中小型水庫土石壩防漫頂潰決技術體系構建思考

Establishing a technical framework for preventing overtopping failure of earth-rock dams in small and medium-sized reservoirs

李宏恩，王芳，王雪冰，張鑄

（1.南京水利科學研究院，210029，南京；2.水利部水庫大壩安全重點實驗室，210029，南京）

摘要：近年來多起中小型水庫土石壩漫而未潰案例突破了土壩“漫頂即潰”的傳統認知。針對水頭較低、潰壩下游影響較小的中低土石壩，適宜的壩面防護與泄流技術可延緩漫頂潰決過程，在提升大壩防御超標準洪水能力的同時也為下游群眾撤離爭取了寶貴時間。基于近年典型水庫大壩漫頂案例的出險過程特征，從提升中小型水庫土石壩防漫頂潰決能力角度，梳理了在設計洪水計算方法、工程措施技術、應急搶險技術、風險監控與預警等方面的研究進展，提出了亟待突破的關鍵技術難題，包括變化環境下超標準洪水內涵定義、多要素作用下漫頂沖蝕特性與潰決機理、壩面防護新型結構、泄洪能力提升改造、應急搶險技術與裝備等。為構建中小型水庫土石壩防漫頂潰決技術體系，圍繞變化環境下中小型水庫設計洪水計算與洪水標準確定方法、土石壩漫頂潰決模擬與臨界閾值確定方法、土石壩壩面防護新型結構及泄洪能力提升改造技術、土石壩防漫潰應急搶險技術裝備集成與示范等方面提出對策建議，旨在為提升中小型水庫土石壩工程韌性與風險防控能力提供技術支撐。

關鍵詞：漫頂潰壩；洪水計算方法；應急搶險裝備；壩面防護結構；土石壩

作者簡介：李宏恩，正高級工程師，主要從事大壩安全評估與病險診斷方面研究。

基金項目：國家重點研發計劃（2024YFC3210600）；國家自然科學基金項目（U2443231）；中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金項目（Y722003、Y723008）。

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2025.06.005

引言

我國現有各類水庫94877座，中小型水庫占比99%，80%以上建于20世紀50—70年代，土石壩占比91.8%，壩高低于30m的水庫占比超92%，具有中小型水庫多、老舊壩多、土壩多、低壩多的工程稟賦特點。中小型水庫工程建設先天不足、洪水標準偏低、泄洪設施不完備等問題突出，近年來顛覆傳統認知的極端暴雨事件頻發，疊加城鎮化進程加快，打破了水文序列一致性假設，導致變化環境和強人類活動背景下中小型水庫遭遇超標準洪水漫壩風險驟增。在2018—2024年發生的6座水庫潰壩及20余座水庫出險事故中，96%與超標準洪水或強降雨有關，其中30m以下的低壩22座。在2021年河南鄭州“7·20”特大暴雨災害中，郭家嘴水庫漫頂過流7.5h，但所幸漫而未潰。近年多起漫而未潰案例突破了土壩“漫頂即潰”的傳統認知。針對水頭較低、潰壩影響較小的中低壩，適宜的壩面防護與泄流技術可延緩漫頂潰決過程，在提升大壩防御超標準洪水能力的同時也為下游群眾撤離爭取了寶貴時間。因此亟待構建中小型水庫土石壩防漫頂潰決關鍵技術體系，有效提升中小型水庫土石壩應對超標準洪水的工程韌性與應急保障能力，降低漫頂潰壩風險

本文分析了近年來幾例典型極端暴雨洪水導致的水庫大壩工程出險案例，從提升中小型水庫土石壩防漫頂潰決能力角度，梳理了目前在水庫設計洪水計算方法、工程措施技術、應急搶險技術、風險監控與預警等方面取得的進展，提出了中小型水庫防漫頂潰決技術中亟待突破的關鍵難題與瓶頸，最后從變化環境下中小型水庫設計洪水計算與洪水標準確定方法、土石壩漫頂潰決模擬與臨界閾值確定方法、壩面防護新型結構及泄洪能力提升改造技術、土石壩防漫潰應急搶險技術裝備集成與示范等四方面提出建議。

