長，存在諸多安全隱患。地方所屬現已建成的520座水庫(后文所述均不含兵團)，總庫容201.99億m3，平原水庫中80%以上均是小型水庫。全疆已建水庫個數及庫容如圖1所示，全疆平原水庫按工程等別分類情況如圖2所示。圖1中水庫個數與文中水庫個數不符(520座)。

圖1 全疆已建水庫數量及庫容

圖2 全疆平原水庫按工程等別統計

1.1 水庫大壩建設發展歷程

據近幾十年大壩建設數據統計資料顯示，新疆的大壩建設囊括了各類壩型，依據壩型可將新疆大壩建設歷程分為3個階段[3]。第1階段是20世紀60—70年代，主要為引水注入式水庫；第2階段是20世紀90年代，均質土壩依然在平原水庫中占比較大，但其它壩型也在逐漸發展，如面板壩、瀝青心墻壩及碾壓混凝土壩等多種壩型；第3階段是21世紀，隨著經濟的發展，大壩的數量和壩高均在快速增長，壩高超過70m的有62座，壩高超過100m的高壩有27座，全疆水庫按建設年代統計如圖3所示。全疆山區水庫共262座，壩型主要有瀝青心墻壩、面板堆石壩、均質土壩、黏土心墻壩、等。各壩型占比如圖4所示。

圖3 全疆水庫按建設年代統計

圖4 全疆山區水庫各壩型占比情況圖

1.2 土石壩建設規模

土石壩根據防滲材料的不同又可分為面板壩、瀝青心墻壩及土工膜心/斜墻壩等，各類土石壩的優缺點及適用條件見表1。全疆山區水庫中土石壩共214座，北疆、東疆、南疆三大區域土石壩的建設概況如圖5所示。因南北疆地形地質條件的差異，山區水庫大都建設于北疆，約占63.5%，其中瀝青混凝土心墻壩和均質土壩數量較多，黏土心墻壩和土工膜斜/心墻壩較少；南疆地勢平坦、干旱少雨，山區水庫較少，其中土工膜斜墻/心墻壩數量最少，而近50%的壩型為瀝青混凝土心墻壩；東疆僅有吐魯番和哈密兩個地州且面積不大，建壩數量較南北疆少，其中以均質土壩為主，瀝青混凝土心墻壩次之。通過以上分析可知，瀝青混凝土心墻壩在新疆運用最多。

表1 各土石壩優缺點及適用條件

圖5 全疆山區水庫按壩型

2 土石壩建設運行存在的主要問題

新疆地域遼闊，工程建設條件極其復雜，具有高嚴寒、高海拔、高地震、深覆蓋層、多泥沙以及少水文資料的特點。河床覆蓋層厚，砂礫石豐富。因此，新疆早期建設大壩基本都為土石壩，至今仍然還有大量修建于早期的土石壩在“帶病運行”，新疆土石壩建設運行主要存在洪水漫壩、邊坡坍塌及壩基防滲等諸多問題，如圖6所示。

圖6 土石壩建設主要問題匯總圖

2.1 洪水與漫壩問題

相關數據資料表明，我國在1954—2019年之間潰壩數量高達3451座，九成以上是土石壩，而全國所有省份、自治區、直轄市中新疆的潰壩率位居前三。經過研究不難發現，洪水漫壩是造成水庫潰決的主要原因[13]。我國大多數小型水庫土石壩建設年代久遠，普遍存在淤積嚴重，壩體強度低、抵御洪水能力低等特點。再加上氣候環境的變化，夏季融雪型洪水頻發，再與暴雨型洪水疊加，對土石壩是極大的考驗[14]。據不完全統計，新疆在1958年到2002年之間僅因洪水漫頂決堤的水庫就有34座，占所有潰壩總數的21.7%[15]。因此洪水與漫頂問題為新疆土石壩建設運行中的突出問題之一。2018年7月31日哈密沁城區遭遇強降雨，射月溝水庫校核洪水位300年一遇，而實測遭遇10000年一遇洪水，最終發生潰壩，造成人員死亡以及房屋、農業生產、水利設施等災害損失，如圖7所示。

