土石坝工程’2002年第2期
水库土石坝滑坡事故经验教训综述
牛运光
(水利部建设与管理总站)
1．概述
土石坝滑坡是土石坝主要事故之一，它不仅使工程遭受重大损失，甚至造成溃坝失事，危及人民生命财产的安全。为此，长期以来，很多科技工作者对防止和加固土石坝滑坡进行了大量调查研究分析工作，取得了一定的成果。
至2000年，我国已建各类水库8.5万余座，总库容达5180余亿m。连同其它水利工程的建成，在防洪、灌溉、发电、航运、供水和水产养殖等方面都发挥了巨大的效益。但是，由于这些水库，多是在“大跃进”和十年动乱期间建成的，当时缺乏经验，造成水库防洪标准低，工程质量差，有些土石坝发生了滑坡事故，甚至造成垮坝失事。截止到1980年统计，因滑坡而导致垮坝的有130座，占垮坝总数的4.37%，占全部已建成水库土石坝的0.15%；1981～1990年统计，由于滑坡而垮坝的有13座，占这10年垮坝总数的5%；到1990年止，由于滑坡导致垮坝的总共143座，占垮坝总数4.40%，占全部已建成水库土石坝的0.17%。又据统计，26个省、直辖市、自治区的241座大型水库先后发生过1000次工程事故，但没有引起垮坝后果，经过修复，继续投入运行，其中导致土石坝滑坡事故的占5.3%。提高我国水库土石坝工程的科研、设计、施工和运行管理水平，防止土石坝滑坡事故，是当前水利工作者的重要任务之一。
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2．滑坡事故的分析
为总结我国土石坝滑坡失事的经验教训，提高土石坝设计、施工和运行管理水平，对各类工程事故进行分析是很必要的。根据滑坡垮坝资料分析，得出如下初步结论。 2.1 按库容大小分析
在143座水库土石坝滑坡垮坝失事中，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(一)型有27座，占19.0%；小(二)型有110座，占76.9%；情况不明的5座占3.4%。由此可见，土石坝垮坝的绝大多数是小型水库，这主要是小型水库在设计、施工和运行管理中都存在一些问题造成的。 2.2 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%；其它情况不明的6座占4.3%。这是因为均质坝施工较简便，易为群众所接受，我国土石坝中，以均质土石坝所占的比重最大。均质坝蓄水后，坝体内浸润线较高，库水位骤降和雨水入浸，坝体排除渗水较差，土体内孔隙水压力增大等因素有关。据J.sherard对美国西北部65座均质坝统计，发生过滑坡的有14座，占21.5%。为此，均质坝的坝坡稳定，应引起充分重视。 2.3 按坝高分析
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坝高大于15m的滑坡垮坝共68座，占滑坡垮坝总数的48.2%，坝高小于15m的滑坡垮坝共73座，占51.8%，另有2座坝高不明。这与整个垮坝失事的坝高比例基本一致。 2.4 按运用年限分析
从福建省调查的14座水库土石坝出现滑坡，多发生在投入运行后的最初几年。投入运行前6年内，土石坝发生滑坡的有12座，其中3年内发生滑坡的有6座；运行10年左右发生滑坡的只有2座。从全国的一些资料来看，滑坡事故也都发生在运用初期。据国外的统计资料，运行期发生滑坡70%是发生在前10年，其各年分布情况见表1。
表1 运行期滑坡发生年限分布表 建成后年限(a) 占总滑坡数(%) 0～1 29 1～5 24 5～10 12 10～20 12 20～30 12 30～40 11 40～50 0 50～60 0 从表1看出，土石坝滑坡主要在前5年，随着年限的延长，滑坡事故也逐渐减少。这说明，随着时间的推移，土石坝固结度在增加，抗剪强度也会加大，因而坝坡的稳定性也在逐渐提高。为此，要特别重视土石坝运用初期的有关规定，并加强检查观测和养护修理工作。
3．滑坡的原因
土石坝滑坡的原因是多方面的，往往是多种因素的组合。一般来讲，占主导地位的是坝体内部原因，再加上外部的自然因素或运用管理不当的人为因素，因而促成滑坡。滑坡的原因，概括起来，有以下几个方面。 3.1 勘测设计方面
