沟后水库大坝溃决后的专题研究

沟后水库大坝溃决后的专题研究

0坝体致害原因调查研究沟尾水库上游控制面积为198km2，年平均流量为0.43亿s。这是干旱地区。坝高71m,为砂砾石面板坝。总库容330万m3,正常蓄水位为3278m,为4等小(Ⅰ)型工程,大坝提高至Ⅲ级建筑物设计。水库的规划、选址正确,运行3年以来发挥了很好的效益。水库自1989年9月建成、蓄水,于1993年8月库水位在较长的时间内处在高水位运行,并达到最高运行水位3277.25m。在此水位时(它低于正常蓄水位0.75m)大坝失事。溃坝后,国务院、水利部及青海省省政府曾迅速组织专家组,赴现场进行事故原因调查。之后,专家组向国务院、水利部呈报了《关于沟后水库溃坝原因调查分析初步报告》,已对大坝失事原因作出了明确的结论。此后,一些单位又组织了专题研究,并提出了报告。笔者认为青海省水科所根据现场的坑探试验所提出的《试验报告》,基本上是科学地、客观地反映了实际情况,并与专家组的结论完全一致。而其他有的研究结论,如坝体中部非饱和论、坝体系上部管涌破坏等论点,尚不能使人信服。鉴于以上情况,为认真吸取大坝失事的惨痛教训,避免重蹈覆辙,笔者有必要提出一些事实情况与分析意见,与各位同仁商榷。1在坍塌前，水库的运行1.1正常水位状态水库约经3年的运行,大坝2岸基岩中测压管水位低于3225.02m,随着库水位的变化,水位变幅仅为1m左右(见图1),因此属正常状态。结合大坝上游趾板已开挖至坚硬的弱风化花岗闪长岩基础、帷幕灌浆的ω≤0.03L/m·m·min的情况分析,证明坝基防渗可靠,绕渗现象甚微。1.2坝面渗流逸点(1)水库于1989年9月28日下闸蓄水,10月库水位达3260.0m(面板水平分缝高程为3255.0m)时,随即发现大坝右岸下游坝坡高程3222m处有渗水逸出(河床高程约3220m),说明坝体已发现排水不畅,浸润线抬高,图2为坝坡渗水逸出范围的不完全调查统计。此后,1991、1992、1993年,当库水位达3260m以上时,亦有渗水从下游坝坡逸出,甚至有渗水沿坡面下流,最高逸出点高程达3237~3238m(见图2中①区)。(2)图2中②区在库水位3274m时,下游坝坡高程3230m以下曾有渗水逸出,且局部护坡石湿润,以后则消失。图2水库正常蓄水时坝下游坡面渗水出逸点和不完全统计范围(3)图2中⑤、⑥、⑦、⑧、⑨、(10)区发现的部分逸出点的时间为1993年8月,库水位长期处在高库水位时所增加的部分出逸点(实际出逸点情况当时未能全部调查)。(4)以下游坝坡的出逸点的产生、消失过程分析,库水位约在3255m以下时,下游坝坡面没有渗流逸出现象。从以上下游坝坡多次、多处发生渗流逸出情况,特点是1993年8月高库水位时,坝坡渗水逸出情况来看,充分说明面板系统漏水和坝体排水不畅,即坝体没有足够能力的排水设施。1.3坝体渗漏量不图3表明水库运行期间,坝下游地表截水沟的渗流量最大仅为14.3L/s,溃决之前约为8L/s。说明坝体渗漏量不大,且逸出的皆为清水,坝脚从未发现管涌和“土沸”现象。在1993年7月中旬后,水库近1个半月处在3260m以上高库水位运行状态,水位涨势快(见图3中ab段),渗流量q亦急剧增加,而2岸基岩测压管水位仍变化不大,亦说明渗水来自坝体面板系统。1.4坝体正常沉降过程线的措施大坝竣工后,坝顶沉降变形观测最大值仅为6.3cm(为坝高的0.08%),1991年已趋于稳定,图4为一标准的坝体正常沉降过程线。尽管观测点设在防浪墙灯柱基础上,不甚准确,但仍能充分说明砂砾石坝的变形量不仅小,而且稳定得快,是优良的面板坝筑坝材料。综上所述,溃坝前的大坝运行状况,从坝体的变形、渗流量、坝基渗透变形、防渗效果等方面,是属正常状态。唯有大坝下游坝坡有渗水出逸,是具有干燥状态的砂砾石下游坝坡(1∶1.5)所不允许的,是潜在的不安全因素。