八一水庫潰壩原因分析

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1 工程概況

　　八一水庫位于新疆昌吉州米泉縣境內(nèi)，始建于1952年。水庫總庫容3500萬m3，大壩為均質(zhì)土壩，上游壩坡1∶2.5，下游壩坡1∶2，土料為粉質(zhì)黏土。壩頂高程466.85m，正常蓄水位464.22m，壩長(zhǎng)10105m，是一座以灌溉為主，兼有防洪、養(yǎng)殖等綜合效益的中型水庫。

　　大壩經(jīng)安全鑒定，防洪標(biāo)準(zhǔn)不夠，決定加高大壩0.40m，新建泄洪涵洞一座，設(shè)計(jì)流量為15m3/s，建在老壩段樁號(hào)4+050處。新建泄洪涵洞時(shí)先拆除老壩，開挖尺寸底部寬9.00m，邊坡1∶1，洞底位于基槽的中心線上。地基是老壩壩基，為粉質(zhì)黏土，基面高程459.50m。泄洪涵洞為長(zhǎng)方形，洞內(nèi)尺寸2.00m×2.50m，洞身長(zhǎng)15.00m，分為兩個(gè)工作段，每段長(zhǎng)7.50m，并在中間各設(shè)截滲環(huán)一道，截滲環(huán)的外徑較大，插入新填壩體1.50m。洞口設(shè)一道擋土墻，兼截滲環(huán)的作用。

水庫加固工程于2003年9月15日開始施工，泄洪涵洞基礎(chǔ)土方開挖于9月20日完成，隨后進(jìn)行洞身澆筑。11月11日開始回填涵洞兩側(cè)土體，填土為粉質(zhì)黏土，11月15日回填到463.40m高程，稍高于洞室頂高程463.23m，5d內(nèi)回填3.90m，控制干密度為1.68g/cm3，11月16～17日兩天填完剩余壩體，達(dá)臨時(shí)要求高程466.00m,回填厚度2.60m。該部分施工質(zhì)量未加嚴(yán)格控制，鋪土層較厚，含水量偏高，碾壓6遍已出現(xiàn)彈簧土，填筑質(zhì)量較差。7d內(nèi)完成了整個(gè)壩的回填任務(wù)，日平均填土高度0.93m，隨后大壩立即投入蓄水運(yùn)行。

　　12月8日庫水位由459.50m猛漲至462.50m，以后緩慢上升，12月29日庫水位達(dá)463.40m，為上部填筑質(zhì) 量偏低的部位。2004年1月21日，庫水位上升到464.04m，僅低于正常蓄水位18cm，低于臨時(shí)壩頂1.96m,蓄水2300萬m3。

2　潰壩過程

　　1月21日13時(shí)30分，水庫管理單位值班人員巡視大壩時(shí)發(fā)現(xiàn)泄洪涵洞出口左側(cè)壩坡距擋土墻邊緣1m處有一漏水洞，洞高約1m，寬0.5m，洞底約和泄洪洞中心高程461.58m齊平，漏水量約50L/s，到17時(shí)增大至1m3/s。當(dāng)時(shí)搶險(xiǎn)采取的主要措施是設(shè)法封堵漏水通道進(jìn)水口，在出口未采取任何措施。由于庫內(nèi)冰凍層厚達(dá)60cm，未能及時(shí)鑿開冰面找到進(jìn)口，搶險(xiǎn)措施無法實(shí)現(xiàn)。20時(shí)漏水量增大到30m3/s，壩體出現(xiàn)大的塌洞。當(dāng)漏水流量為100m3/s時(shí)，由于壩頂凍土層的作用，壩頂仍未塌落，但出現(xiàn)一拱橋，拱頂厚度1.5m，實(shí)際為壩頂凍土層的厚度，拱跨15m。22日11時(shí)拱頂塌落，大壩出現(xiàn)了30多米長(zhǎng)的潰口，流量為240m3/s。24日7時(shí)水庫基本排空，潰壩后實(shí)測(cè)潰口上游最大寬度45m，至下游壩坡坡腳處收縮為35m，除新填壩段全部沖毀外，左岸還沖走了部分老壩壩體。由于泄洪涵洞的防沖作用，使最大沖刷斷面位于泄洪涵洞軸線偏左5m，泄洪涵洞洞身向左側(cè)倒塌，河床最大沖刷深度2.5m，高程457.00m。