圖7 哈密射月溝水庫潰壩

2.2 岸坡高邊坡與垮塌問題

通過對我國土石壩邊坡穩定性遭受破壞的實際案例進行分析可以得知，水庫岸坡通常以剪切破壞為主，當土體內部剪應力達到或大于抗剪強度時，將會導致庫岸垮塌問題，滑移面一般為圓弧形或圓弧與夾層泥的組合，也被稱之為滑坡。在實際工程應用中，水庫邊坡的滑動力和抗滑力是影響邊坡穩定性的重要因素，兩者具有明顯的關聯性，而其主要受到破體質量、材料性質及含水量等諸多因素的影響[16]。例如恰克馬克河T水庫邊坡開挖后，因未及時支護造成開挖邊坡出現垮塌，影響進水口的安全，造成工期一定程度延誤。N水庫邊坡坍岸，水庫在二期蓄水階段，隨著蓄水位的抬升，庫區兩岸巨厚粉土由干燥狀態轉為飽和狀態，加上沖刷及淘蝕作用，兩岸巨厚粉土發生變形并不斷滑塌，對庫區水下及水上地形的測量，表明滑塌總淤積量達1872萬m3，設計死庫容基本全部淤損，影響了水庫效益發揮，水庫岸坡坍塌如圖8所示。目前水庫采用低水位、間歇式沖沙進行沖淤處理。這主要還是因為部分水庫在建設中普遍存在對庫岸高邊坡勘測設計、施工重視程度不夠等問題。

圖8 N水庫邊坡坍塌

2.3 地基與防滲問題

土石壩在水庫蓄水后，無論是壩基、壩身還是壩肩，都會承受不同程度的水壓力，因國內土石壩因水壓力作用發生滲透變形導致水庫失事的約占31.7%[17]。由于新疆特殊的地形地質條件，河谷深切，覆蓋層深厚，部分地方有軟弱夾層，透水性強，建設施工難度大且施工地點有時為高寒地區，使得土石壩地基的防滲處理難度很大，土石壩地基與防滲問題為新疆土石壩建設運行突出問題之一。如N水庫在初期蓄水過程中，滲壓計顯示大壩繞壩滲流隨庫水位的上升相繼出現滲壓水頭，當庫水位蓄至2472.8m高程時，壩后坡腳出現滲流。2020年6月，水庫水位2470m，滲水量達181L/s。水庫下游滲水情況如圖9所示。

圖9 N水庫壩腳滲水

2.4 結構與破壞問題

混凝土面板堆石/砂礫石壩因其抗震性能好、適應地基變形能力強，在地震多發地帶的應用極為廣泛，全疆已建百米級的混凝土面板壩10座，在建的3座[18]。高面板壩變形控制問題直接關系到面板防滲系統的安全，實踐中壩體變形量過大或變形不協調等容易導致面板裂縫，成為土石壩建設運行中的突出問題之一。例如BK水庫面板堆石壩壩高63m，由于填筑質量控制未完全到位，運行后墊層料局部產生流失，造成面板整體斷裂、壩后滲水嚴重，同時壩體變形較大造成壩頂防浪墻開裂、壩后坡局部隆起；MHY水庫(瀝青心墻壩，壩高69m)蓄水后，由于壩肩兩側繞滲，造成大壩局部產生變形破壞，如圖10所示；壩高147m的JK面板堆石壩面板出現裂縫，2020年10月18日查明大壩25#—27#面板下部、高程686～688.7m附近存在錯臺和破損裂縫(最大錯臺35cm、張開15cm)，27#面板為明顯吸入區，18#面板裂縫分布密集，主要為高程700m以下，且大部分延伸至水下，19#面板近面板縫破損部位隆起，下部有空腔現象。

