溝后水庫大壩潰決后的專題研究

0壩體致害原因調(diào)查研究溝尾水庫上游控制面積為198km2，年平均流量為0.43億s。這是干旱地區(qū)。壩高71m,為砂礫石面板壩?？値烊?30萬m3,正常蓄水位為3278m,為4等小(Ⅰ)型工程,大壩提高至Ⅲ級建筑物設計。水庫的規(guī)劃、選址正確,運行3年以來發(fā)揮了很好的效益。水庫自1989年9月建成、蓄水,于1993年8月庫水位在較長的時間內(nèi)處在高水位運行,并達到最高運行水位3277.25m。在此水位時(它低于正常蓄水位0.75m)大壩失事。潰壩后,國務院、水利部及青海省省政府曾迅速組織專家組,赴現(xiàn)場進行事故原因調(diào)查。之后,專家組向國務院、水利部呈報了《關于溝后水庫潰壩原因調(diào)查分析初步報告》,已對大壩失事原因作出了明確的結論。此后,一些單位又組織了專題研究,并提出了報告。筆者認為青海省水科所根據(jù)現(xiàn)場的坑探試驗所提出的《試驗報告》,基本上是科學地、客觀地反映了實際情況,并與專家組的結論完全一致。而其他有的研究結論,如壩體中部非飽和論、壩體系上部管涌破壞等論點,尚不能使人信服。鑒于以上情況,為認真吸取大壩失事的慘痛教訓,避免重蹈覆轍,筆者有必要提出一些事實情況與分析意見,與各位同仁商榷。1在坍塌前，水庫的運行1.1正常水位狀態(tài)水庫約經(jīng)3年的運行,大壩2岸基巖中測壓管水位低于3225.02m,隨著庫水位的變化,水位變幅僅為1m左右(見圖1),因此屬正常狀態(tài)。結合大壩上游趾板已開挖至堅硬的弱風化花崗閃長巖基礎、帷幕灌漿的ω≤0.03L/m·m·min的情況分析,證明壩基防滲可靠,繞滲現(xiàn)象甚微。1.2壩面滲流逸點(1)水庫于1989年9月28日下閘蓄水,10月庫水位達3260.0m(面板水平分縫高程為3255.0m)時,隨即發(fā)現(xiàn)大壩右岸下游壩坡高程3222m處有滲水逸出(河床高程約3220m),說明壩體已發(fā)現(xiàn)排水不暢,浸潤線抬高,圖2為壩坡滲水逸出范圍的不完全調(diào)查統(tǒng)計。此后,1991、1992、1993年,當庫水位達3260m以上時,亦有滲水從下游壩坡逸出,甚至有滲水沿坡面下流,最高逸出點高程達3237~3238m(見圖2中①區(qū))。(2)圖2中②區(qū)在庫水位3274m時,下游壩坡高程3230m以下曾有滲水逸出,且局部護坡石濕潤,以后則消失。圖2水庫正常蓄水時壩下游坡面滲水出逸點和不完全統(tǒng)計范圍(3)圖2中⑤、⑥、⑦、⑧、⑨、(10)區(qū)發(fā)現(xiàn)的部分逸出點的時間為1993年8月,庫水位長期處在高庫水位時所增加的部分出逸點(實際出逸點情況當時未能全部調(diào)查)。(4)以下游壩坡的出逸點的產(chǎn)生、消失過程分析,庫水位約在3255m以下時,下游壩坡面沒有滲流逸出現(xiàn)象。從以上下游壩坡多次、多處發(fā)生滲流逸出情況,特點是1993年8月高庫水位時,壩坡滲水逸出情況來看,充分說明面板系統(tǒng)漏水和壩體排水不暢,即壩體沒有足夠能力的排水設施。1.3壩體滲漏量不圖3表明水庫運行期間,壩下游地表截水溝的滲流量最大僅為14.3L/s,潰決之前約為8L/s。說明壩體滲漏量不大,且逸出的皆為清水,壩腳從未發(fā)現(xiàn)管涌和“土沸”現(xiàn)象。