(1.水利部大壩安全管理中心,江蘇 南京 210029;2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)
我國(guó)大壩建造受地質(zhì)、水文、設(shè)計(jì)、施工等不確定因素影響,建設(shè)中存在隱患,管理中存在薄弱環(huán)節(jié),加之暴雨洪水、地震等極端災(zāi)害天氣頻發(fā),大壩險(xiǎn)情時(shí)有發(fā)生,甚至發(fā)生潰壩事件。
1975 年8月,河南特大洪水導(dǎo)致板橋、石漫灘、竹溝、田崗等大中型水庫(kù)相繼潰壩失事,死亡2.6萬(wàn)人,是世界上迄今為止最為慘痛的潰壩事件;2007年,甘肅小海子水庫(kù),因壩基滲流破壞導(dǎo)致潰決,淹沒(méi)農(nóng)田5000多畝,造成直接經(jīng)濟(jì)損失179萬(wàn)元;2013年初連續(xù)發(fā)生3起潰壩事故,分別是新疆聯(lián)豐水庫(kù)、黑龍江星火水庫(kù)、山西曲亭水庫(kù),其中新疆聯(lián)豐水庫(kù)在加固過(guò)程中潰壩,1人死亡,20多人受傷;2018年,內(nèi)蒙古增隆昌發(fā)生潰壩。美國(guó)的提堂壩(Teton)于1976年6月因右岸壩基鍵槽處心墻因內(nèi)部沖蝕(管涌)而破壞發(fā)生潰壩失事,造成15人死亡,25000人無(wú)家可歸;2018年老撾桑片—桑南內(nèi)電站潰壩,死亡28人,失蹤130人。
根據(jù)對(duì)我國(guó)病險(xiǎn)水庫(kù)大壩出險(xiǎn)情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析,土石壩主要安全隱患險(xiǎn)情歸納為5大類,22小類,具體見(jiàn)下表。
土石壩主要安全隱患險(xiǎn)情分類表
下面通過(guò)作者參加現(xiàn)場(chǎng)搶險(xiǎn)處置的4座水庫(kù)土石壩典型案例,對(duì)大壩出險(xiǎn)過(guò)程、原因分析、險(xiǎn)情處置進(jìn)行詳細(xì)介紹。
水庫(kù)總庫(kù)容為100萬(wàn)m3,正常高水位為3320.91m,死水位為3310.83m,30年一遇設(shè)計(jì)洪水位為3320.97m,300年一遇校核洪水位為3322.01m。水庫(kù)于1991年7月開(kāi)工,1995年10月建成后蓄水;2002年11月15日完成除險(xiǎn)加固工程。水庫(kù)樞紐主要由主壩、副壩、溢洪道及放水涵管等建筑物組成。
大壩為壤土均質(zhì)壩,庫(kù)區(qū)3321.00m高程以下及庫(kù)岸斜坡采用土工膜防滲鋪至上游壩腳3305.00m高程。最大壩高20.0m,壩頂寬5.0m,大壩總長(zhǎng)753.5m,其中主壩長(zhǎng)352.0m、左副壩長(zhǎng)157.5m、右副壩長(zhǎng)244.0m。壩頂設(shè)有漿砌石防浪墻,高60cm,上游壩坡為1∶3、1∶2.75,下游壩坡為1∶2.75、1∶2.5,壩腳采用貼坡排水。大壩典型剖面見(jiàn)圖1。
圖1 案例一水庫(kù)剖面
溢洪道建于大壩右副壩上,溢洪道由進(jìn)口導(dǎo)流翼墻、閘室段、陡坡段、漸變段和泄槽組成,長(zhǎng)317.0m。進(jìn)口為1孔弧形鋼閘門(mén)控制的寬頂堰,堰頂高程3319.40m,堰頂凈寬6.0m,正常泄量17.1m3/s,最大泄量39.4m3/s,弧形鋼閘門(mén)采用卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)啟閉。溢洪道閘底板基礎(chǔ)為9根混凝土井樁,置于壩基砂礫石層上,漸變段、陡坡段、和泄槽基礎(chǔ)置于壩體和岸坡土基上。