圖10 MHY水庫墻體拉裂及護坡隆起

實踐表明：混凝土面板產生大的裂縫主要原因不是混凝土不密實，而是由于大壩的不均勻變形過大導致的，提高抗滲、抗凍、強度等級也不能從根本上解決問題。根據面板裂縫的類型及成因，可將其分為三類[19]。一是填筑質量不到位致使墊層料流失，造成面板破裂；二是由于防滲措施不到位，造成壩體兩側繞滲，致使面板產生局部變形破環；三是由于壩體分區填筑，先填筑的壩體相較于后填筑的壩體后期沉降量小，故產生了較大的沉降差異致使面板產生了錯臺和破損裂縫。

2.5 泄水與安全問題

關于土石壩泄水與安全方面的突出問題主要有兩點。一是因受當時經濟條件和建筑材料局限，大部分泄水建筑物砌體結構的砂漿都是由黃泥、石灰、水泥混合成的漿料，其強度、耐磨性、抗腐蝕性等均較低[20]，從而造成了泄水建筑物裂縫、磨損等問題。如新疆W水庫為Ⅲ等中型工程，泄水建筑物由溢洪洞、泄洪沖沙兼導流洞組成。水庫工程自截流以來，由于一直未下閘蓄水，深孔泄洪沖砂洞長期處于導流狀態，已經歷8個汛期，混凝土長期受泥沙磨蝕，建筑物過流面破壞，如圖11所示。2014年以來，建設單位對深孔泄洪沖沙洞進行較大規模的修補共有3次。N水庫為中型水庫，2019年11月對導流兼泄洪沖沙洞檢修時發現，導流兼泄洪沖沙洞有壓洞洞身段洞內混凝土襯砌段底拱磨損嚴重，部分鋼筋外露，甚至受力筋被磨斷，如圖12所示。二是由于當時設計不夠完善，現行管理調度分配不夠合理，且大多數都已是超期服役造成的局部沖刷破壞問題。S水庫主壩段為重力壩(泄水壩段)與土石壩組合，由于超限蓄水，遭遇強降雨時緊急下泄超量洪水，造成了下游擋墻局部沖刷破壞。

圖11 W水庫深孔沖沙泄洪洞磨蝕破壞

圖12 N水庫底孔泄洪洞磨蝕破壞

2.6 生態與保護問題

綠水青山就是金山銀山，目前生態保護已提到了相當的高度，水利工程建設也不例外，在合理布置擋水壩、溢洪洞/道、放空洞等建筑物時均需考慮設置集魚設施，保護魚類多樣性。但目前多數水利工程沒有充分地處理好二者之間的關系，對下游集魚設施干擾較大[21]。水利工程規模大，修建過程中難免會有大面積開挖及棄料的堆積問題，這將會導致原有的植被破壞，進而導致水土流失，嚴重影響水庫區域的生態環境。水庫上游兩岸邊坡一般都會人工種植植被以加固其穩定性，而下游邊坡不影響工程安全，通常被忽略。據統計，全疆每年的除險加固水庫中，就有1.5×108m2的下游壩坡植被遭到破壞，水土流失嚴重，土質松散裸露，在降雨天氣時極易造成沖刷導致泥石流。

2.7 設計與變更問題

水庫大壩的建設地點大都遠離城市，深居溝壑山谷之間，極為偏僻，這就對勘測現場帶來了極大的挑戰，加之規劃設計精度不足而未能結合實際情況合理規劃，導致工程規劃效率和質量不高。在實際工程建設中，因前期地勘工作不扎實，未能對地下水或巖層穩定性作出準確的判斷，都會直接影響工程建設質量[22]。在水庫后期運行中，因當時的技術條件限制，監測設計系統也不夠完善，起不到監測大壩安全運行的作用[23]。

隨著技術的發展，建設模式也發生了變化，由業主負責制到EPC、PMC、PPP、代建制、特許經營等；資金投入渠道也多元化，由政府投入到政府和社會資本(私營、民營等)投入多元化；審查體制也發生了變化，由政府專業部門主導審查到購買服務(政府委托社會機構評審)。這一系列的變化也產生了未批先建、設計漏項、批了未建等一系列問題。現代水利工程建設模式多元化不同方式中原建設管理單位的作用與建設資金的適用如何對待，一般代建費用和項目管理費用不得超過建設管理費，實際執行中怎么確定，是否能控制住，還有待進一步完善解決。

