1 工程概況
八一水庫(kù)位于新疆昌吉州米泉縣境內(nèi)，始建于1952年。水庫(kù)總庫(kù)容3500萬(wàn)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(kù)。
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(kāi)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(kù)加固工程于2003年9月15日開(kāi)始施工，泄洪涵洞基礎(chǔ)土方開(kāi)挖于9月20日完成，隨后進(jìn)行洞身澆筑。11月11日開(kāi)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(kù)水位由459.50m猛漲至462.50m，以后緩慢上升，12月29日庫(kù)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(kù)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(wàn)m3。
2 潰壩過(guò)程
1月21日13時(shí)30分，水庫(kù)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(kù)內(nèi)冰凍層厚達(dá)60cm，未能及時(shí)鑿開(kāi)冰面找到進(jìn)口，搶險(xiǎn)措施無(wú)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(kù)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(guò)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(kāi)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(kù)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(kù)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(kāi)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(kāi)始逸出點(diǎn)，則壩體開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(wú)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
3.2.1 為非正常條件下的滲透破壞 上述分析表明，壩體填土的允許水力比降為0.52，對(duì)表1中的黏土而言，0.52值已經(jīng)小于工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)[1]，更小于常見(jiàn)的室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)[2]，但實(shí)際出現(xiàn)的水力比降為0.093，比壩身土料的允許水力比降還小，在正常條件下絕不應(yīng)產(chǎn)生滲透破壞，唯一原因是壩頂產(chǎn)生了橫向貫通性的裂縫，致使壩體抗?jié)B強(qiáng)度降低，造成滲透破壞。
3.2.2 壩體上部填土質(zhì)量低不是直接原因 開(kāi)始分析滲透破壞的原因時(shí)，認(rèn)為壩體上部463.40m高程以上填土質(zhì)量低是滲透破壞的直接原因，經(jīng)仔細(xì)分析，認(rèn)為并非如此，主要理由如下。
(1)從滲流由壩坡逸出的時(shí)間來(lái)分析，因庫(kù)水位由463.40m上升到464.04m歷時(shí)僅23d，如果壩頂無(wú)裂縫，滲流不可能很快由壩頂逸出。眾所周知，滲流破壞開(kāi)始于滲流出口，這表明壩體滲透破壞前滲流一定要先從下游壩坡463.40m高程處逸出，才會(huì)造成壩體滲透破壞。由于庫(kù)水位并非長(zhǎng)期穩(wěn)定在464.04m，是從463.40m在23d的上升過(guò)程中逐漸達(dá)到的，故應(yīng)取其一半值，為0.32m。計(jì)算結(jié)果，滲流要從463.40m高程逸出，需時(shí)219d，若安全系數(shù)取4，也需55d。以上計(jì)算是在假定壩體已經(jīng)飽和，滲流符合達(dá)西定律。若是非飽和土體，滲流邊充填土體孔隙，邊向前推移，要從下游壩坡出逸，需時(shí)更長(zhǎng)。雖然填土的施工質(zhì)量較低，但仍然是在高含水量的情況下填筑的，不可能有干松土層，滲透系數(shù)不會(huì)大于上述假定值，在23d內(nèi)滲流不會(huì)逸出下游壩坡，因而壩體不可能滲透破壞。
(2)滲流從下游壩坡開(kāi)始逸出的高程為462.00m，低于松填土層最低高程463.40m，實(shí)際是在填筑質(zhì)量較好的土層中，表明不是由于松填土層直接造成的。
(3)滲流出口破壞形狀是垂直向的長(zhǎng)條形，不是呈水平向的長(zhǎng)條形，如果是沿施工時(shí)的薄弱層面破壞，出口破壞形狀至少是橢圓形，在破壞初期也可能是沿水平層面的長(zhǎng)條形，只有垂直裂縫沖刷，在初期階段才可能是豎直向的長(zhǎng)條形。
3.2.3 壩頂產(chǎn)生了橫向裂縫 從新填壩段的施工速度、地形及泄洪涵洞外壁的結(jié)構(gòu)形式等方面分析，新填壩段(老壩開(kāi)挖邊坡的坡腳上部)竣工后會(huì)產(chǎn)生橫向裂縫，原因如下。