放水管位于主壩壩內(nèi),全長(zhǎng)103.0m,采用直徑1.0m的鋼管做內(nèi)壁,外包30cm的C15鋼筋混凝土,進(jìn)口設(shè)一啟閉機(jī)塔,塔高16.4m,啟閉塔設(shè)檢修鋼閘門(mén),進(jìn)口底高程3310.80m,設(shè)計(jì)流量1.0m3/s,最大流量6.59m3/s。
2005年4月27日19時(shí)43分12.3秒,距離水庫(kù)60~70km處發(fā)生Ms 4.2級(jí)地震。28日0時(shí)7分又發(fā)生Ms 3.8級(jí)地震。溢洪道滲漏示意見(jiàn)圖2。
圖2 溢洪道滲漏示意
據(jù)水庫(kù)管理人員介紹,2005年春季該地區(qū)降雪嚴(yán)重,積雪較厚,當(dāng)時(shí)幾日氣溫回升較快,消冰水量較大。2005年4月27日水庫(kù)蓄水位為3320.3m;早上8—9時(shí)來(lái)水逐漸增大,至晚上10時(shí),打開(kāi)沖沙閘放水。27日晚水庫(kù)管理部門(mén)安排工作人員上壩巡視,至28日凌晨1時(shí),溢洪道正常。巡視人員繼續(xù)繞庫(kù)巡視,3時(shí)30分回到溢洪道位置,手電筒照明發(fā)現(xiàn)溢洪道下游陡坡右側(cè)位置處有龍碗粗水流,于是決定開(kāi)啟溢洪道閘門(mén)放水。兩人輪流用手動(dòng)開(kāi)閘,約5~6min后見(jiàn)水流增至汽油桶大小,此時(shí)發(fā)現(xiàn)溢洪道上游左側(cè)出現(xiàn)漩渦。4時(shí)30分趕赴水庫(kù)搶險(xiǎn)人員發(fā)現(xiàn)距離大壩約5.0km處的下游溝道出現(xiàn)大水,水深約1m。4時(shí)40分開(kāi)始溢洪道下游陡槽開(kāi)始垮塌,至5時(shí)30分溢洪道右側(cè)壩頂出現(xiàn)3.0m寬缺口,后水流增大,溢洪道下壩體被沖毀淘空,至凌晨6時(shí)40分左右溢洪道被全部沖垮,右副壩缺口達(dá)20.0m。潰壩現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖3、圖4。
圖3 潰壩現(xiàn)場(chǎng)1
圖4 潰壩現(xiàn)場(chǎng)2
大壩的破壞主要是右副壩上溢洪道底板和邊墻與壩體的接觸部位裂縫產(chǎn)生接觸滲流和地震加劇接觸滲漏造成的。
a.溢洪道建在均質(zhì)土壩上,底板基礎(chǔ)采用9根混凝土井樁置于壩基砂礫石層上,而底板及側(cè)墻都是光板與壩體接觸。施工中只在閘室兩側(cè)墻補(bǔ)做了高2.4m、厚0.4m、底寬1.2m、頂寬0.6m的混凝土刺墻,而沒(méi)設(shè)置相應(yīng)的防滲措施,保證有足夠的滲徑長(zhǎng)度。
b.潰壩前溢洪道閘室與壩體接觸部位存在裂縫。由于壩體與溢洪道閘室不均勻沉陷引起閘室與壩體接觸部位產(chǎn)生裂縫。
c.地震加劇了接觸滲漏。由于地震破壞了原來(lái)的平衡狀態(tài),加速了滲漏發(fā)展。
d.安全鑒定中已經(jīng)指出溢洪道進(jìn)口翼墻、底板與壩體接觸帶產(chǎn)生裂縫。雖然加固初設(shè)方案采取拆除重建是合理可行的,但技施設(shè)計(jì)修改為保留溢洪道原閘室結(jié)構(gòu),僅對(duì)溢洪道側(cè)墻裂縫部位垂直向下開(kāi)挖3m回填土料的處理方案。
e.除險(xiǎn)加固中,對(duì)溢洪道進(jìn)口翼墻、底板與壩體接觸帶產(chǎn)生的裂縫未做任何處理,未能消除接觸滲漏隱患。
