水利工程论文-八一水库溃坝原因分析.doc水利工程论文-八一水库溃坝原因分析.doc

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水利工程论文八一水库溃坝原因分析摘要八一水库是中型水库,由于新建泄洪涵洞与原土坝之间新填土体坝顶裂缝渗透破坏,于2004年1月溃决。破坏原因是新建泄洪涵洞处原土坝开挖断面狭窄,左侧边坡偏陡,涵洞外壁截渗环过密,环径大,新填坝体填筑速度快,上部质量低,完工后立即蓄水,新填土坝左侧不均匀沉降过大,坝顶出现横向裂缝,当库水位接近正常蓄水位时,渗流从下游坝坡较高处逸出,出口无反滤保护,坝顶裂缝渗流冲刷,导致溃坝。关键词泄洪涵洞截渗环土坝裂缝渗流冲刷溃坝1工程概况八一水库位于新疆昌吉州米泉县境内,始建于1952年。水库总库容3500万M3,大坝为均质土坝,上游坝坡1∶25,下游坝坡1∶2,土料为粉质黏土。坝顶高程46685M,正常蓄水位46422M,坝长10105M,是一座以灌溉为主,兼有防洪、养殖等综合效益的中型水库。大坝经安全鉴定,防洪标准不够,决定加高大坝040M,新建泄洪涵洞一座,设计流量为15M3/S,建在老坝段桩号4050处。新建泄洪涵洞时先拆除老坝,开挖尺寸底部宽900M,边坡1∶1,洞底位于基槽的中心线上。地基是老坝坝基,为粉质黏土,基面高程45950M。泄洪涵洞为长方形,洞内尺寸200M250M,洞身长1500M,分为两个工作段,每段长750M,并在中间各设截渗环一道,截渗环的外径较大,插入新填坝体150M。洞口设一道挡土墙,兼截渗环的作用。泄洪涵洞外形结构尺寸及老坝开挖剖面如图1所示。图1泄洪涵洞出口横剖面单位CM水库加固工程于2003年9月15日开始施工,泄洪涵洞基础土方开挖于9月20日完成,随后进行洞身浇筑。11月11日开始回填涵洞两侧土体,填土为粉质黏土,11月15日回填到46340M高程,稍高于洞室顶高程46323M,5D内回填390M,控制干密度为168G/CM3,11月16~17日两天填完剩余坝体,达临时要求高程46600M,回填厚度260M。该部分施工质量未加严格控制,铺土层较厚,含水量偏高,碾压6遍已出现弹簧土,填筑质量较差。7D内完成了整个坝的回填任务,日平均填土高度093M,随后大坝立即投入蓄水运行。12月8日库水位由45950M猛涨至46250M,以后缓慢上升,12月29日库水位达46340M,为上部填筑质量偏低的部位。2004年1月21日,库水位上升到46404M,仅低于正常蓄水位18CM,低于临时坝顶196M,蓄水2300万M3。2溃坝过程1月21日13时30分,水库管理单位值班人员巡视大坝时发现泄洪涵洞出口左侧坝坡距挡土墙边缘1M处有一漏水洞,洞高约1M,宽05M,洞底约和泄洪洞中心高程46158M齐平,漏水量约50L/S,到17时增大至1M3/S。当时抢险采取的主要措施是设法封堵漏水通道进水口,在出口未采取任何措施。由于库内冰冻层厚达60CM,未能及时凿开冰面找到进口,抢险措施无法实现。20时漏水量增大到30M3/S,坝体出现大的塌洞。当漏水流量为100M3/S时,由于坝顶冻土层的作用,坝顶仍未塌落,但出现一拱桥,拱顶厚度15M,实际为坝顶冻土层的厚度,拱跨15M。22日11时拱顶塌落,大坝出现了30多米长的溃口,流量为240M3/S。24日7时水库基本排空,溃坝后实测溃口上游最大宽度45M,至下游坝坡坡脚处收缩为35M,除新填坝段全部冲毁外,左岸还冲走了部分老坝坝体。由于泄洪涵洞的防冲作用,使最大冲刷断面位于泄洪涵洞轴线偏左5M,泄洪涵洞洞身向左侧倒塌,河床最大冲刷深度25M,高程45700M。3溃坝原因分析客观事实表明,溃坝系新填坝体过早出现渗流所致,溃坝原因分析也就是新填坝体渗流和渗透破坏原因分析。31与溃坝原因分析有关的一些要素311坝体开始发现渗透破坏时的上游水位及出口高程如上所述,坝体渗透破坏是在库水位刚刚上升到46404M时发现的,因此出险时的水库水位应是46404M。下游坝坡出水点的位置是根据第一位目击者的描述,水利部专家工作组与当地有关人员共同确定的,作者参加了这次讨论。目击者先看到坝坡有渗流逸出,随即从泄洪洞出口挡土墙的下游面走到有渗水处进行了仔细观察。渗水出自坝体一洞穴,洞高约1M,宽约05M,距泄洪涵洞出口挡土墙边缘左侧约1M,洞底高程约与洞中心线齐平,高程46158M。由于目击者进入现场时下游坝坡漏水洞已发展到高约10M,可肯定下游坝坡开始有渗流逸出时的高程要高于46158M,取其漏水洞的中心高程为水流开始逸出点,则坝体开始渗透破坏时的下游坝坡逸出点高程在46200M附近。渗透破坏开始时的位置如图1所示。根据上述分析可知,大坝渗透破坏开始时实际作用的水头为204M。312导致渗透破坏的水力比降假定渗流通道在坝体内基本呈直线型,在高程46200~46404M之间,相应的大坝横断面上下游的长度为2200M,即渗透破坏时的渗径长度为2200M,因作用水头为204M,则平均破坏水力比降J破坏为0093。