中小型水库土石坝防漫顶溃决技术体系构建思考

中小型水库土石坝防漫顶溃决技术体系构建思考

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，张铸

（1.南京水利科学研究院，210029，南京；2.水利部水库大坝安全重点实验室，210029，南京）

摘要：近年来多起中小型水库土石坝漫而未溃案例突破了土坝“漫顶即溃”的传统认知。针对水头较低、溃坝下游影响较小的中低土石坝，适宜的坝面防护与泄流技术可延缓漫顶溃决过程，在提升大坝防御超标准洪水能力的同时也为下游群众撤离争取了宝贵时间。基于近年典型水库大坝漫顶案例的出险过程特征，从提升中小型水库土石坝防漫顶溃决能力角度，梳理了在设计洪水计算方法、工程措施技术、应急抢险技术、风险监控与预警等方面的研究进展，提出了亟待突破的关键技术难题，包括变化环境下超标准洪水内涵定义、多要素作用下漫顶冲蚀特性与溃决机理、坝面防护新型结构、泄洪能力提升改造、应急抢险技术与装备等。为构建中小型水库土石坝防漫顶溃决技术体系，围绕变化环境下中小型水库设计洪水计算与洪水标准确定方法、土石坝漫顶溃决模拟与临界阈值确定方法、土石坝坝面防护新型结构及泄洪能力提升改造技术、土石坝防漫溃应急抢险技术装备集成与示范等方面提出对策建议，旨在为提升中小型水库土石坝工程韧性与风险防控能力提供技术支撑。

关键词：漫顶溃坝；洪水计算方法；应急抢险装备；坝面防护结构；土石坝

作者简介：李宏恩，正高级工程师，主要从事大坝安全评估与病险诊断方面研究。

基金项目：国家重点研发计划（2024YFC3210600）；国家自然科学基金项目（U2443231）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（Y722003、Y723008）。

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2025.06.005

引言

我国现有各类水库94877座，中小型水库占比99%，80%以上建于20世纪50—70年代，土石坝占比91.8%，坝高低于30m的水库占比超92%，具有中小型水库多、老旧坝多、土坝多、低坝多的工程禀赋特点。中小型水库工程建设先天不足、洪水标准偏低、泄洪设施不完备等问题突出，近年来颠覆传统认知的极端暴雨事件频发，叠加城镇化进程加快，打破了水文序列一致性假设，导致变化环境和强人类活动背景下中小型水库遭遇超标准洪水漫坝风险骤增。在2018—2024年发生的6座水库溃坝及20余座水库出险事故中，96%与超标准洪水或强降雨有关，其中30m以下的低坝22座。在2021年河南郑州“7·20”特大暴雨灾害中，郭家嘴水库漫顶过流7.5h，但所幸漫而未溃。近年多起漫而未溃案例突破了土坝“漫顶即溃”的传统认知。针对水头较低、溃坝影响较小的中低坝，适宜的坝面防护与泄流技术可延缓漫顶溃决过程，在提升大坝防御超标准洪水能力的同时也为下游群众撤离争取了宝贵时间。因此亟待构建中小型水库土石坝防漫顶溃决关键技术体系，有效提升中小型水库土石坝应对超标准洪水的工程韧性与应急保障能力，降低漫顶溃坝风险

本文分析了近年来几例典型极端暴雨洪水导致的水库大坝工程出险案例，从提升中小型水库土石坝防漫顶溃决能力角度，梳理了目前在水库设计洪水计算方法、工程措施技术、应急抢险技术、风险监控与预警等方面取得的进展，提出了中小型水库防漫顶溃决技术中亟待突破的关键难题与瓶颈，最后从变化环境下中小型水库设计洪水计算与洪水标准确定方法、土石坝漫顶溃决模拟与临界阈值确定方法、坝面防护新型结构及泄洪能力提升改造技术、土石坝防漫溃应急抢险技术装备集成与示范等四方面提出建议。

近年土石坝漫顶溃坝出险典型案例

1.2018年8月新疆哈密地区射月沟水库漫顶溃坝

2018年8月1日，新疆维吾尔自治区射月沟水库因超标准洪水漫顶溃坝。射月沟水库总库容677.90万m³，为沥青心墙砂砾石坝，坝高41m，是一座小（1）型水库。根据事故调查分析，短历时极端强降雨引发远超水库防洪能力的特大洪水，是造成射月沟水库漫顶溃坝的主要原因。该水库设计洪水标准为30年一遇，校核洪水标准为300年一遇，洪水标准采用了相关规范规定的下限标准。2018年7月31日射月沟水库入库洪峰流量达到1335m³/s，远超设计标准148.75m³/s，最终导致漫顶溃决。