f.大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不健全。除險(xiǎn)加固中,設(shè)了9個(gè)表面標(biāo)點(diǎn)、1個(gè)水位觀測(cè)斷面、4個(gè)觀測(cè)孔。三年中,庫(kù)水位每年均超過(guò)溢洪道底板高程0.5~1.0m運(yùn)行,而接觸滲漏的發(fā)生不是在短時(shí)間內(nèi)能夠形成的,如果及時(shí)監(jiān)測(cè)出滲流異常,采取措施,潰壩是可以避免的。
a.考慮溢洪道重新選址的可能性。
b.壩前土工膜應(yīng)鋪至壩頂與防浪墻、溢洪道及邊墻相連,形成完整的防滲體系。
c.埋設(shè)必要的大壩監(jiān)測(cè)設(shè)施,健全大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng),提高安全運(yùn)行管理水平,保證水庫(kù)長(zhǎng)期安全運(yùn)行。
水庫(kù)總庫(kù)容2.55億m3。水庫(kù)于1991年8月動(dòng)工興建,1996年12月竣工并投入運(yùn)行。水庫(kù)樞紐由大壩、放水洞、側(cè)槽溢洪道組成。平面布置見(jiàn)圖5。
圖5 案例二水庫(kù)平面布置
大壩為復(fù)合土工膜防滲斜墻砂礫石壩,壩頂高程3960.80m,最大壩高17.5m,壩頂長(zhǎng)880.0m,頂寬8.0m,上、下游壩坡分別為1∶3.0和1∶2.5。壩基采用高壓擺噴塑性混凝土防滲墻防滲,深入壩基相對(duì)不透水的黏土或亞黏土夾層1.5m。大壩上、下游均設(shè)有壓震平臺(tái),上游壓震平臺(tái)高程3952.00m左右,下游壓震平臺(tái)高程3950.00m左右。大壩斷面圖和水庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖6、圖7。
圖6 大壩斷面(單位:cm)
圖7 水庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)
放水洞布置在右岸,由引渠段、進(jìn)水塔、洞身段、消力池段和尾水渠等部分組成,為城門(mén)洞形無(wú)壓隧洞,設(shè)計(jì)最大流量27.0m3/s。進(jìn)水塔為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),塔高15.0m,進(jìn)口底板高程3947.00m,設(shè)2.0m×4.0m(高×寬)平面檢修閘門(mén)和2.0m×2.0m弧形工作閘門(mén)各一扇。
正常溢洪道布置在右岸,為開(kāi)敞式側(cè)槽溢洪道,長(zhǎng)530.0m,由引水渠、溢流堰、陡槽段、消力池、尾水渠等部分組成。校核流量為117.47m3/s。引水渠底部高程為3955.00m,采用漿砌石結(jié)構(gòu)。溢流堰采用漿砌石外包混凝土結(jié)構(gòu),堰面為WES曲線,無(wú)閘門(mén)控制,堰長(zhǎng)25.0m,堰高1.4m,堰頂高程為3956.40m。側(cè)槽為梯形斷面,首端底寬3m,末端底寬6.0m,縱坡i=1/40,邊坡比1∶0.5。陡槽為矩形斷面,底寬6.0m,縱坡i=1/85。消力池為擴(kuò)散式矩形斷面,池長(zhǎng)22.5m,池深1.65m。尾水渠采用梯形斷面,底寬16.0m,邊坡坡比1∶1.5。
2010年7月6日水庫(kù)入庫(kù)洪峰流量達(dá)789.0m3/s,超過(guò)2000年一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn),水庫(kù)最高水位達(dá)到3957.87m,相應(yīng)庫(kù)容達(dá)到2.44億m3,超汛限水位1.87m。