近年土石壩漫頂潰壩出險典型案例

1.2018年8月新疆哈密地區射月溝水庫漫頂潰壩

2018年8月1日，新疆維吾爾自治區射月溝水庫因超標準洪水漫頂潰壩。射月溝水庫總庫容677.90萬m3，為瀝青心墻砂礫石壩，壩高41m，是一座小（1）型水庫。根據事故調查分析，短歷時極端強降雨引發遠超水庫防洪能力的特大洪水，是造成射月溝水庫漫頂潰壩的主要原因。該水庫設計洪水標準為30年一遇，校核洪水標準為300年一遇，洪水標準采用了相關規范規定的下限標準。2018年7月31日射月溝水庫入庫洪峰流量達到1335m3/s，遠超設計標準148.75m3/s，最終導致漫頂潰決。

2.2021年7月內蒙古莫力達瓦旗永安水庫、新發水庫發生漫頂連潰

2021年7月18日，內蒙古自治區永安水庫、新發水庫兩座梯級水庫遭遇暴雨洪水而發生連潰，潰壩前人員全部安全撤離未造成人員傷亡。根據事故調查分析，上游永安水庫按照山區丘陵區小（1）型工程設計，確定設計防洪標準為50年一遇，校核洪水標準為500年一遇；下游新發水庫按照平原濱海中型工程設計，設計洪水標準為50年一遇，校核洪水標準為300年一遇。盡管兩座水庫的防洪標準均符合相關規范規定，但相同洪水不同防洪標準下因洪峰流量增大較大，且下游新發水庫標準低于上游永安水庫，梯級水庫防洪標準相互不協調。事故發生后，參考2021年7月的水文資料，永安水庫校核洪峰流量（500年一遇）已由原設計的362m3/s加大至1100m3/s，洪峰流量增大204%；新發水庫校核洪峰流量（300年一遇）由原設計的722m3/s加大至2349m3/s，洪峰流量增大225%，水庫設計洪水發生了很大的校正變化。水文系列不足和梯級水庫洪水標準不協調是導致兩座水庫發生連潰的重要因素。考慮變化環境和人類活動背景，部分中小型水庫設計洪水可能發生巨大變化，提高高風險中小型水庫防洪標準，在設計洪水復核基礎上采取有針對性處理措施并制定應對超標準洪水應急預案，將有助于降低水庫潰壩風險和減輕災害損失。

3.2021年7月河南鄭州郭家嘴水庫漫壩出險而未潰

2021年7月20日，河南省遭遇歷史罕見特大暴雨，發生嚴重洪澇災害，鄭州市多個國家級氣象觀測站日降雨量突破有氣象記錄以來歷史極值，其中鄭州氣象觀測站最大小時降雨量達201.9mm （2021年7月20日16時—17時），突破我國大陸小時降雨量歷史極值（198.5mm，河南林莊，1975年8月5日）。在強降雨影響和溢洪道堵塞情況下，鄭州市二七區郭家嘴水庫水位迅速上漲并發生漫壩。險情發生后，通過在大壩兩側開挖行洪通道等措施以及經過多方搶險，郭家嘴水庫水位逐漸平穩回落，險情最終解除。在此次出險事件中，水庫大壩在壩頂瀝青路面等因素影響下遭漫頂過流7.5h而未發生潰決，突破了土石壩“漫頂即潰”的傳統認知。

土石壩防漫頂潰決技術研究進展

全球氣候變化背景下，極端天氣發生的頻率和強度明顯增加，為提升土石壩工程防漫頂潰決能力，目前已開展了大量基礎研究及工程應用工作，在水庫設計洪水計算、工程措施技術、應急搶險技術、風險監控與預警等方面已取得一定成果。

