对郭家咀水库大坝漫而未溃的思考

董永立

(郑州市水利建筑勘测设计院，河南 郑州 450006)

2021年7月20日，河南郑州遭遇特大暴雨袭击，24h最大降雨量672mm、1h最大降雨量201.9mm、市区尖岗站5d累计降雨量946.0mm，多项降雨数据突破有水文记录以来极值。由于降雨持续时间长、累积雨量大、强降水范围广、强降水时段集中，一些土坝出现险情，特别是位于郑州市区上游的郭家咀水库，一度漫坝，引起举国关注。所幸漫而未溃，研究其原因，希望能给其它工程带来一些启示。郑州“7.20”特大暴雨中，漫坝行洪7h45min，引起举国关注。

1 水库概况

郭家咀水库位于郑州市的金水河上，总库容487万m3，为小(1)型水库，流域面积13.2km2。坝高20m，坝长120m，坝顶宽6.5m。水库建于1958年，2010年进行了除险加固。水库下游有郑州市区、郑西高铁及南水北调中线总干渠等重要设施，防洪位置十分重要。水库特征参数见表1。

2 险情过程

7月19日下午5时到20日24时，水库控制流域内连续降雨31h，上游3个雨量站平均降雨量607.5mm。7月20日21时30分，水库库水位达校核水位，距坝顶不足1m。20日22时，在坝东侧台地上，避开坝肩和启闭塔、放水管，紧急开挖东侧临时泄洪道。21日0时30分，水库漫坝。21日6时，在西侧坝肩开挖第二条泄洪道。8时15分，水位落至坝顶以下。水库漫坝流量-水位过程如图1所示。

表1 郭家咀水库特征参数表

图1 郭家咀水库漫坝流量-水位过程

郭家咀水库坝顶溢流持续7小时45分，漫而未溃，这在土坝史上堪称奇迹。

3 “漫而未溃”的原因分析

3.1 类似于溢流坝面的坝顶“铠甲”结构，有效化解了漫坝水流冲击

一方面，郭家咀水库坝顶未设防浪墙，安全超高由坝体填土加高承担，避免了漫坝洪水翻越防浪墙后，水头跌落冲刷坝顶的风险；另一方面，坝顶上下游路肩处均设置了一道防冲刷混凝土地梁，地梁宽0.5m，深0.8m，与坝顶沥青混凝土路面齐平通长布设，形成了坝顶的刚性“铠甲”结构，起到了溢流坝顶面的效果，有效地防止了漫坝水流淘刷下游坝坡；再就是坝顶上下游对齐布置的0.5m见方且间隔设置的隔离墩，将漫坝水流分散成股状水流，减缓了水流冲击力。

3.2 坝体自身土体有足够强度，维持了漫坝后下游坝面的稳定

一方面，该坝填筑质量较好，并经多年沉积固结，较为密实。土料以黄色-褐黄色中粉质壤土为主，干密度1.56～1.75g/cm3，平均值为1.66g/cm3，压缩系数平均值为0.211MPa-1，坝体室内渗透试验平均渗透系数为4.50×10-5cm/s。密实的坝体，在冲刷后下游局部坝坡几近垂直的情况下，仍能维持稳定。坝体瞬变电磁法检测结果显示，填筑均匀，如图2所示。

图2 瞬变电磁法检测结果

另一方面，上游坝坡铺设了一层膨润土防水毯，平均渗透系数为4.50×10-7cm/s，并与坝顶防冲刷地梁完整连接，有效阻止了水流渗透，未降低坝体土的抗剪指标，也使得下游坝坡冲刷后能够直立状态下保持稳定。

3.3 坝面和坝体的排水系统相对完善，应对了漫坝水流的冲刷

上下游坝面的排水沟进行了汇水的系统组织，特别是上下游坝肩排水沟，由于承担两岸路面汇流，排水沟尺寸加大到宽1.6m，深0.8m，对漫坝水流起到了阻隔外泛的作用，其边墙类似于溢流坝两岸的非溢流坝挡墙，避免了漫坝水流的坝肩边界冲刷拉切。此外，延长了排水棱体范围，相比贴坡排水而言，起到了缓冲固脚的作用。