a.當(dāng)時(shí)仍處于主汛期,水庫(kù)壩址以上集水面積達(dá)9347km2,匯水面積大,缺乏必要的水文、氣象測(cè)報(bào)設(shè)施,對(duì)上游來(lái)水情況無(wú)法預(yù)測(cè),未來(lái)上游來(lái)水對(duì)水庫(kù)安全運(yùn)行具有潛在的威脅。
b.當(dāng)時(shí)水庫(kù)水位雖有回落,但仍然超汛限水位1.5m,超控制庫(kù)容0.265億m3,如果只用現(xiàn)有溢洪道和放水洞放水,庫(kù)水位下降至汛限水位還需兩個(gè)多月時(shí)間。大壩壩腳下游先后出現(xiàn)12處滲水翻沙點(diǎn),雖進(jìn)行了應(yīng)急處理,但處理后附近又出現(xiàn)新的滲水翻沙點(diǎn),壩下游滲水量達(dá)23.86L/s,且有增大趨勢(shì),水庫(kù)大壩將長(zhǎng)期高水位運(yùn)行,對(duì)壩基滲透穩(wěn)定不利。
a.當(dāng)時(shí)格爾木河上游奈金河來(lái)水量較小,水庫(kù)下泄水量與奈金河流量疊加后,不會(huì)產(chǎn)生大的洪峰,不會(huì)對(duì)格爾木產(chǎn)生大的防洪壓力。
b.盡快開(kāi)挖應(yīng)急溢洪道泄水,可迅速降低當(dāng)前水庫(kù)水位,使水庫(kù)蓄水量迅速降低到2億m3以下,確保大壩安全。應(yīng)急溢洪道現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖8。
圖8 應(yīng)急溢洪道現(xiàn)場(chǎng)
水庫(kù)總庫(kù)容2.32億m3,電站裝機(jī)容量160MW,多年平均發(fā)電量5.24億kW·h。 工程由面板壩、表孔溢洪洞、深孔泄洪洞、發(fā)電引水洞及電站廠房等建筑物組成。
大壩為混凝土面板堆石壩,壩頂高程756.30m,壩頂長(zhǎng)464.0m,最大壩高140.3m。深孔泄洪洞為無(wú)壓明流洞,采用龍?zhí)ь^方式與導(dǎo)流洞結(jié)合,設(shè)計(jì)泄量588.32m3/s,底板高程690.00m,洞身段長(zhǎng)510.0m,其中龍?zhí)ь^段長(zhǎng)160.0m,結(jié)合段長(zhǎng)350.0m。
工程于2009年6月開(kāi)工,2010年10月截流。2013年7月29日導(dǎo)流洞進(jìn)水口封堵閘門(mén)下閘,水庫(kù)開(kāi)始蓄水,并通過(guò)深孔泄洪洞泄流。大壩斷面見(jiàn)圖9。
2013年11月17日16時(shí)30分許,水庫(kù)蓄水位至737.00m,導(dǎo)流洞封堵閘門(mén)失控下泄,泄水流量最大達(dá)1094m3/s,至2013年11月20日0時(shí)30分水庫(kù)放空,庫(kù)水位在56h內(nèi)驟降約100.0m,導(dǎo)致導(dǎo)流洞進(jìn)、出口結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞,壩前下部鋪蓋與蓋重區(qū)滑塌,部分面板止水結(jié)構(gòu)破損。面板及止水破損情況見(jiàn)圖10、圖11。
圖9 案例三水庫(kù)大壩斷面
圖10 面板破損情況
圖11 面板止水破壞
a.壩體最大沉降發(fā)生在687.00m高程,最大沉降量為1147mm,面板最大撓度約46.8cm,目前約為8.74cm,壩體運(yùn)行基本正常。