3　潰壩原因分析

　　客觀事實(shí)表明，潰壩系新填壩體過早出現(xiàn)滲流所致，潰壩原因分析也就是新填壩體滲流和滲透破壞原因分析。

3.1　與潰壩原因分析有關(guān)的一些要素

3.1.1　壩體開始發(fā)現(xiàn)滲透破壞時(shí)的上游水位及出口高程　如上所述，壩體滲透破壞是在庫水位剛剛上升到464.04m時(shí)發(fā)現(xiàn)的，因此出險(xiǎn)時(shí)的水庫水位應(yīng)是464.04m。下游壩坡出水點(diǎn)的位置是根據(jù)第一位目擊者的描述，水利部專家工作組與當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)人員共同確定的，作者參加了這次討論。目擊者先看到壩坡有滲流逸出，隨即從泄洪洞出口擋土墻的下游面走到有滲水處進(jìn)行了仔細(xì)觀察。滲水出自壩體一洞穴，洞高約1m，寬約0.5m，距泄洪涵洞出口擋土墻邊緣左側(cè)約1m，洞底高程約與洞中心線齊平，高程461.58m。由于目擊者進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)時(shí)下游壩坡漏水洞已發(fā)展到高約1.0m，可肯定下游壩坡開始有滲流逸出時(shí)的高程要高于461.58m，取其漏水洞的中心高程為水流開始逸出點(diǎn)，則壩體開始滲透破壞時(shí)的下游壩坡逸出點(diǎn)高程在462.00m附近。滲透破壞開始時(shí)的位置如圖1所示。根據(jù)上述分析可知，大壩滲透破壞開始時(shí)實(shí)際作用的水頭為2.04m。

3.1.2　導(dǎo)致滲透破壞的水力比降　假定滲流通道在壩體內(nèi)基本呈直線型，在高程462.00～464.04m之間，相應(yīng)的大壩橫斷面上下游的長(zhǎng)度為22.00m，即滲透破壞時(shí)的滲徑長(zhǎng)度為22.00m，因作用水頭為2.04m，則平均破壞水力比降J破壞為0.093。

3.1.3　大壩土料的允許水力比降　潰壩后作者在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)共取4個(gè)土樣，進(jìn)行了液、塑限含水量及顆粒分析試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果列于表1，其中01土樣取自潰口左側(cè)老壩段，02土樣取自泄洪洞頂以上壩體回填土，03土樣取自潰口段老壩加高時(shí)壩后坡的培厚土，04土樣為新建泄洪涵洞底部的地基土。從表1可知，新建泄洪涵洞周圍壩體填土為低液限黏土，在無裂縫的情況下，黏土的抗?jié)B比降也稱抗?jié)B強(qiáng)度Jn可由下式確定式中：Gs為土粒比重；n為土的孔隙率；α為壩坡與水平面的夾角；C為黏土的內(nèi)聚力；γw為水的容重；Do為土表面與大氣相接觸面的直徑。

　　從安全出發(fā)不考慮黏土的內(nèi)聚力，并考慮壩體填土上部質(zhì)量較差，取土的干密度ρd為1.50g/cm3，則,，下游壩坡為1∶2，α=26°24′，cosα=0.896，按式(1)計(jì)算，則：Jn=1.04。若取安全系數(shù)為2，新填壩體的允許水力比降為：J允許=0.52。?

3.2　壩體產(chǎn)生滲透破壞的原因分析