(1)筑坝土料粒径组成的选定
土的颗粒组成是影响土的力学性质的主要因素。选用级配良好的土料，可获得较高密实度和低透水性。J.L.sherard对美国西北部65座碾压均质坝的土料颗粒组成进行统计分析表明：由平均粒径为D50=0.002～2.0mm的土料填筑的所有65座土石坝中，平均粒径D50＜0.006m的6座坝全部发生了滑坡；D50=0.006～0.02mm的11座中有5座发生了滑坡；D50=0.02～0.06mm的23座土坝中，只有3座发生了滑坡；D50＞0.06mm的25座土石坝中没有1座发生滑坡。山西省文峪河水库土石坝和江西省七一水库土石坝土料平均粒径D50=0.03和D50=0.04，均在上述滑坡范围以内。据山西省水科所对77座水中填土坝进行统计分析，其中滑坡的48座土石坝中有36座粘粒含量为10%～27%，粉粒含量为52%～68%，砂粒含量为13%～30%的范围内。粘粒含量小于10%，砂粒含量大于40%，粉粒含量小于45%的滑坡很少。这也说明选用的筑坝土料颗粒组成对土石坝滑坡产生重要影响。北京市密云水库白河主坝迎水坡粘土斜墙保护层砂砾料实际上缺少1～5mm中间粒径的均匀卵石和中细砂的混合料，且粗粒含量都小于或等于60%。因此，粗粒不能形成骨架，而细料又很均匀，这种土料属于液化土料，其相对紧密度D1=0.6左右，如在地震力的持续作用下，使保护层砂砾料总应力抗剪强度急剧下降，最终导致保护层水下部分滑坡。地震后，复核坝坡稳定加速度计算，坝坡稳定安全系数只有0.75。但这样说，不等于这些土料就不能筑坝，只要正确的设计、施工和管理运行，用这种土料填筑的土石坝是可以安全可靠的。如山西省太仙河水库所用土料粘粒含量在19.6～25.8%、粉粒含量在53.8%～60.9%、砂粒含量在13.5%～23.5%，在上
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述36座土石坝滑坡范围以内，但由于工程采取了一系列的措施，也成功地建成了坝高47m的水坠坝。
此外，还有一些中小型水库土石坝坝基有淤泥层或压缩性土层，或坝脚附近有渊塘，而在勘测时又没有查清，或虽经查明，但在设计时没有提出必要的处理措施，以致土层承载力不够，筑坝后产生剪切破坏，引起滑坡。如福建省廷洋水库土石坝在1972年加高扩建中，上游面增设粘土斜墙，但坡脚有深塘，未加处理，被迫将大坝坡度改陡至1:2。
(2)土石坝断面和结构的选定
合理的坝体断面和结构是保护土石坝稳定的基本条件。根据统计分析和典型实例，主要存在问题如下。
①未能设置质量可靠的防渗和排水设施。从导致坝体浸润线过高和坝坡大面积渗漏，以致渗透压力过大，增加了滑动力，致使坝体滑坡，属于这种情况的47座，占已查明滑坡原因的107座水库土石坝总滑坡数的43%。
②由于坝坡过陡而滑坡。在已查明滑坡原因的107座水库土石坝中，由于坝坡过陡而滑坡的15座，约占14%。如江西背头山和樟树墩土石坝和广西渌肥土石坝坝坡只有1:1，浙江愚溪土石坝坝坡只有1:0.8。福建调查的14座土石坝，上游坡坡度一般为1:2.5，最缓的坡度不到1:3，最陡的只有1:1.9。下游坡坡度一般为1:2左右，最缓的1:2.5，最陡的只有1:1.6，上游下游坝坡均偏陡，稳定安全系数小。山东狼猫山水库土石坝背水坡只有1:1.8，湖北丹江口大坝的左岸土石坝副坝坝高达56m，其下游坡的最陡处达1:1.75～1:2，再加上施工质量差，暴雨集中，促使了滑坡。坝坡过陡的原因：一是在设计中对坝体稳定分析所选择的计算指标偏高，以致设计坝坡陡于坝体稳定坝坡。湖南流光岭水库土石坝，于1960年兴建，在施工期间的1968年上游坡发生滑坡，清除滑坡体，重新回填。1975年又在上游坡滑坡，采用放缓坝坡堆石压脚处理。在处理中，曾先后两次对土石坝做了坝坡稳定复核，采用的有关参数为C =0.026～0.03MPa，φ=16°30′～18°。1979年发生第三次坝体滑坡，从滑坡体中取样试验，C =0.007～0.03MPa，φ=3°30′～9°22′。由于选用的有关参数偏高，使得加固后的坝坡仍然偏陡，稳定安全系数小，促使再次滑坡。二是为了提高水库防洪标准，盲目将土石坝“戴帽”加高，未进行坝坡稳定分析。如山东狼猫山水库土石坝，在河南“75.8”大洪水后，提高水库防洪标准，将大坝“戴帽”加高，致使高程180m以上(坝顶高程192.5m)上下游坡坡度仅1:1.8，滑坡后，经稳定分析，安全系数小于1。