b.壩體內(nèi)部最大水平位移發(fā)生在650.00m高程,水平位移量為向上游位移4.906cm,水平位移量不大。
c.左岸700.00m高程測(cè)點(diǎn)周邊縫剪切位移達(dá)到了64.69mm(向右岸方向),右岸720.00m高程測(cè)點(diǎn)周邊縫剪切位移達(dá)到了35.85mm(向左岸方向),右岸700.00m高程測(cè)點(diǎn)測(cè)值已超傳感器量程。左岸700.00m高程、右岸700.00~720.00m高程周邊縫止水銅片很有可能發(fā)生了剪切破壞。
d.695.00m高程三個(gè)測(cè)點(diǎn)目前脫空位移量已分別達(dá)到11.91mm、0.99mm和3.05mm,面板存在局部脫空現(xiàn)象。
e.左、右兩岸趾板靠近岸坡處滲壓計(jì)水位與庫(kù)水位相關(guān)性較好,大壩左右兩岸均存在繞壩滲漏。但該處帷幕消殺了很大一部分水頭,帷幕效果還是比較好的。
f.庫(kù)水位到達(dá)735.50m時(shí),滲流量達(dá)到了242.38L/s,滲流量相對(duì)較大,可能與兩壩端繞壩滲流有關(guān)。
大壩堆石體E-B模型參數(shù)反演以及大壩三維有限元計(jì)算分析表明:
a.在庫(kù)水位快速降落過(guò)程中,上游鋪蓋與蓋重區(qū)在滲流力作用下產(chǎn)生沿面板表面的滑坡,對(duì)面板表層止水結(jié)構(gòu)造成破壞,破壞范圍在638.76~680.98m高程間,滑坡堆積體以下約11m范圍內(nèi)止水仍存在破壞可能性。上游鋪蓋與蓋重區(qū)表面滑坡見(jiàn)圖12。
圖12 上游鋪蓋與蓋重區(qū)表面滑坡
b.根據(jù)大壩0+261.00斷面水管式沉降儀實(shí)測(cè)有效沉降變形反演得到的壩體主次堆石區(qū)鄧肯E-B模型參數(shù)合理可行,可用于大壩變形預(yù)測(cè)分析。
c.竣工期、水位驟降期以及蓄水期大壩變形應(yīng)力規(guī)律正常,變形量值均在經(jīng)驗(yàn)范圍內(nèi);應(yīng)力及應(yīng)力水平量值均在合理范圍內(nèi);面板變形分布規(guī)律正常,垂直縫、周邊縫變位正常。
a.修復(fù)損壞的面板混凝土以及垂直縫、周邊縫止水。
b.待發(fā)電引水洞通過(guò)調(diào)試,具備過(guò)水條件后,重新制定導(dǎo)流洞封堵方案。
水庫(kù)總庫(kù)容12.1億m3。樞紐建筑物主要由主壩、副壩、電站重力壩、正常溢洪道、非常溢洪道、新增非常溢洪道等組成。
主壩為水中填土均質(zhì)壩,壩頂長(zhǎng)1757.63m,壩頂高程128.70m,最大壩高30.7m,副壩亦為水中填土均質(zhì)壩(部分壩體為碾壓式均質(zhì)壩),壩頂長(zhǎng)6907.3m,壩頂高程129.20m,最大壩高19.2m,主副、副壩加固時(shí)又做了混凝土防滲墻:重力壩為常態(tài)混凝土壩,內(nèi)含輸水洞和發(fā)電洞,壩頂長(zhǎng)136.5m,壩頂高程128.00m,最大壩高28m。
正常溢洪道為岸邊開(kāi)敞式實(shí)用堰,堰頂高程113.00m,凈寬96.0m,分8孔布置,泄洪底孔2孔;非常溢洪道為岸邊胸墻式寬頂堰,堰頂高程108.00m,堰頂凈寬85.8m,分11孔布置;新增非常溢洪道為5孔胸墻式寬頂堰,堰頂高程108.00m,凈寬60m;靈正渠涵管為主壩內(nèi)圓形埋管,管徑1.45m。