1.水庫設計洪水計算方法方面

變化環境下水庫洪水標準的合理確定是保障水庫防洪安全的關鍵。國內外具有代表性的設計洪水計算手冊包括美國《水文學手冊》、英國《洪水估算手冊》和我國《水利水電工程設計洪水計算規范》等。中小型水庫大多位于缺資料小流域地區，利用查算圖表和暴雨資料間接推求設計洪水，受極端暴雨事件頻發和強人類活動造成下墊面劇烈改變影響，暴雨系列代表性不足或產匯流參數顯著變化，導致水庫設計洪水計算不確定性增大且易產生較大偏差。快速城鎮化發展背景下水庫下游保護對象發生顯著變化，設計洪水標準的確定與國家經濟社會發展水平密切相關，經過不斷修訂完善，目前已經形成一整套完整體系，具備較好操作性。然而，變化環境下中小型水庫存在水文數據一致性假設失效、設計洪水計算成果失真、實際洪水標準偏低等突出問題。河南鄭州“7·20”特大暴雨災害事件后，部分區域及時更新了當地暴雨徑流查算圖表相關圖集及參數。在設計暴雨量分析、特大暴雨移用分析、產匯流參數復核、設計洪水成果的地區綜合分析方法等方面均取得初步成果。

2.工程措施技術方面

根據2024年11月印發的《全國病險水庫除險加固實施方案（2025—2027年）》，未來3年仍有近5000座中小型水庫需實施除險加固，重點任務是確保水庫防洪安全，其中土石壩防漫潰主要措施包括壩面防護技術與泄洪能力提升兩方面。在壩面防護技術方面，通過壩坡防護結構、壩坡材料改性及膠結料表層加固等途徑對土石壩壩頂和下游壩坡進行永久防護，以抵抗短時間漫頂洪水的沖刷，成為提升中小型水庫防漫頂潰決能力的一種有效方式；在提升泄洪能力方面，主要措施為加大泄洪設施規模，如擴大原有泄洪設施規模、新建泄洪設施及設置非常溢洪道等，此外國內學者在新堰型研究與提升泄洪設施超泄能力方面開展了相關探索。

3.應急搶險技術方面

出現漫頂險情時，快速采取應急措施避免潰壩或延遲潰壩發生時間對于減輕潰壩帶來的損失尤為重要。土石壩漫壩過程與庫容、壩高、漫頂流量、初始潰口、壩高和筑壩材料等因素均有關，如何在短時間內實現提前預泄、拓挖臨時泄洪通道、壩面應急防護等已成為關注重點。在提前預泄方面，主要結合雨水情預報綜合分析確定應急方案，利用水庫已有泄水建筑物或通過臨時增加抽排水設施實現提前泄水，最大限度騰出防洪庫容；在拓挖臨時泄洪通道方面，借助有利地形開挖應急泄洪通道以分流入庫洪水，已成為近年來多座水庫面對超標準洪水時保壩成功所采用的主要措施；在壩面應急防護方面，相較傳統土料子壩、土袋子壩等傳統應急加高措施，防洪管袋式子堤、魚鰭式應急防洪屏、組合式防洪墻、吸水膨脹袋等新技術、新結構、新材料的研發為大壩應急加高提供了更多選擇。

4.風險監控與預警方面

提前對洪水進行精準預報是降低土石壩漫潰風險的重要支撐，在洪水災害仿真模擬、監測預報、風險調控等方面均取得了初步進展。針對洪水災害過程模擬，研發了流域尺度水文水動力數值模擬技術、城市雨洪過程數值模擬技術、基于深度學習和水動力模型的洪水演進快速模擬方法等；針對洪水災害監測預報，研發了山洪災害多階段遞進式預警技術、考慮下墊面條件的綜合監測評估技術、全球及區域尺度大氣-陸面耦合預報模式等；針對洪水災害風險調控，研發了水旱災害風險分析技術、水庫聯合調度模型、防洪排澇實時調度技術等；在強化雨水情監測預報“三道防線”建設關鍵技術、水旱災害“四預”（預報、預警、預演、預案）關鍵模型等研發方面，現有研究重點在于充分利用衛星、雷達、遙感等現代監測手段，著力解決當前洪水預見期較短、預報精度不夠高以及重大水旱災害風險防線外推能力不夠強等突出問題。

中小型水庫土石壩防漫頂潰決技術難題

目前中小型水庫土石壩防漫潰技術雖已取得一定成果，但在超標準洪水內涵定義、漫頂沖蝕特性與潰決機理、壩面防護新型結構、防洪能力提升改造、應急搶險技術與裝備等方面尚存以下突出難題亟待解決。