在1993年7月中旬后,水庫近1個半月處在3260m以上高庫水位運行狀態(tài),水位漲勢快(見圖3中ab段),滲流量q亦急劇增加,而2岸基巖測壓管水位仍變化不大,亦說明滲水來自壩體面板系統(tǒng)。1.4壩體正常沉降過程線的措施大壩竣工后,壩頂沉降變形觀測最大值僅為6.3cm(為壩高的0.08%),1991年已趨于穩(wěn)定,圖4為一標準的壩體正常沉降過程線。盡管觀測點設在防浪墻燈柱基礎上,不甚準確,但仍能充分說明砂礫石壩的變形量不僅小,而且穩(wěn)定得快,是優(yōu)良的面板壩筑壩材料。綜上所述,潰壩前的大壩運行狀況,從壩體的變形、滲流量、壩基滲透變形、防滲效果等方面,是屬正常狀態(tài)。唯有大壩下游壩坡有滲水出逸,是具有干燥狀態(tài)的砂礫石下游壩坡(1∶1.5)所不允許的,是潛在的不安全因素。2水庫結構存在的問題2.1貫通大壩下游的礫石排水層國外已建數(shù)座砂礫石面板壩及國內(nèi)青海高55m的小干溝壩(幾乎與溝后壩同期建成),以及西藏在海拔4388m建成的高39.25m的查龍砂礫石面板壩(溝后壩潰壩時正在施工),皆在墊層下游設置了貫通大壩下游的礫石排水層,這些壩至今運行正常。特別是查龍壩實測滲流量40L/s,但壩體排水通暢,未形成浸潤線,壩體穩(wěn)定。2.2置止水結構一般面板為了安全起見,皆不設永久水平縫,否則必須設置十分可靠的止水結構。而溝后面板水平縫為永久縫,雖設有PVC止水帶,但在與面板橫縫交會處,未能與W型紫銅止水連接成為防滲整體,因此,該處存在著明顯的滲漏通道。2.3壩體沉降變形結構溝后水庫正常、設計、校核洪水位皆為3278m,超出面板頂部水平縫高程3277.35m。因此,應嚴格按永久防滲結構縫設計,并同時考慮適應壩體沉降變形的要求,但實際存在以下問題:(1)水平PVC止水在與面板橫縫處未與W型紫銅片止水連接(見圖5),形成滲流通道。因此,按此結構,經(jīng)面板垂直橫縫漏水的高程應在3277m,如考慮已發(fā)生的壩頂最大沉降6.3cm,則實際從此縫開始向壩頂滲水的最低高程應為3276.937m。(2)溝后防浪墻僅在底部及墻下游面布置鋼筋,所以混凝土趾板易于開裂破壞。3混凝土面板組成w型紫銅片存在的問題本文僅討論與大壩潰決有關的質(zhì)量問題。(1)面板3255m水平縫PVC止水與混凝土結合差,在工地曾鑿開檢查,止水帶上存在著明顯的滲水痕跡,并留有薄層淤泥膜。(2)從潰口垮坍的混凝土面板檢查,局部面板混凝土存在著明顯的蜂窩,有的是貫穿性的。(3)W型紫銅片周圍亦存在蜂窩混凝土,甚至鋼筆桿都可插入(有詳細錄像記錄),因此,W型紫銅片周圍存在著滲水通道,起不到良好的防滲效果。(4)面板橫縫之間有的PVC止水與混凝土連接不良,易于用手拔出。(5)防浪墻上游水平趾板與面板連接處的PVC止水,有的是采用搭接連接,有的一側未澆入混凝土中(見圖6)。其他還發(fā)現(xiàn)有的縫內(nèi)無止水填料,有的面板混凝土中有尼龍袋雜物。4水庫和水庫基砂材料的一些特性(1)我國最大的中小型城市20%80%,比2080%壩體及壩基砂礫料皆為一理想的連續(xù)級配,礫石的含量(>5mm粒徑)約為60%~70%,平均64.2%。全料濕法測得的含泥量(<0.1mm)平均為8.06%(順便指出,一般現(xiàn)場質(zhì)控只測定≤5mm粒徑以下的含泥量,如按此控制,砂礫料的含泥量僅4%~5%)。