2016年7月21日8時(shí),水庫(kù)工程技術(shù)人員在副壩巡查時(shí),發(fā)現(xiàn)副壩壩前水面出現(xiàn)較大范圍的“冒泡翻滾”現(xiàn)象,具體分布為沿壩軸線長(zhǎng)約500m(5+000~5+500,距塌坑段1000.0m),距水邊約30.0m起呈點(diǎn)狀或平行于壩軸線的條帶狀。起初較平緩,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),翻花現(xiàn)象越來(lái)越活躍,從水邊一直延伸到壩前約200.0m左右,水邊的幾個(gè)翻花點(diǎn)能聽(tīng)到呼嚕聲響,冒泡處有明顯氣感,見(jiàn)圖13、圖14。
圖13 大面積“冒泡翻滾”1
圖14 大面積“冒泡翻滾”2
水庫(kù)快速蓄水過(guò)程主要發(fā)生在2016年7月19日20時(shí)—20日21時(shí)時(shí)段內(nèi),該階段庫(kù)水位過(guò)程線為:墻前測(cè)壓管與庫(kù)水位上升基本同步,在正常范圍內(nèi),墻后測(cè)點(diǎn)無(wú)明顯異常。墻前測(cè)點(diǎn)與庫(kù)水位相關(guān)性更加明顯,反映壩防滲墻效果比較顯著。
a.從滲流資料分析情況看,墻前滲壓與庫(kù)水位上升基本同步,在正常范圍內(nèi),墻后測(cè)點(diǎn)滲壓無(wú)明顯異常,且防滲墻防滲效果良好,建議繼續(xù)開(kāi)展?jié)B流觀測(cè),及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理分析,為工程運(yùn)行狀態(tài)提供依據(jù)。滲壓計(jì)布置見(jiàn)圖15。
圖15 滲壓計(jì)布置
b.庫(kù)水位急速上升過(guò)程中,大壩表面變形總體正常,建議加密并盡快開(kāi)展大壩表面變形觀測(cè),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)分析,為工程運(yùn)行狀態(tài)提供依據(jù)。
a.防滲墻后測(cè)線(壩頂、下游坡腳),壩體、壩體與壩基接觸部位未發(fā)現(xiàn)明顯低密或富水異常。
b.防滲墻前測(cè)線1(距當(dāng)前水位線5.0m)樁號(hào)4+982~4+988處,有一明顯低密異常區(qū),發(fā)育深度在9.0~19.0m;結(jié)合地質(zhì)資料,該區(qū)位于砂層;樁號(hào)5+406~5+417處有一明顯低密異常區(qū),發(fā)育深度在10.0~17.0m,結(jié)合地質(zhì)資料,該區(qū)位于砂層;其余壩體、壩體與壩基接觸部位未發(fā)現(xiàn)上述現(xiàn)象。
c.所探測(cè)樁號(hào)4+800~5+800段,壩體、壩體與壩基接觸部位未發(fā)現(xiàn)明顯異常滲流情況,目前壩體滲流性態(tài)正常。上述2處在上游壩腳附近、埋置較深的明顯低密異常區(qū)對(duì)壩體穩(wěn)定無(wú)影響。
a.從滲流資料分析情況看,墻前滲壓計(jì)與庫(kù)水位上升基本同步,在正常范圍內(nèi),墻后測(cè)點(diǎn)滲壓水位無(wú)明顯異常,防滲墻防滲效果較好,建議繼續(xù)開(kāi)展?jié)B流觀測(cè),及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理分析,為工程運(yùn)行狀態(tài)提供依據(jù)。
b.探測(cè)出來(lái)的明顯低密異常位置,對(duì)壩體穩(wěn)定無(wú)影響,必要時(shí)作進(jìn)一步探測(cè)。
以上4座水庫(kù)土石壩險(xiǎn)情處置是典型案例,提出的險(xiǎn)情處置意見(jiàn)和經(jīng)驗(yàn),可在今后類似水庫(kù)大壩應(yīng)急險(xiǎn)情處置中借鑒。