1.變化環境下超標準洪水內涵定義亟待明確

近年來我國氣候情勢復雜多變，水旱災害突發性、異常性、不確定性突出，多發重發態勢加強，尤其是局地極端暴雨洪水頻率和強度顯著增加，突破水文氣象極值的特大暴雨事件頻發強發。然而氣候變化背景下，疊加流域土地利用變化、城市化進程加快和水土保持措施實施等人類活動的影響，水文過程及洪水形成機制發生改變，同時超標準洪水的內涵定義尚不明確，這都增加了判別超標準洪水的難度。在明確超標準洪水內涵定義基礎上，如何合理分析現行水庫洪水標準體系的適應性和指標合理性是保障超標準洪水下庫壩運行安全的重要基礎。

2.多要素作用下土石壩漫頂潰決機理有待揭示

漫頂洪水沖蝕作用下，土石壩沖蝕過程與壩面防護型式、漫壩水流特征、壩面抗沖蝕特性、壩體填筑料物理力學特性等密切相關，如何在合理反映邊界條件下揭示土石壩漫頂沖蝕特性與潰決機理，有效識別壩體潰決臨界閾值與關鍵物理量指標變化特征等難題亟待解決。目前土石壩漫頂沖蝕模型對壩料特性與防護結構差異考慮不足，且缺乏考慮流固耦合和強非恒定流沖蝕特性的土石壩漫頂潰決數值模擬方法，如何開展漫頂洪水—防護結構—筑壩材料相互作用下的土石壩漫頂沖蝕與潰壩機理研究是一難點。

3.中低土石壩壩面防護新型結構體系尚未構建

壩面抗沖蝕防護能夠有效提升中低土石壩應對漫頂洪水能力。中低土石壩漫而不潰或漫而緩潰設計理念突破了傳統認知，原有土壩設計理論嚴格防止漫頂，導致專門的漫頂防護結構稀缺，直接套用工程邊坡治理領域的混凝土護面、預制塊、固化劑、土工材料等傳統護坡型式，存在漫壩水流水力沖蝕特性考慮不足、綜合效能單一、景觀融合性差等問題，尤其是漫頂水流作用下壩頂、坡面沖刷集中區及壩腳等部位的沖蝕特征顯著不同導致防護要求各異，相關研究短板造成防漫潰結構設計一直缺少合理依據，考慮漫頂水流特征開展防漫潰結構研發的需求迫切。

4.中小型水庫泄洪能力提升技術有待研發

提升現有壩體的泄洪能力是增強已建工程防洪體系效能的關鍵措施之一。通過新堰型設計應用及臨時泄洪設施，可以有效提升水庫的超標準洪水泄洪能力。此類技術在國內外已有廣泛的應用實例。然而，由于新型結構所涉及的幾何參數和水力特性極為復雜，其流態易受紊流邊界層分離、空化空蝕等現象的影響，其泄洪能力的提升效果難以精確評估。因此，針對水庫的除險加固、運行環境的動態變化以及汛期前的預置防護等不同應用場景，如何科學地進行泄洪能力提升仍亟待深入探究。

5.漫頂應急防護及快速成槽泄流技術與裝備亟待研發

漫頂搶險窗口期稍縱即逝，且存在暴雨持續、通信中斷、交通受阻、壩面過流等惡劣條件。依賴人工在壩面鋪設土工布、彩條布等簡易防護措施，效率低、定位差且抗沖蝕能力明顯不足；臨時泄洪通道拓挖多采用挖機單點開挖，效率不高且無法涉水施工，還存在設備噸位大、上壩困難等問題，特別是臨時泄洪通道過流斷面防護施工專業性強，稍有不慎極易導致水流沖蝕，引發邊坡垮塌危及大壩安全。因此研發中小型土石壩漫頂應急防護及快速成槽泄流技術與裝備，是構建中小型水庫土石壩防漫頂潰決技術體系亟待突破的技術裝備瓶頸。

構建中小型水庫土石壩防漫頂潰決技術體系的對策建議

綜上所述，目前在提升土石壩防漫頂潰決能力方面雖已取得一定成效，但在基礎研究、技術研發、裝備試制等方面仍存在突出難題亟待解決。建議從以下四方面加強研究，加快構建中小型水庫土石壩防漫頂潰決技術體系。