2.2021年7月内蒙古莫力达瓦旗永安水库、新发水库发生漫顶连溃

2021年7月18日，内蒙古自治区永安水库、新发水库两座梯级水库遭遇暴雨洪水而发生连溃，溃坝前人员全部安全撤离未造成人员伤亡。根据事故调查分析，上游永安水库按照山区丘陵区小（1）型工程设计，确定设计防洪标准为50年一遇，校核洪水标准为500年一遇；下游新发水库按照平原滨海中型工程设计，设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为300年一遇。尽管两座水库的防洪标准均符合相关规范规定，但相同洪水不同防洪标准下因洪峰流量增大较大，且下游新发水库标准低于上游永安水库，梯级水库防洪标准相互不协调。事故发生后，参考2021年7月的水文资料，永安水库校核洪峰流量（500年一遇）已由原设计的362m³/s加大至1100m³/s，洪峰流量增大204%；新发水库校核洪峰流量（300年一遇）由原设计的722m³/s加大至2349m³/s，洪峰流量增大225%，水库设计洪水发生了很大的校正变化。水文系列不足和梯级水库洪水标准不协调是导致两座水库发生连溃的重要因素。考虑变化环境和人类活动背景，部分中小型水库设计洪水可能发生巨大变化，提高高风险中小型水库防洪标准，在设计洪水复核基础上采取有针对性处理措施并制定应对超标准洪水应急预案，将有助于降低水库溃坝风险和减轻灾害损失。

3.2021年7月河南郑州郭家嘴水库漫坝出险而未溃

2021年7月20日，河南省遭遇历史罕见特大暴雨，发生严重洪涝灾害，郑州市多个国家级气象观测站日降雨量突破有气象记录以来历史极值，其中郑州气象观测站最大小时降雨量达201.9mm （2021年7月20日16时—17时），突破我国大陆小时降雨量历史极值（198.5mm，河南林庄，1975年8月5日）。在强降雨影响和溢洪道堵塞情况下，郑州市二七区郭家嘴水库水位迅速上涨并发生漫坝。险情发生后，通过在大坝两侧开挖行洪通道等措施以及经过多方抢险，郭家嘴水库水位逐渐平稳回落，险情最终解除。在此次出险事件中，水库大坝在坝顶沥青路面等因素影响下遭漫顶过流7.5h而未发生溃决，突破了土石坝“漫顶即溃”的传统认知。

土石坝防漫顶溃决技术研究进展

全球气候变化背景下，极端天气发生的频率和强度明显增加，为提升土石坝工程防漫顶溃决能力，目前已开展了大量基础研究及工程应用工作，在水库设计洪水计算、工程措施技术、应急抢险技术、风险监控与预警等方面已取得一定成果。

1.水库设计洪水计算方法方面

变化环境下水库洪水标准的合理确定是保障水库防洪安全的关键。国内外具有代表性的设计洪水计算手册包括美国《水文学手册》、英国《洪水估算手册》和我国《水利水电工程设计洪水计算规范》等。中小型水库大多位于缺资料小流域地区，利用查算图表和暴雨资料间接推求设计洪水，受极端暴雨事件频发和强人类活动造成下垫面剧烈改变影响，暴雨系列代表性不足或产汇流参数显著变化，导致水库设计洪水计算不确定性增大且易产生较大偏差。快速城镇化发展背景下水库下游保护对象发生显著变化，设计洪水标准的确定与国家经济社会发展水平密切相关，经过不断修订完善，目前已经形成一整套完整体系，具备较好操作性。然而，变化环境下中小型水库存在水文数据一致性假设失效、设计洪水计算成果失真、实际洪水标准偏低等突出问题。河南郑州“7·20”特大暴雨灾害事件后，部分区域及时更新了当地暴雨径流查算图表相关图集及参数。在设计暴雨量分析、特大暴雨移用分析、产汇流参数复核、设计洪水成果的地区综合分析方法等方面均取得初步成果。

2.工程措施技术方面

根据2024年11月印发的《全国病险水库除险加固实施方案（2025—2027年）》，未来3年仍有近5000座中小型水库需实施除险加固，重点任务是确保水库防洪安全，其中土石坝防漫溃主要措施包括坝面防护技术与泄洪能力提升两方面。在坝面防护技术方面，通过坝坡防护结构、坝坡材料改性及胶结料表层加固等途径对土石坝坝顶和下游坝坡进行永久防护，以抵抗短时间漫顶洪水的冲刷，成为提升中小型水库防漫顶溃决能力的一种有效方式；在提升泄洪能力方面，主要措施为加大泄洪设施规模，如扩大原有泄洪设施规模、新建泄洪设施及设置非常溢洪道等，此外国内学者在新堰型研究与提升泄洪设施超泄能力方面开展了相关探索。