3 土石壩突出問題的對策

3.1 提高筑壩標準，增大超泄能力

新疆山區河流少缺少水文資料，土石壩設計洪水標準的準確確定存在很大難度，且小型土石壩防洪庫容有限，洪水調節能力差。再者小型土石壩筑壩材料主要由砂礫石和石渣組成填筑標準較低，抗沖能力較弱。因此，在遭遇超標準洪水時，土石壩極易發生漫壩，很容易因水流沖刷導致潰壩。在不大幅增加建設成本的條件下，為了保障下游人民生命財產安全，作者等[24]提出了“漫而不潰”理念，為超標準洪水條件下土石壩應急搶險爭取時間。土石壩傳統的布置由擋水壩、泄洪表孔和防水底孔三大構件組成，為了抵御超標準洪水，可采取以下3種措施：一是溢洪道加寬方案，根據壩址處地形地質條件適當加寬溢洪道，在條件允許的情況下盡可能的使用超泄能力強的正堰溢洪道；二是增加泄洪底孔方案，目前大多數工程中的泄洪底孔“一孔多用”，而未真正發揮其泄洪功能，因此可考慮增設泄洪底孔承擔部分泄量；三是壩體承擔泄流方案，根據土石圍堰臨時過水斷面實踐和堰塞壩過水潰決過程的觀測，砂礫石或堆石填筑的壩體在洪水漫頂時，潰口的發展具有一定的過程，大壩潰決是隨著潰口逐步發展擴大直至最后潰壩的，有一定的時間過程。如射月溝水庫在抵御超標準洪水時壩頂過流約1h，壩體基本完好，僅在水庫左側發生破壞；榆樹溝水庫在壩體上增設溢洪道，實踐證明運行良好，做到“漫壩不潰壩”。而對于山區小型土石壩，其洪峰過程通常是較短的，若對壩體進行加固，使其能夠抵御洪水過程的沖刷，延緩潰口發展，從而為應急搶險留出時間，甚至保障大壩安全，則從設計上可考慮壩體斷面過流實現“漫而不潰”設計功能目標。

3.2 庫外攔沙，庫內排沙

水庫泥沙淤積問題是水利工程建設高度關注的重點問題，也有不少學者作出了大量的研究論證，目前應用最廣泛的是庫外攔沙、多排出庫和機械排沙3種方式。一是庫外攔沙，利用攔門沙、攔泥壩等措施盡可能的將泥沙攔截在庫外，并應增加上游植被覆蓋率，防風固沙，從源頭治理水庫泥沙淤積問題。二是多排出庫，主要包括蓄清排渾、泄降沖沙、泄空沖沙、異重流排沙、調水調沙、管道排沙、高水位排沙輸沙等。根據水庫蓄水情況、水流流態以及發電灌溉要求等，靈活應用不同的排沙方式。利用排沙洞高流速階段性沖沙，對于大型河道水庫，蓄清排渾是長期保持庫容的有效方法。三是機械排沙，機械排沙是利用吸、抽、挖的辦法，將庫中淤積的泥沙排出庫外。目前，應用最廣泛的是挖泥船作業，自吸式輸沙管道技術最可行，但造價較高，并未大面積使用[25]。