313大坝土料的允许水力比降溃坝后作者在现场调查时共取4个土样,进行了液、塑限含水量及颗粒分析试验,试验结果列于表1,其中01土样取自溃口左侧老坝段,02土样取自泄洪洞顶以上坝体回填土,03土样取自溃口段老坝加高时坝后坡的培厚土,04土样为新建泄洪涵洞底部的地基土。从表1可知,新建泄洪涵洞周围坝体填土为低液限黏土,在无裂缝的情况下,黏土的抗渗比降也称抗渗强度JN可由下式确定1式中GS为土粒比重;N为土的孔隙率;Α为坝坡与水平面的夹角;C为黏土的内聚力;ΓW为水的容重;DO为土表面与大气相接触面的直径。从安全出发不考虑黏土的内聚力,并考虑坝体填土上部质量较差,取土的干密度ΡD为150G/CM3,则,,下游坝坡为1∶2,Α2624′,COSΑ0896,按式1计算,则JN104。若取安全系数为2,新填坝体的允许水力比降为J允许052。表1新填坝体土料的物理性质试样稠度比重颗粒组成分类含盐量/G/KGΩLΩPIP01MM005MM0005MM012541411132761006727重粉质壤土636024022091932761009758重粉质黏土769033612011602761009251重粉质黏土2310043581971612761009256重粉质黏土39132坝体产生渗透破坏的原因分析321为非正常条件下的渗透破坏上述分析表明,坝体填土的允许水力比降为052,对表1中的黏土而言,052值已经小于工程经验数据1,更小于常见的室内试验数据2,但实际出现的水力比降为0093,比坝身土料的允许水力比降还小,在正常条件下绝不应产生渗透破坏,唯一原因是坝顶产生了横向贯通性的裂缝,致使坝体抗渗强度降低,造成渗透破坏。322坝体上部填土质量低不是直接原因开始分析渗透破坏的原因时,认为坝体上部46340M高程以上填土质量低是渗透破坏的直接原因,经仔细分析,认为并非如此,主要理由如下。1从渗流由坝坡逸出的时间来分析,因库水位由46340M上升到46404M历时仅23D,如果坝顶无裂缝,渗流不可能很快由坝顶逸出。众所周知,渗流破坏开始于渗流出口,这表明坝体渗透破坏前渗流一定要先从下游坝坡46340M高程处逸出,才会造成坝体渗透破坏。渗流从46340M高程逸出的时间T可由下式估算32式中L为46340M高程处大坝横截面长度,为2200M;NE为填土的有效孔隙率,对黏土取NE005;K为填土的渗透系数,考虑填筑质量差,仅取K1104CM/S00864M/D;H为作用水头,H4640446340064M。由于库水位并非长期稳定在46404M,是从46340M在23D的上升过程中逐渐达到的,故应取其一半值,为032M。计算结果,渗流要从46340M高程逸出,需时219D,若安全系数取4,也需55D。以上计算是在假定坝体已经饱和,渗流符合达西定律。若是非饱和土体,渗流边充填土体孔隙,边向前推移,要从下游坝坡出逸,需时更长。虽然填土的施工质量较低,但仍然是在高含水量的情况下填筑的,不可能有干松土层,渗透系数不会大于上述假定值,在23D内渗流不会逸出下游坝坡,因而坝体不可能渗透破坏。2渗流从下游坝坡开始逸出的高程为46200M,低于松填土层最低高程46340M,实际是在填筑质量较好的土层中,表明不是由于松填土层直接造成的。3渗流出口破坏形状是垂直向的长条形,不是呈水平向的长条形,如果是沿施工时的薄弱层面破坏,出口破坏形状至少是椭圆形,在破坏初期也可能是沿水平层面的长条形,只有垂直裂缝冲刷,在初期阶段才可能是竖直向的长条形。323坝顶产生了横向裂缝从新填坝段的施工速度、地形及泄洪涵洞外壁的结构形式等方面分析,新填坝段老坝开挖边坡的坡脚上部竣工后会产生横向裂缝,原因如下。1坝体施工速度过快,竣工后沉降量大。新填段65M高的坝体是在7D内完成的,平均日填筑高度093M。这样快的施工速度,填土的主要沉降不可能在施工期完成,一定会延续到竣工后,结果必然加大竣工后的沉降量。一般工程经验表明,黏土的压实功能以普氏压实功能为标准,压实后施工期的沉降量可达坝高的34。不考虑施工质量较低的因素,按一般情况3计算,在坝体竣工后的短期内,靠老坝开挖边坡的坡脚处如图1中的A′位置,新填坝体施工期的沉降量可达0195M。由于施工速度过快,假定施工期的实际沉降量只完成正常施工速度下的一半,仍有0098M的沉降量需在竣工后的短期内完成。2坝体产生不均匀沉降,而且沉降差较大。如图1所示,A′点以右是老坝坝体,沉降早已稳定,所以竣工后新填坝体坝顶A′点到B点的沉降量由0098M递减到0,差值为0098M。图1中的C点下部是泄洪涵洞,洞顶填土只有260M,仅占坝高650M的40,竣工后最大沉降只有0039M,与A′点的沉降相比较,二者之间坝顶的沉降差达0059M。3以上分析结果表明,AA′剖面附近坝顶会产生横向裂缝。按倾度法53式中Γ为倾度;SA、SB分别为坝顶A′、B两点的总沉降量;ΔL为A′、B两点的水平距离。若Γ≥1,则坝体会产生裂缝5。分析图1中A′、B两点之间的倾度,坝高为650M,开挖边坡为1∶1,因而LALB650M,则倾度ΓAC151。同样,分析A′、C两点向的倾度,水平距离只有310M,ΓAC191,均表明在AA′断面附近会产生横向裂缝。
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