2水库结构存在的问题2.1贯通大坝下游的砾石排水层国外已建数座砂砾石面板坝及国内青海高55m的小干沟坝(几乎与沟后坝同期建成),以及西藏在海拔4388m建成的高39.25m的查龙砂砾石面板坝(沟后坝溃坝时正在施工),皆在垫层下游设置了贯通大坝下游的砾石排水层,这些坝至今运行正常。特别是查龙坝实测渗流量40L/s,但坝体排水通畅,未形成浸润线,坝体稳定。2.2置止水结构一般面板为了安全起见,皆不设永久水平缝,否则必须设置十分可靠的止水结构。而沟后面板水平缝为永久缝,虽设有PVC止水带,但在与面板横缝交会处,未能与W型紫铜止水连接成为防渗整体,因此,该处存在着明显的渗漏通道。2.3坝体沉降变形结构沟后水库正常、设计、校核洪水位皆为3278m,超出面板顶部水平缝高程3277.35m。因此,应严格按永久防渗结构缝设计,并同时考虑适应坝体沉降变形的要求,但实际存在以下问题:(1)水平PVC止水在与面板横缝处未与W型紫铜片止水连接(见图5),形成渗流通道。因此,按此结构,经面板垂直横缝漏水的高程应在3277m,如考虑已发生的坝顶最大沉降6.3cm,则实际从此缝开始向坝顶渗水的最低高程应为3276.937m。(2)沟后防浪墙仅在底部及墙下游面布置钢筋,所以混凝土趾板易于开裂破坏。3混凝土面板组成w型紫铜片存在的问题本文仅讨论与大坝溃决有关的质量问题。(1)面板3255m水平缝PVC止水与混凝土结合差,在工地曾凿开检查,止水带上存在着明显的渗水痕迹,并留有薄层淤泥膜。(2)从溃口垮坍的混凝土面板检查,局部面板混凝土存在着明显的蜂窝,有的是贯穿性的。(3)W型紫铜片周围亦存在蜂窝混凝土,甚至钢笔杆都可插入(有详细录像记录),因此,W型紫铜片周围存在着渗水通道,起不到良好的防渗效果。(4)面板横缝之间有的PVC止水与混凝土连接不良,易于用手拔出。(5)防浪墙上游水平趾板与面板连接处的PVC止水,有的是采用搭接连接,有的一侧未浇入混凝土中(见图6)。其他还发现有的缝内无止水填料,有的面板混凝土中有尼龙袋杂物。4水库和水库基砂材料的一些特性(1)我国最大的中小型城市20%80%,比2080%坝体及坝基砂砾料皆为一理想的连续级配,砾石的含量(>5mm粒径)约为60%~70%,平均64.2%。全料湿法测得的含泥量(<0.1mm)平均为8.06%(顺便指出,一般现场质控只测定≤5mm粒径以下的含泥量,如按此控制,砂砾料的含泥量仅4%~5%)。(2)坝体渗透变形能力的研究历次测定的渗透系数80%为i×10-2~i×10-3cm/s,坝基为i×10-1~i×10-3cm/s。因此,对于面板坝而言,属于排水性不良的砂砾石。渗透稳定性是判断大坝在形成浸润线后,是否会产生渗透变形的关键指标。从水科院、南科院及陕西省水电工程局的几次试验结果来看,其抗渗比降Jn为0.12~0.90范围。这里应指出,即使坝体存在着层间局部分离区,但这一方面是不连续的,而另一方面该范围80%~90%为砾、卵石骨架,其中即使少量的砂被带走,但骨架仍然存在,故此处不会立即产生管涌型破坏,而产生渗透破坏的仍应是坝体。按照《土石坝》的若干经验统计分析,当砂砾料砾石含量为60%~70%时,其抗渗比降为0.25~0.75;按其渗透系数K=i×10-2~i×10-3cm/s,抗渗比降Jn≥0.20。结合以上试验结果分析,沟后坝体砂砾料的最小抗渗比降Jn≥0.14~0.20应是足够安全的。(3)砂砾材料的强度特征由于砂砾料的级配组成良好,大型三轴试验结果φ′=36°~41°,因此其抗剪强度指标是合理的,而其c′值需令其为零。5水库建成前的环境条件(1)测定情况溃坝前当地气象站测得降雨量:8月26日20时至27日20时为6.6mm;8月27日20时至27日23时为0.6mm。因此溃坝前降雨量很小,对于如此干旱、缺水地区,不会形成地表径流,即不会使库水位有明显上涨。