(2)壩體滲透變形能力的研究歷次測定的滲透系數(shù)80%為i×10-2~i×10-3cm/s,壩基為i×10-1~i×10-3cm/s。因此,對于面板壩而言,屬于排水性不良的砂礫石。滲透穩(wěn)定性是判斷大壩在形成浸潤線后,是否會產(chǎn)生滲透變形的關鍵指標。從水科院、南科院及陜西省水電工程局的幾次試驗結果來看,其抗?jié)B比降Jn為0.12~0.90范圍。這里應指出,即使壩體存在著層間局部分離區(qū),但這一方面是不連續(xù)的,而另一方面該范圍80%~90%為礫、卵石骨架,其中即使少量的砂被帶走,但骨架仍然存在,故此處不會立即產(chǎn)生管涌型破壞,而產(chǎn)生滲透破壞的仍應是壩體。按照《土石壩》的若干經(jīng)驗統(tǒng)計分析,當砂礫料礫石含量為60%~70%時,其抗?jié)B比降為0.25~0.75;按其滲透系數(shù)K=i×10-2~i×10-3cm/s,抗?jié)B比降Jn≥0.20。結合以上試驗結果分析,溝后壩體砂礫料的最小抗?jié)B比降Jn≥0.14~0.20應是足夠安全的。(3)砂礫材料的強度特征由于砂礫料的級配組成良好,大型三軸試驗結果φ′=36°~41°,因此其抗剪強度指標是合理的,而其c′值需令其為零。5水庫建成前的環(huán)境條件(1)測定情況潰壩前當?shù)貧庀笳緶y得降雨量:8月26日20時至27日20時為6.6mm;8月27日20時至27日23時為0.6mm。因此潰壩前降雨量很小,對于如此干旱、缺水地區(qū),不會形成地表徑流,即不會使庫水位有明顯上漲。(2)地震1990年4月26日共和縣曾發(fā)生6.9級地震,但壩址烈度僅5度,大壩未發(fā)生異常。此后,壩區(qū)未發(fā)生有感地震。(3)水庫水位分析這是關鍵性問題,從圖3、7庫水歷時曲線可以看出,1993年7月11日至8月24日,庫水位上漲很快,此后庫水位則緩慢上升(見圖7),8月24日~25日,因上游7km的夏拉水庫放水15萬m3,故庫水位上漲0.8m,所以日庫水位漲幅僅為0.1~0.4m/d。庫水位如以每天增幅0.4m,則8月27日12時至潰壩前約21∶00的9h內(nèi),庫水漲幅應在0.2m以內(nèi),即此時最高庫水位應為或稍低于3277.20m,這與圖7庫水位漲勢完全一致,也與潰壩后1993年9月2日,根據(jù)上游壩前庫水位痕跡測定的水位3277.25m也是完全吻合的。所以潰壩時上游庫水位3277.25m只能說基本與防浪墻上游趾板頂面高程齊平(考慮壩體沉降后)。6水庫崩潰時的狀態(tài)6.1壩下邊坡水平裂縫1993年8月27日下午約9∶00左右,水庫管理人員杭果在家正吃晚飯,突然聽到壩上發(fā)出一聲悶雷似的巨響,他立即走到室外,看到下游壩坡塊石滾落撞擊發(fā)出的火光,用手電筒照時,壩上已噴出水霧,聲音很大,他去開閘放水,無電,再去值班室打電話,不通。此時壩上的聲音更大,水、石頭都在發(fā)響(天黑,看不見),并已達壩下,水很大。實際此時大壩已開始潰決。根據(jù)后來回憶,當晚22時40分大壩全部潰決,約23時水到達下游13km的恰卜恰鎮(zhèn)。潰壩后,專家組、青海省水利廳工作組等部分成員檢查右岸部分下游壩坡時發(fā)現(xiàn),樁號約0+200m左右(決口右側壩坡)、高程3260m馬道及其以上壩坡,壩下游坡向外鼓,特別是高程3260m馬道上的漿砌石面上,產(chǎn)生明顯向下游鼓出的水平裂縫,長約2.5m,縫寬約60mm(見圖8)。