3.应急抢险技术方面

出现漫顶险情时，快速采取应急措施避免溃坝或延迟溃坝发生时间对于减轻溃坝带来的损失尤为重要。土石坝漫坝过程与库容、坝高、漫顶流量、初始溃口、坝高和筑坝材料等因素均有关，如何在短时间内实现提前预泄、拓挖临时泄洪通道、坝面应急防护等已成为关注重点。在提前预泄方面，主要结合雨水情预报综合分析确定应急方案，利用水库已有泄水建筑物或通过临时增加抽排水设施实现提前泄水，最大限度腾出防洪库容；在拓挖临时泄洪通道方面，借助有利地形开挖应急泄洪通道以分流入库洪水，已成为近年来多座水库面对超标准洪水时保坝成功所采用的主要措施；在坝面应急防护方面，相较传统土料子坝、土袋子坝等传统应急加高措施，防洪管袋式子堤、鱼鳍式应急防洪屏、组合式防洪墙、吸水膨胀袋等新技术、新结构、新材料的研发为大坝应急加高提供了更多选择。

4.风险监控与预警方面

提前对洪水进行精准预报是降低土石坝漫溃风险的重要支撑，在洪水灾害仿真模拟、监测预报、风险调控等方面均取得了初步进展。针对洪水灾害过程模拟，研发了流域尺度水文水动力数值模拟技术、城市雨洪过程数值模拟技术、基于深度学习和水动力模型的洪水演进快速模拟方法等；针对洪水灾害监测预报，研发了山洪灾害多阶段递进式预警技术、考虑下垫面条件的综合监测评估技术、全球及区域尺度大气-陆面耦合预报模式等；针对洪水灾害风险调控，研发了水旱灾害风险分析技术、水库联合调度模型、防洪排涝实时调度技术等；在强化雨水情监测预报“三道防线”建设关键技术、水旱灾害“四预”（预报、预警、预演、预案）关键模型等研发方面，现有研究重点在于充分利用卫星、雷达、遥感等现代监测手段，着力解决当前洪水预见期较短、预报精度不够高以及重大水旱灾害风险防线外推能力不够强等突出问题。

中小型水库土石坝防漫顶溃决技术难题

目前中小型水库土石坝防漫溃技术虽已取得一定成果，但在超标准洪水内涵定义、漫顶冲蚀特性与溃决机理、坝面防护新型结构、防洪能力提升改造、应急抢险技术与装备等方面尚存以下突出难题亟待解决。

1.变化环境下超标准洪水内涵定义亟待明确

近年来我国气候情势复杂多变，水旱灾害突发性、异常性、不确定性突出，多发重发态势加强，尤其是局地极端暴雨洪水频率和强度显著增加，突破水文气象极值的特大暴雨事件频发强发。然而气候变化背景下，叠加流域土地利用变化、城市化进程加快和水土保持措施实施等人类活动的影响，水文过程及洪水形成机制发生改变，同时超标准洪水的内涵定义尚不明确，这都增加了判别超标准洪水的难度。在明确超标准洪水内涵定义基础上，如何合理分析现行水库洪水标准体系的适应性和指标合理性是保障超标准洪水下库坝运行安全的重要基础。

2.多要素作用下土石坝漫顶溃决机理有待揭示

漫顶洪水冲蚀作用下，土石坝冲蚀过程与坝面防护型式、漫坝水流特征、坝面抗冲蚀特性、坝体填筑料物理力学特性等密切相关，如何在合理反映边界条件下揭示土石坝漫顶冲蚀特性与溃决机理，有效识别坝体溃决临界阈值与关键物理量指标变化特征等难题亟待解决。目前土石坝漫顶冲蚀模型对坝料特性与防护结构差异考虑不足，且缺乏考虑流固耦合和强非恒定流冲蚀特性的土石坝漫顶溃决数值模拟方法，如何开展漫顶洪水—防护结构—筑坝材料相互作用下的土石坝漫顶冲蚀与溃坝机理研究是一难点。

3.中低土石坝坝面防护新型结构体系尚未构建

坝面抗冲蚀防护能够有效提升中低土石坝应对漫顶洪水能力。中低土石坝漫而不溃或漫而缓溃设计理念突破了传统认知，原有土坝设计理论严格防止漫顶，导致专门的漫顶防护结构稀缺，直接套用工程边坡治理领域的混凝土护面、预制块、固化剂、土工材料等传统护坡型式，存在漫坝水流水力冲蚀特性考虑不足、综合效能单一、景观融合性差等问题，尤其是漫顶水流作用下坝顶、坡面冲刷集中区及坝脚等部位的冲蚀特征显著不同导致防护要求各异，相关研究短板造成防漫溃结构设计一直缺少合理依据，考虑漫顶水流特征开展防漫溃结构研发的需求迫切。