1.變化環境下中小型水庫設計洪水計算與洪水標準確定方法

針對變化環境下中小型水庫洪水非一致性的問題，明晰超標準洪水多發區暴雨洪水要素的時空演化規律，提出非一致性條件下中小型水庫設計洪水計算方法。研發強人類活動作用下考慮水庫下墊面變化的產匯流模型，提出缺資料流域中小型水庫設計洪水推求方法。明確變化環境下中小型水庫洪水標準，形成適應水文非一致性的設計洪水計算方法技術體系，編制變化環境下中小型水庫設計洪水計算指南，建立和完善中小型水庫土石壩漫頂潰決洪水計算理論體系。

2.土石壩漫頂潰決模擬與臨界閾值確定方法

揭示不同區域中低土石壩筑壩材料漫頂沖蝕特性的關鍵影響因素，明確不同筑壩材料及不同防護型式、不同水頭下壩坡的抗沖蝕性能，解析漫頂水流作用下的壩體潰決過程。構建多場景土石壩漫頂潰決數值模型，開發用于土石壩漫頂潰決模擬的高效數值分析軟件，為中低土石壩的安全評估、防護加固設計提供科學依據和技術支撐。

3.土石壩壩面防護新型結構及泄洪能力提升改造技術

針對壩體抵御超標準洪水能力提升與泄洪能力提升兩方面需求，研發設計土石壩壩面防護新型結構，研發漫而不潰一體化空間自鎖塊防護結構、漫而不潰復合生態防護結構、漫而緩潰多層卷材型防護結構。提出土石壩泄洪能力提升改造成套技術、設計方法和使用條件，提出不同泄洪設施下中低土石壩泄洪能力提升效果評價方法，突破土石壩漫壩必潰傳統認知，實現中低土石壩漫而不潰或漫而緩潰目標，構建土石壩防漫頂潰決技術體系。

4.土石壩防漫潰應急搶險技術裝備集成與示范

針對中小型水庫土石壩遭遇洪水漫壩險情時惡劣施工條件下的應急搶險快速響應需求，研發中小型水庫土石壩防漫潰應急搶險快速決策系統，實現突發事件下應急搶險方案的快速和智能化制定。研發土石壩防漫潰應急搶險用高韌快硬新材料與施工工藝，研發防漫潰壩面應急防護與快速成槽泄流技術與裝備。

Abstract: In recent years, several instances where small and medium-sized reservoirs with earth-rock dams experienced overtopping without subsequent failure have challenged the traditional notion that “overtopping leads to inevitable breaching”. For earth-rock dams with low water heads and minimal downstream impact, appropriate dam surface protection and discharge technologies can delay the overtopping failure process. This not only enhances the dam’s capacity to withstand floods exceeding standard levels but also provides valuable time for downstream evacuations. Based on the characteristics of recent overtopping incidents in typical reservoir dams, this paper reviews advancements in design flood calculation methods, engineering measures, emergency response technologies, and risk monitoring and early warning systems to improve the overtopping failure resistance of small and medium-sized earth-rock dams. Key technical challenges identified include defining the concept of floods exceeding standard levels in changing environments, understanding overtopping erosion characteristics and failure mechanisms under multiple factors, developing new dam surface protection structures, enhancing flood discharge capacity, and improving emergency response technologies and equipment. To establish a technical framework for preventing overtopping failure in small and medium-sized reservoirs with earth-rock dams, this paper proposes strategies focusing on design flood calculation and standard determination methods in changing environments, simulation of overtopping failure and determination of critical thresholds, development of new dam surface protection structures and technologies to enhance flood discharge capacity, and integration and demonstration of emergency response technologies and equipment. The goal is to provide technical support for enhancing the resilience and risk prevention capabilities of small and medium-sized reservoir earth-rock dam projects.

Keywords: overtopping failure; flood calculation methods; emergency response equipment; dam surface protection structures; earth-rock dam

本文引用格式：

李宏恩，王芳，王雪冰，等.中小型水庫土石壩防漫頂潰決技術體系構建思考[J].中國水利，2025（6）：43-47+52.

封面攝影鄒云夢

責編李盧祎

校對呂彩霞

審核王慧

監制軒瑋

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