其以上護坡面有2組(數(shù)條)近似水平的縫,有的裂縫最大縫寬約70mm,最大長度約8m,呈曲折狀,高程約3261~3267m及3275m,距右岸約10m?？p內(nèi)局部有砂、水流的明顯痕跡。高程3260m馬道內(nèi)側排水溝內(nèi),亦有滲水帶出的泥沙堆積在排水溝內(nèi)(有錄像記錄)。6.2壩底防浪墻體狀及壩體位移分析(1)潰壩前防浪墻的狀態(tài)已成為大壩失事原因分析的焦點之一,實際情況如下:①防浪墻上游的水平趾板表層,在施工后的1990年曾出現(xiàn)嚴重開裂,后用砂漿處理,實際未能治本,并留下了隱患。②1993年水庫管理人員在汛前檢查防浪墻時,上游水平趾板裂縫不多,但左岸有起拱現(xiàn)象(分析內(nèi)部已產(chǎn)生水平裂縫)。③防浪墻基礎施工高程應為3277m,沉降后壩頂中部防浪墻基礎高程約為3276.937m,此高程亦應是壩頂開始滲水高程。(2)潰壩后的防浪墻狀態(tài)。實際很容易辨認大壩潰決后,壩頂、防浪墻都已產(chǎn)生不同程度的位移和破壞。例如兩岸壩肩處防浪墻明顯錯位、斷裂(最大錯縫寬達20mm以上),防浪墻上游趾板幾乎全部裂開、翹起。所以青海省水科所在潰壩后所檢查的有些水平縫處止水撕裂,防浪墻頂向上、下游有的傾斜14~16cm,頂部面板懸空達13cm等等,皆都是壩體滑動后牽動整個大壩變形或破壞的結果,而不能當作潰壩前的狀態(tài)用來分析潰壩的原因。6.3中央,ld5從圖9可以看出。潰口最明顯的特征是它位于壩體的中央,潰口最低高程,即是面板水平縫高程3255.0m,也是壩體總體已處于靜力不穩(wěn)定狀態(tài)時的滑動破壞的最重要標志。7壩體滲流狀態(tài)至目前的討論為止,壩體的飽和狀態(tài)似乎也成為壩體潰決原因研究的另一焦點。筆者認為飽和、高含水量的砂礫料含水量本身就難以準確取樣測定,特別是不能以含水量大小來直接反映出砂礫料是否處在飽和和滲流狀態(tài)。從以下事實,認為潰壩時大壩無疑處在基本飽和及滲流狀態(tài)。(1)青海省水科所在年潰壩后沿壩坡淺層試坑現(xiàn)場試驗報告結論認為:由于潰壩至本項試驗已歷時14個月,位于高原干旱地區(qū)的壩體含水量已大大降低,故含水量難以反映潰壩前的水分狀態(tài),因之壩體含水量測定值難以確定壩體浸潤線位置,也無法測出飽和區(qū)的分布。但3277m高程及以下沿壩坡不同高程的試坑(實際沿壩坡布設的試坑高程分布為3223.00~3277.18m的壩體淺層)開挖中多處可見滲流痕跡,故可以認為3277.00m高程是浸潤線最高出逸點位置。因而雄辯的證明了壩體潰決前是處在滲流狀態(tài)。若從此時實測的砂礫料飽和度而言(見圖10),即使中部高程只有5個測點,就有3個測點的飽和度達51.7%~65.9%,且沿高程分布,其飽和度完全一致?？梢妰H用含水量分布大小來判斷壩體中部處于非飽和狀態(tài)、上下部處于飽和滲流狀態(tài)的論點是不能令人信服的。(2)施工經(jīng)驗證明,當?shù)[石含量為60%~70%時,在卸料、填筑過程中,產(chǎn)生分離、成層現(xiàn)象(即每一填筑層總是上細、下粗),甚至局部架空,這是施工正常狀態(tài),對面板壩而言,無可非議。而且絕不能認為整個壩體填筑層的分離層是從上游至下游連續(xù)貫通的。對此,現(xiàn)場及錄像記錄都可清晰證明。