(2)地震1990年4月26日共和县曾发生6.9级地震,但坝址烈度仅5度,大坝未发生异常。此后,坝区未发生有感地震。(3)水库水位分析这是关键性问题,从图3、7库水历时曲线可以看出,1993年7月11日至8月24日,库水位上涨很快,此后库水位则缓慢上升(见图7),8月24日~25日,因上游7km的夏拉水库放水15万m3,故库水位上涨0.8m,所以日库水位涨幅仅为0.1~0.4m/d。库水位如以每天增幅0.4m,则8月27日12时至溃坝前约21∶00的9h内,库水涨幅应在0.2m以内,即此时最高库水位应为或稍低于3277.20m,这与图7库水位涨势完全一致,也与溃坝后1993年9月2日,根据上游坝前库水位痕迹测定的水位3277.25m也是完全吻合的。所以溃坝时上游库水位3277.25m只能说基本与防浪墙上游趾板顶面高程齐平(考虑坝体沉降后)。6水库崩溃时的状态6.1坝下边坡水平裂缝1993年8月27日下午约9∶00左右,水库管理人员杭果在家正吃晚饭,突然听到坝上发出一声闷雷似的巨响,他立即走到室外,看到下游坝坡块石滚落撞击发出的火光,用手电筒照时,坝上已喷出水雾,声音很大,他去开闸放水,无电,再去值班室打电话,不通。此时坝上的声音更大,水、石头都在发响(天黑,看不见),并已达坝下,水很大。实际此时大坝已开始溃决。根据后来回忆,当晚22时40分大坝全部溃决,约23时水到达下游13km的恰卜恰镇。溃坝后,专家组、青海省水利厅工作组等部分成员检查右岸部分下游坝坡时发现,桩号约0+200m左右(决口右侧坝坡)、高程3260m马道及其以上坝坡,坝下游坡向外鼓,特别是高程3260m马道上的浆砌石面上,产生明显向下游鼓出的水平裂缝,长约2.5m,缝宽约60mm(见图8)。其以上护坡面有2组(数条)近似水平的缝,有的裂缝最大缝宽约70mm,最大长度约8m,呈曲折状,高程约3261~3267m及3275m,距右岸约10m。缝内局部有砂、水流的明显痕迹。高程3260m马道内侧排水沟内,亦有渗水带出的泥沙堆积在排水沟内(有录像记录)。6.2坝底防浪墙体状及坝体位移分析(1)溃坝前防浪墙的状态已成为大坝失事原因分析的焦点之一,实际情况如下:①防浪墙上游的水平趾板表层,在施工后的1990年曾出现严重开裂,后用砂浆处理,实际未能治本,并留下了隐患。②1993年水库管理人员在汛前检查防浪墙时,上游水平趾板裂缝不多,但左岸有起拱现象(分析内部已产生水平裂缝)。③防浪墙基础施工高程应为3277m,沉降后坝顶中部防浪墙基础高程约为3276.937m,此高程亦应是坝顶开始渗水高程。(2)溃坝后的防浪墙状态。实际很容易辨认大坝溃决后,坝顶、防浪墙都已产生不同程度的位移和破坏。例如两岸坝肩处防浪墙明显错位、断裂(最大错缝宽达20mm以上),防浪墙上游趾板几乎全部裂开、翘起。所以青海省水科所在溃坝后所检查的有些水平缝处止水撕裂,防浪墙顶向上、下游有的倾斜14~16cm,顶部面板悬空达13cm等等,皆都是坝体滑动后牵动整个大坝变形或破坏的结果,而不能当作溃坝前的状态用来分析溃坝的原因。6.3中央,ld5从图9可以看出。溃口最明显的特征是它位于坝体的中央,溃口最低高程,即是面板水平缝高程3255.0m,也是坝体总体已处于静力不稳定状态时的滑动破坏的最重要标志。7坝体渗流状态至目前的讨论为止,坝体的饱和状态似乎也成为坝体溃决原因研究的另一焦点。笔者认为饱和、高含水量的砂砾料含水量本身就难以准确取样测定,特别是不能以含水量大小来直接反映出砂砾料是否处在饱和和渗流状态。从以下事实,认为溃坝时大坝无疑处在基本饱和及渗流状态。(1)青海省水科所在年溃坝后沿坝坡浅层试坑现场试验报告结论认为:由于溃坝至本项试验已历时14个月,位于高原干旱地区的坝体含水量已大大降低,故含水量难以反映溃坝前的水分状态,因之坝体含水量测定值难以确定坝体浸润线位置,也无法测出饱和区的分布。