4.中小型水库泄洪能力提升技术有待研发

提升现有坝体的泄洪能力是增强已建工程防洪体系效能的关键措施之一。通过新堰型设计应用及临时泄洪设施，可以有效提升水库的超标准洪水泄洪能力。此类技术在国内外已有广泛的应用实例。然而，由于新型结构所涉及的几何参数和水力特性极为复杂，其流态易受紊流边界层分离、空化空蚀等现象的影响，其泄洪能力的提升效果难以精确评估。因此，针对水库的除险加固、运行环境的动态变化以及汛期前的预置防护等不同应用场景，如何科学地进行泄洪能力提升仍亟待深入探究。

5.漫顶应急防护及快速成槽泄流技术与装备亟待研发

漫顶抢险窗口期稍纵即逝，且存在暴雨持续、通信中断、交通受阻、坝面过流等恶劣条件。依赖人工在坝面铺设土工布、彩条布等简易防护措施，效率低、定位差且抗冲蚀能力明显不足；临时泄洪通道拓挖多采用挖机单点开挖，效率不高且无法涉水施工，还存在设备吨位大、上坝困难等问题，特别是临时泄洪通道过流断面防护施工专业性强，稍有不慎极易导致水流冲蚀，引发边坡垮塌危及大坝安全。因此研发中小型土石坝漫顶应急防护及快速成槽泄流技术与装备，是构建中小型水库土石坝防漫顶溃决技术体系亟待突破的技术装备瓶颈。

构建中小型水库土石坝防漫顶溃决技术体系的对策建议

综上所述，目前在提升土石坝防漫顶溃决能力方面虽已取得一定成效，但在基础研究、技术研发、装备试制等方面仍存在突出难题亟待解决。建议从以下四方面加强研究，加快构建中小型水库土石坝防漫顶溃决技术体系。

1.变化环境下中小型水库设计洪水计算与洪水标准确定方法

针对变化环境下中小型水库洪水非一致性的问题，明晰超标准洪水多发区暴雨洪水要素的时空演化规律，提出非一致性条件下中小型水库设计洪水计算方法。研发强人类活动作用下考虑水库下垫面变化的产汇流模型，提出缺资料流域中小型水库设计洪水推求方法。明确变化环境下中小型水库洪水标准，形成适应水文非一致性的设计洪水计算方法技术体系，编制变化环境下中小型水库设计洪水计算指南，建立和完善中小型水库土石坝漫顶溃决洪水计算理论体系。

2.土石坝漫顶溃决模拟与临界阈值确定方法

揭示不同区域中低土石坝筑坝材料漫顶冲蚀特性的关键影响因素，明确不同筑坝材料及不同防护型式、不同水头下坝坡的抗冲蚀性能，解析漫顶水流作用下的坝体溃决过程。构建多场景土石坝漫顶溃决数值模型，开发用于土石坝漫顶溃决模拟的高效数值分析软件，为中低土石坝的安全评估、防护加固设计提供科学依据和技术支撑。

3.土石坝坝面防护新型结构及泄洪能力提升改造技术

针对坝体抵御超标准洪水能力提升与泄洪能力提升两方面需求，研发设计土石坝坝面防护新型结构，研发漫而不溃一体化空间自锁块防护结构、漫而不溃复合生态防护结构、漫而缓溃多层卷材型防护结构。提出土石坝泄洪能力提升改造成套技术、设计方法和使用条件，提出不同泄洪设施下中低土石坝泄洪能力提升效果评价方法，突破土石坝漫坝必溃传统认知，实现中低土石坝漫而不溃或漫而缓溃目标，构建土石坝防漫顶溃决技术体系。

4.土石坝防漫溃应急抢险技术装备集成与示范

针对中小型水库土石坝遭遇洪水漫坝险情时恶劣施工条件下的应急抢险快速响应需求，研发中小型水库土石坝防漫溃应急抢险快速决策系统，实现突发事件下应急抢险方案的快速和智能化制定。研发土石坝防漫溃应急抢险用高韧快硬新材料与施工工艺，研发防漫溃坝面应急防护与快速成槽泄流技术与装备。

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.中小型水库土石坝防漫顶溃决技术体系构建思考[J].中国水利，2025（6）：43-47+52.

封面摄影邹云梦

责编李卢祎

校对吕彩霞

审核王慧

监制轩玮

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