③土石坝防渗体顶高程低于正常蓄水位，当库水位超过防渗墙顶部时，大量库水渗入坝体，使坝体土料饱和，加大了滑动力，减少了抗滑力，导致土石坝下游坡滑坡。如湖北亚沟和山东姜家夼土石坝都是因此而滑坡的。
④土石坝未设置护坡而产生滑坡。如山东冶源水库土石坝上游坡护坡块石未延伸至坝脚，当低水位时，在水流长期淘刷作用下而坍塌，使坝坡下部抗滑体积不断减小，抗滑力不足而产生滑坡；下游均未设置护坡和排水系统，由于暴雨集中，强度大，历时长，排水不及时，使坝坡土体含水量达到饱和，增加土体重量，形成反向渗透压力，降低了抗滑力，加大了土体滑动力，造成滑坡。 3.2 在施工方面
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主要体现在施工质量，它直接影响坝体土料物理力学性质，从而影响土石坝安全。在已查明滑坡原因的107座土石坝中，因施工质量而滑坡垮坝的就有73座，占总垮坝数的68%，比重是很大的，应引起重视。在施工质量方面主要有如下原因。
(1)筑坝土料控制不严
不符合质量要求的土料上坝，湖北的狮子岩水库土石坝为粘土心墙代料坝。坝的上下游坝壳均按代替料设计。代替料物理力学指标设计采用：颗粒比重2.6，干容重1.79t/m，渗透系数2×10，内摩擦角38°。由于坝址处于石灰岩地区，除了坚硬的岩石外，就是粘土，无风化代替料。把粘土心墙清基、两岸山坡开挖结合槽、土场清除表层的粘土、黑色腐植土、淤泥、树皮和草根等，都当作代替料填入，仅就干容重一项，曾取出五组15个试样，测得平均干容重为1.51t/m，平均含水量为24%，说明干容重偏低，含水量偏高，比设计要求的代替料小很多，因而导致滑坡。
(2)碾压质量差
根据统计分析，由于碾压质量差这一原因而垮坝的共有18座，占滑坡垮坝总数的17%。最典型的如广东的三根和罗田、广西的六树、云南的老坝山等水库土石坝基本上都是松土堆成的。湖南流光岭水库土石坝滑坡主要原因之一就是施工质量差。从滑坡体取土料试验，平均干容重仅为1.42g/cm，说明坝体碾压不实。湖南东坑水库土石坝坝体干容重也只有1.4～1.5g/cm，局部坝体填土还小于1.4g/cm，未达到设计要求，导致不均匀沉陷加大，产生裂缝滑坡。福建岭里水库设计上游坝壳土料为中壤土，含水量要求在19%左右，干容重为1.65g/cm。但由于施工未严格控制，以致上游坝壳土料与心墙土料混杂，填土含水量大，碾压不实。现场取样测试，平均含水量达30%，干容重仅为1.48g/cm，个别部位含水量达34%，干容重仅达1.35g/cm，质量合格率只有1%。
(3)施工接缝多，又未进行专门处理
根据统计分析，由于施工接缝多又未专门处理这一原因垮坝的，共计13座，约占滑坡垮坝的总数12%。其突出的实例是湖南达底冲、浙江安朱弄和广东清相洋等水库土石坝。这此土石坝在加高时，未对新老坝面进行妥善处理，当库水位超过加高前坝顶时，库水通过结合面普通渗漏，从而导致滑坡垮坝。又如山东狼猫山水库土石坝于20世纪50年代后期兴建，至70年代中期完成，先后4次加高扩建。坝高由19.5m加高到32.5m，分期施工，坝体结合面上未做认真处理，填土碾压不够密实，造成滑坡。
(4)坝基处理不够彻底，甚至未进行处理
统计分析，由于坝基处理不彻底这一原因滑坡垮坝的水库土石坝共12座，约占滑坡垮坝的总数11%。如甘肃李家嘴和十里庄、湖南达底冲和林家冲、安徽草鞋岭、广东三根及广西六茂等水库土石坝都是基础处理不彻底滑坡垮坝的。特别是李家嘴、十里庄和达底冲水库土石坝直接填筑在未加处理的淤泥和台地上，蓄水后导致滑坡垮坝。
(5)雨季施工，没有采取防雨和措施
在雨季施工时，由于未采取防雨和排水措施，以致表层填土浸水软化，又未加以处理，形成含水量较大的软弱夹层。此外，在冬季施工时，没有采取适当的保温措施，未及时清理冰雪，以致填土中产生冻土层，或者大量冻块土上坝，解冻或蓄水后，库水入渗，将形成软
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