但3277m高程及以下沿坝坡不同高程的试坑(实际沿坝坡布设的试坑高程分布为3223.00~3277.18m的坝体浅层)开挖中多处可见渗流痕迹,故可以认为3277.00m高程是浸润线最高出逸点位置。因而雄辩的证明了坝体溃决前是处在渗流状态。若从此时实测的砂砾料饱和度而言(见图10),即使中部高程只有5个测点,就有3个测点的饱和度达51.7%~65.9%,且沿高程分布,其饱和度完全一致。可见仅用含水量分布大小来判断坝体中部处于非饱和状态、上下部处于饱和渗流状态的论点是不能令人信服的。(2)施工经验证明,当砾石含量为60%~70%时,在卸料、填筑过程中,产生分离、成层现象(即每一填筑层总是上细、下粗),甚至局部架空,这是施工正常状态,对面板坝而言,无可非议。而且绝不能认为整个坝体填筑层的分离层是从上游至下游连续贯通的。对此,现场及录像记录都可清晰证明。此外,分离层间只要有一处被i×10-2~i×10-3cm/s的正常级配砂砾料阻隔,则该层的渗透性及渗透稳定性质就会发生根本性改变。这也是室内渗透稳定试验难以模拟并不能反映真实渗透情况的关键。(3)溃坝后现场对坝体渗流状态的观测与录像记录。①专家组于溃坝9d后,在溃口两侧的坝体横断面上,清晰看到溃口坝体上部已呈较干燥状态,而中、下部仍是大面积呈湿润、渗水状态。②溃坝9d后,溃口两侧坝体中部仍有多处小股细流自坝内涌出,尤以溃口左侧明显,其高程范围正好位于溃口面板断裂缺口高程3255m左右,此范围正处在坝体中部高程范围。(4)溃口坝体左侧近下游坡、高程约3230m(见图11)附近,形成3个直径约10~30cm的管涌洞,证明坝体中部有大量的渗水流出,并产生局部管涌,也充分说明坝体已处于渗流状态。(5)图2已充分指出,溃坝之前,实际下游坝坡各高程多处已有不同程度的渗水或坝坡坡面呈湿润状态,局部还有沙涌出。这些与青海省水科所1996年坑探时,发现高程3277m以下的坝体中多处有渗流痕迹现象完全吻合。(6)溃坝后,据青海省领导于8月28日晨6时在现场看到缺口两侧坝体皆在大量向外流水,这应是当时最直接的记录。(7)溃坝前坝体下游排水沟的渗水量q急剧增加(图3),但量不大。这充分说明坝体呈弱透水性,自面板漏入坝体的水大都留在坝体内。与青海省水科所调查的坝体呈弱透水状态的结论一致。在此,笔者也充分肯定,坝顶防浪墙趾板部位的渗漏(在高水位3277m左右)是造成坝顶上部某一范围呈饱和状态的关键原因。以上所列举的不完全统计资料,已足够证明坝体溃坝时总体上是处在饱和渗流状态的。8坝体渗流场的稳定性南科院盛金保等研究者对大坝FJTF静力稳定分析,已得出了局部滑动的正确结论:φ′=36°,k瑞典法=0.57,k毕肖普法=0.59;φ′=40°,k瑞典法=0.66,k毕肖普法=0.68。上述按《碾压式土石坝设计规范》规定的方法,计算的稳定安全系数是很低的,必定垮坝无疑。但笔者还要指出,按规范通常计算结果k=0.95就要失去稳定,而沟后大坝如此低的稳定安全系数才溃坝,主要是砂砾石坝体渗流处在各向异性,其等势线与理论计算很难一致,且坝体渗流场不均,故理论计算的渗流状态时的孔隙压力偏大。这也是目前稳定分析理论难以反映客观实际的关键。9坍塌的原因前面已将坝体失事的原因作了全面论证,此处再作一归纳。(1)坝体结构没有设置不合理的排水系统其主要原因是面板系统及坝顶趾板缝因结构与施工质量问题存在着漏水,坝体结构没有设置关键性的排水层,致使弱透水性的砂砾石坝体饱和,坝体上部首先失去静力稳定而造成大坝溃决。(2)渗流对坝体的影响沟后大坝砂砾石的抗渗比降Jn≥0.14,而沿坝顶防浪墙底部的渗流比降J=0.018,显然十分安全。且最高库水位达3277.25m的时间又是短暂的;在水库运行过程中,坝脚下游从未出现管涌现象,所以不可能在坝顶附近产生渗透变形破坏。其次,关于坝顶部面板与坝体在溃坝前就脱开的看法,亦是难以成立的。因为溃坝后看到