4 启示

4.1 深入研究土坝“漫而不溃”技术

近年来，气候变化条件下洪水风险呈更加严峻之势，小型水库采用土石坝坝型的运行与溃坝风险较大[1]。一般认为土坝是一种“风险坝型”，相比砌石坝、混凝土坝那种“本质安全坝型”而言，土坝抵御超标准洪水能力极弱。洪水一旦漫过坝顶，一般意味着大坝的溃决。而由于自重较大，坝底垂直应力大，砌石坝、混凝土坝等刚性坝型对坝基承载力要求较高，一般多布置在岩基上。我国的土坝数量巨大，特别是中小型水库的土坝，由于其溃坝后影响巨大，灾难惨重，其防洪安全性越来越受到人们关注，深入研究土坝的“漫而不溃”技术，尤为重要。

漫坝水流对下游所造成的危害往往是毁灭性的，最大漫坝高度发生在坝顶紧靠迎水坡处，且各漫坝指标与静水深度、相对波高、坝前角度、坝顶宽度等控制参数有关[2]。影响土坝溃坝的因素较多，作用机理复杂，不同研究方法的分析结果与实际后果之间均存在较大差异[3]。一般认为，溃坝主要是水流淘刷下游坝坡后，形成溃口，从而向上游及两侧迅速蔓延，横向溃决和垂向溃决随着溃口面积的增大，溃口流量、流速和上、下游水位在最大值与变化趋势上，对瞬时溃坝起着决定作用[4]。因此，要加强下游坡特别是下游坡顶第一道防溃口的设计。一方面，可借鉴郭家咀水库的“铠甲”模型，在土坝外表，增设刚性防冲刷措施，可有效降低溃坝风险。当然，下游坝坡设置防冲“铠甲”的前提条件，仍然是坝体排水畅通，可以在坝脚增强排水棱体，“铠甲”下做好排水反滤等。另一方面，可深入研究“胶结土”技术，通过土料中掺入适量胶结材料后整体筑坝，以达到防冲目的。

4.2 注重坝顶、坝肩、坝面排水

注重坝顶、坝肩、坝面排水，特别要注重两岸汇流排水的系统设置。目前，很多土坝的坝顶没有排水沟，结构上一般多为上游防浪墙，下游路缘石，中间就是坝顶路面。一些山区的小型土坝，基至坝顶为土路面，坝顶排水系统设计标准低且简陋，汛期遇强降雨积水严重，排水不畅。现在来看，很多坝顶宽度与公路部门的高填方路堤相比，很多都是偏窄的。没有足够的坝顶宽度，就无法布置完善的坝顶排水系统，因此，建议可结合坝顶结构设计，对排水系统进行重新构建，结合水库实际情况，从经济合理、满足要求的角度出发，对排水系统初设方案拟定的断面形式、尺寸、排水管径、间距及分段排水等要素，提出优化设计方案[5]。有条件时，要加宽坝顶，参照公路部门做法，设排水沟、硬路肩、土路肩。

4.3 条件允许的地区，加大土坝断面尺寸

土坝大多数建于二十世纪五六十年代，受当时经济条件和人工夯筑工程量所限，断面一般较小，满足坝坡稳定为最低要求。坝坡稳定理论计算受假设的前提条件和实际填筑差异所限，边坡的整体稳定与局部稳定、深层滑动与浅层滑动等会有所不同。浸润线上下分别采取不同饱和状态参数的问题，讨论起来也比较复杂，比如长时间降雨，浸润线以上的土体饱和等，对实际边坡稳定也有影响。因此，建议有条件的地区，特别是对于中低土坝，在增加投资不多、但防洪效益巨大的地区，应结合实际情况，将坝体断面适当加大，增加坝顶宽度，培厚放缓坝坡，以使坝体结构更加安全。