此外,分離層間只要有一處被i×10-2~i×10-3cm/s的正常級配砂礫料阻隔,則該層的滲透性及滲透穩(wěn)定性質(zhì)就會發(fā)生根本性改變。這也是室內(nèi)滲透穩(wěn)定試驗難以模擬并不能反映真實滲透情況的關鍵。(3)潰壩后現(xiàn)場對壩體滲流狀態(tài)的觀測與錄像記錄。①專家組于潰壩9d后,在潰口兩側的壩體橫斷面上,清晰看到潰口壩體上部已呈較干燥狀態(tài),而中、下部仍是大面積呈濕潤、滲水狀態(tài)。②潰壩9d后,潰口兩側壩體中部仍有多處小股細流自壩內(nèi)涌出,尤以潰口左側明顯,其高程范圍正好位于潰口面板斷裂缺口高程3255m左右,此范圍正處在壩體中部高程范圍。(4)潰口壩體左側近下游坡、高程約3230m(見圖11)附近,形成3個直徑約10~30cm的管涌洞,證明壩體中部有大量的滲水流出,并產(chǎn)生局部管涌,也充分說明壩體已處于滲流狀態(tài)。(5)圖2已充分指出,潰壩之前,實際下游壩坡各高程多處已有不同程度的滲水或壩坡坡面呈濕潤狀態(tài),局部還有沙涌出。這些與青海省水科所1996年坑探時,發(fā)現(xiàn)高程3277m以下的壩體中多處有滲流痕跡現(xiàn)象完全吻合。(6)潰壩后,據(jù)青海省領導于8月28日晨6時在現(xiàn)場看到缺口兩側壩體皆在大量向外流水,這應是當時最直接的記錄。(7)潰壩前壩體下游排水溝的滲水量q急劇增加(圖3),但量不大。這充分說明壩體呈弱透水性,自面板漏入壩體的水大都留在壩體內(nèi)。與青海省水科所調(diào)查的壩體呈弱透水狀態(tài)的結論一致。在此,筆者也充分肯定,壩頂防浪墻趾板部位的滲漏(在高水位3277m左右)是造成壩頂上部某一范圍呈飽和狀態(tài)的關鍵原因。以上所列舉的不完全統(tǒng)計資料,已足夠證明壩體潰壩時總體上是處在飽和滲流狀態(tài)的。8壩體滲流場的穩(wěn)定性南科院盛金保等研究者對大壩FJTF靜力穩(wěn)定分析,已得出了局部滑動的正確結論:φ′=36°,k瑞典法=0.57,k畢肖普法=0.59;φ′=40°,k瑞典法=0.66,k畢肖普法=0.68。上述按《碾壓式土石壩設計規(guī)范》規(guī)定的方法,計算的穩(wěn)定安全系數(shù)是很低的,必定垮壩無疑。但筆者還要指出,按規(guī)范通常計算結果k=0.95就要失去穩(wěn)定,而溝后大壩如此低的穩(wěn)定安全系數(shù)才潰壩,主要是砂礫石壩體滲流處在各向異性,其等勢線與理論計算很難一致,且壩體滲流場不均,故理論計算的滲流狀態(tài)時的孔隙壓力偏大。這也是目前穩(wěn)定分析理論難以反映客觀實際的關鍵。9坍塌的原因前面已將壩體失事的原因作了全面論證,此處再作一歸納。(1)壩體結構沒有設置不合理的排水系統(tǒng)其主要原因是面板系統(tǒng)及壩頂趾板縫因結構與施工質(zhì)量問題存在著漏水,壩體結構沒有設置關鍵性的排水層,致使弱透水性的砂礫石壩體飽和,壩體上部首先失去靜力穩(wěn)定而造成大壩潰決。(2)滲流對壩體的影響溝后大壩砂礫石的抗?jié)B比降Jn≥0.14,而沿壩頂防浪墻底部的滲流比降J=0.018,顯然十分安全。且最高庫水位達3277.25m的時間又是短暫的;在水庫運行過程中,壩腳下游從未出現(xiàn)管涌現(xiàn)象,所以不可能在壩頂附近產(chǎn)生滲透變形破壞。其次,關于壩頂部面板與壩體在潰壩前就脫開的看法,亦是難以成立的。因為潰壩后看到