3.3 墻幕結合，一墻到底

心墻壩多采用兩岸心墻混凝土基座范圍內進行固結灌漿及帷幕灌漿，河床覆蓋層設一道混凝土防滲墻防滲；面板壩基本與心墻壩相同，趾板與防滲墻之間加設連接板。N水庫在初期蓄水過程中，滲壓計顯示大壩繞壩滲流隨庫水位的上升相繼出現滲壓水頭。當庫水位蓄至2472.8m高程時，壩后坡腳出現滲流，遂將水位緩慢降低至2470.0m左右，繼續加強觀測，采取左岸及壩后增設測壓管，壩后增設排水溝及簡易量水堰等措施，目前綜合多種滲漏檢測手段查找滲漏原因，正在采用帷幕灌漿處理。大西溝水庫在大壩基礎處理灌漿后發現透水率大于灌漿前，巖石聲波探測儀顯示波速有所下降。因此，該工程的固結灌漿和帷幕灌漿均不符合設計要求。主要原因是壩基巖體裂隙較為發育，無完整的壩基巖體，建壩地質條件較差；壩基壓力水溫度較低，約為6℃；河床段壩基有硫化氫氣體出逸，基巖裂縫較多，容易構成滲漏通道；前期灌漿壓力過大，可能導致巖體破碎程度加劇，地下水涌水量增加。通過大量工程實踐表明，快硬硫酸鹽水泥具有短時間內凝結的能力，可用于此類工程中解決基礎處理的難題。

3.4 嚴控筑壩質量，新型材料補縫

新疆多數面板堆石/砂礫石壩都研究過鋼筋混凝土面板、預應力面板、分離式面板的裂縫防治問題，研究探討了多種措施，取得了一定成果。當前普遍采用聚氨酯或聚脲涂層進行涂刷處理，但也存在“看不見”的爭議。JK大壩為搶發電工期，擅自提高蓄水水位，預埋件連接不牢固，未按設計要求進行加固處理，發生封堵閘門擊穿事故。B水庫導流洞出口擋墻寬12.5m，高13m，采用鋼筋混凝土結構。原設計中擋墻與巖石開挖面緊密結合，因開挖造成擋墻邊墻與開挖面造成較大空隙，應采用混凝土回填，但因采用石渣快速回填造成擋墻傾覆斷裂。M水庫為小(1)型水庫，鑒于當時百米級覆蓋層處理難度較大，采用面板砂礫石壩與庫盤土工膜防滲組合方案，入庫采用分級跌水，經查證未見同類布置形式。原設計為20cm混凝土板，初期過水超過145m3/s時入庫陡坡產生結構破壞，后改用50cm現澆混凝土修復后，運行良好。

3.5 生態護坡，魚類保護

魚類保護措施主要有魚類增殖放流，最常用的過魚設施包括仿真魚道、魚梯、升魚機(斜坡式、垂直式、纜機式)、集運魚船，運魚車等，也可根據實際情況采取一次性捕撈過壩的方式，但更重要的是建立水庫魚類生態保護制度。與此同時，水庫上下游岸坡的生態保護也是不容忽視的，目前邊坡生態恢復技術因綜合效益最佳應用較為廣泛，改善岸坡的生態環境不僅是大政方針要求，而且也可以在最大程度上減少水土流失，降低庫岸坍塌的風險隱患。以和田地區喀拉喀什河上的國家4A級烏魯瓦提風景區為例，努力打造了景區、水庫相融合的水利文化旅游新格局。

4 結語

(1)針對新疆夏季暴雨頻發、洪水漫壩的問題，應嚴格控制壩體填筑施工質量，并因地制宜的采取“溢洪道加寬、增加泄洪底孔及壩頂泄流”等“漫而不潰”的設計理念保障大壩安全,可在一定程度上減少超標準洪水造成的危害。

(2)新疆中小河流中泥沙含量普遍較高，水庫泥沙淤積給防洪造成了極大的壓力，首先應在上游采取攔沙設施減少泥沙入庫，其次再采取多排出庫或機械排沙方式清淤。

(3)在新疆“高、深、軟、透、難”的獨特筑壩條件下，防滲問題顯得至關重要，建議采取“墻幕結合”的防滲形式，并重點關注心墻或面板與壩基的連接處理，必要時可加強止水設計。

(4)針對面板裂縫問題，應嚴格控制壩體填筑指標，保障壩體施工質量，避免壩體不均勻沉降導致面板脫空斷裂，繼續研究開發新型高分子材料填補裂縫。

(5)水庫生態環境治理已成為當下乃至今后的一項重點任務，應充分利用邊坡生態修復技術改善岸坡景觀，通過形式多樣的過魚設施進行魚類人工增殖放流，打造一個完整的生態環境系統。