4.4 增设快速泄水建筑物

郭家咀水库放水管为坝下埋管形式，主要功能为灌溉，最大流量仅有4m3/s，对于紧急状况下的放空能力极为有限。并且坝下埋管对土坝产生较大安全隐患，一旦断裂，渗漏通道出口位置前移、渗径变短、水力梯度变大，渗透水流不断带走渗漏通道土体细颗粒导致渗漏通道贯通，恶化涵管轴线区域坝体渗流态势，是导致土坝渗透变形等病害的内在影响因素[6]。随着经济发展和对工程安全度要求提高，研究封堵坝下埋管，并远离大坝范围增设快速泄水建筑物，以避免恶性事故的发生，变得越来越重要[7]。

4.5 进一步提高防洪能力

水库的防洪能力受自身库容影响较大。经过几十年的运行，一些水库的淤积和部分库容被侵占，会影响其防洪能力的发挥。因此，水库清淤、恢复库容尤为重要。特别是位于城市上游、重要基础设施上游的水库，有条件时，也可适当扩容，或在水库上游研究增设梯级防洪工程。重要水库可研究提高防洪标准，增强蓄洪能力，也研究论证合理降低汛限水位，提前腾出调洪库容等，以进一步提升防洪功能。

郭家咀水库原为小(1)型水库，防洪标准为50年一遇设计，1000年一遇校核，建筑物级别为4级。由于该水库位置特别重要，按照GB 50201—2014《防洪标准》，水库建筑物级别可以提高1级，设计洪水标准和校核洪水标准相应提高1级。因此建议按中型水库管理，建筑物级别提高为3级，防洪标准提高为100年一遇设计，2000年一遇校核。

4.6 普及水库应急抢险技术

小型水库抢险实例过程中，发现很多一线水库管理单位，普遍缺乏抢险抢早抢小的意识。一方面是对大坝险情危害认识不足，另一方面是技术力量有限。特别是很多山区的小型水库，地处偏远，村内劳动力普遍外出，水库发生险情后，组织队伍和物资也显得捉襟见肘。

应急抢险，突出一个急字，险情发生后，一线人员第一时间控制险情进一步发展特别重要。在开展抢险工作的时候，需要制订适宜的方案，针对抢险工作开展中可能出现的问题采取针对性措施，避免险情被不断放大而带来潜在的安全风险[8]。因此，建议水利系统的应急抢险也应像医疗系统普及急救知识一样，向广大基层水利工程管理者普及抢险技术。

当然，要充分考虑中小型水库，特别是山区的水库人员和物资匮乏的现实情况。第一时间的抢险方案要原理正确，取材方便，方法简单，成本低、见效快，接地气，便操作。除了常规抢险办法，一些土办法也不失为处理良策。比如海带堵漏洞、干黄豆堵孔口、棉被代替反滤布堵管涌等，这些土办法用于第一时间处理险情，虽然不规范，却是有效的。

4.7 优化水库防洪调度

水库防洪调度的主要任务是确保工程安全，腾出防洪库容，拦蓄洪水，削减洪峰，减免洪水灾害。在汛期，水库要对各类洪水有所安排，尽可能为下游防洪和排涝提供有利条件[9]。为了充分发挥水库的调洪作用，水库管理单位应根据工程现状和调度运用经验，研究确定合理的汛限水位。汛限时段的划分，可采用汛期前半段、后半段或采用汛初、汛中和汛末的分段方法。在汛期各阶段到来之前，应严格按照计划，将库水位降至批准的防洪限制水位。

梯级水库应统一调度，分析各水库、水库区间的不同频率洪水的组合，水库群联合防洪调度的关系和相机错峰的可能性等，也要考虑避免连锁反应的措施[10]。

5 结语

事实证明，通过对土坝进行“铠甲”式结构防护后，可以做到“漫而不溃”，对保护下游人民生命财产安全具有重要意义。“铠甲坝”适用于中低土坝，在坝坡自身稳定的前提下，对上游坝坡、坝顶和下游坝坡全断面硬质防护。要特别重视做好下游坝体排水和坝基排水，应优先考虑采用排水棱体方式，下游坝坡硬质防护与排水棱体应衔接。对于“铠甲坝”技术研究，还有待深入，技术成熟时，可以试点推广应用，会产生极大社会效益和经济效益。