(1)壩體施工速度過(guò)快，竣工后沉降量大。新填段6.5m高的壩體是在7d內(nèi)完成的，平均日填筑高度0.93m。這樣快的施工速度，填土的主要沉降不可能在施工期完成，一定會(huì)延續(xù)到竣工后，結(jié)果必然加大竣工后的沉降量。一般工程經(jīng)驗(yàn)表明，黏土的壓實(shí)功能以普氏壓實(shí)功能為標(biāo)準(zhǔn)，壓實(shí)后施工期的沉降量可達(dá)壩高的3%[4]。不考慮施工質(zhì)量較低的因素，按一般情況3%計(jì)算，在壩體竣工后的短期內(nèi)，靠老壩開(kāi)挖邊坡的坡腳處(如圖1中的A′位置)，新填壩體施工期的沉降量可達(dá)0.195m。由于施工速度過(guò)快，假定施工期的實(shí)際沉降量只完成正常施工速度下的一半，仍有0.098m的沉降量需在竣工后的短期內(nèi)完成。
(2)壩體產(chǎn)生不均勻沉降，而且沉降差較大。如圖1所示，A′點(diǎn)以右是老壩壩體，沉降早已穩(wěn)定，所以竣工后新填壩體壩頂A′點(diǎn)到B點(diǎn)的沉降量由0.098m遞減到0，差值為0.098m。圖1中的C點(diǎn)下部是泄洪涵洞，洞頂填土只有2.60m，僅占?jí)胃?.50m的40%，竣工后最大沉降只有0.039m，與A′點(diǎn)的沉降相比較，二者之間壩頂?shù)某两挡钸_(dá)0.059m。
(3)以上分析結(jié)果表明，A-A′剖面附近壩頂會(huì)產(chǎn)生橫向裂縫。若γ≥1%，則壩體會(huì)產(chǎn)生裂縫[5]。分析圖1中A′、B兩點(diǎn)之間的傾度，壩高為6.50m，開(kāi)挖邊坡為1∶1，因而LA’-LB=6.50m，則傾度γAC=1.5%>1%。同樣，分析A′、C兩點(diǎn)向的傾度，水平距離只有3.10m，γA’C=1.9%>1%，均表明在A-A′斷面附近會(huì)產(chǎn)生橫向裂縫。
(4)從泄洪涵洞外壁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，同樣表明，新填壩體將會(huì)產(chǎn)生較大的不均勻沉降差。泄洪涵洞外壁截滲環(huán)外徑過(guò)大過(guò)密，結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，不利于新填壩體的均勻沉降。由圖2可見(jiàn)，從泄洪涵洞閘門(mén)后的第一道結(jié)構(gòu)連接環(huán)到出口擋土墻之間只有15m，中間除設(shè)一道結(jié)構(gòu)連接環(huán)外還設(shè)了兩道截滲環(huán)，截滲環(huán)與結(jié)構(gòu)連接環(huán)之間的距離僅2.80m，最末一道截滲環(huán)與出口擋土墻之間的距離也只有2.60m，而且截滲環(huán)插入壩體1.50m，距老壩開(kāi)挖邊坡坡腳只有1.60m。特別是泄洪涵洞出口的擋土墻外緣距老壩開(kāi)挖邊坡坡腳只有1.1m。在底寬只有9.0m的施工場(chǎng)地，老壩開(kāi)挖邊坡較陡，建筑物外形結(jié)構(gòu)又如此復(fù)雜，新填壩體的沉降量沿壩軸線方向肯定是不均勻的，而且向左右兩岸遞減，所以，在A-A′斷面附近，壩頂產(chǎn)生橫向裂縫是難免的。
3.2.4 橫向裂縫是壩體滲透破壞的根本原因 從黏土的防滲及抗?jié)B透破壞的能力來(lái)分析，壩體的滲透破壞是壩體橫向裂縫所造成。
(1)壩體若無(wú)裂縫，即使填土的質(zhì)量較低，滲透系數(shù)高達(dá)10-4cm/s，庫(kù)水位剛剛上升到464.04m，滲流絕不會(huì)很快從下游壩坡462.00m高程逸出。只有存在橫向裂縫的情況下，才會(huì)有滲流逸出的可能性。理論和實(shí)踐共同表明，滲流破壞開(kāi)始于滲流出口，若無(wú)滲流從壩坡逸出，壩體不會(huì)滲透破壞。
(2)新填壩體土料是黏土，即使填土施工質(zhì)量較差，若無(wú)裂縫存在，至少也有0.52的允許抗?jié)B強(qiáng)度，絕不會(huì)在0.093的水力比降下滲透破壞。黏土具有較高的抗?jié)B強(qiáng)度，因而過(guò)去在選擇大壩防滲土料時(shí)為優(yōu)先選擇對(duì)象，但黏土一旦產(chǎn)生裂縫，抗沖刷能力甚至不如砂性土。因而，從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，將防止防滲體產(chǎn)生裂縫和產(chǎn)生裂縫后防止?jié)B流沖刷置于重要地位[6]。
八一水庫(kù)滲透破壞開(kāi)始時(shí)的水力比降遠(yuǎn)小于黏土的允許水力比降，只有裂縫滲流才會(huì)導(dǎo)致滲透破壞。
(3)由圖1可見(jiàn)，滲流出口的位置正好位于沉降量最大的A-A′斷面，亦即最易產(chǎn)生橫向裂縫的位置。就開(kāi)始發(fā)現(xiàn)的滲流破壞的洞口形狀而言，為0.5m×1.0m的豎向長(zhǎng)條形，也表明是沿橫向裂縫的沖刷。就出口的高程而言，恰好位于壩頂橫向裂縫的末端。一般情況下，壩頂橫向裂縫的深度3～6m，由于側(cè)向壓力的作用，裂縫不可能發(fā)展太深，壩高則裂縫深，壩矮則裂縫淺[7]。八一水庫(kù)潰壩段壩高只有6.5m，若產(chǎn)生橫向裂縫，深度也只會(huì)在3m左右。出險(xiǎn)情況調(diào)查結(jié)果表明，下游壩坡滲流開(kāi)始逸出高度約低于壩頂4m，表明壩體滲流是從裂縫端部開(kāi)始并沖刷壩體。
(4)壩工專家J.L.Sheard[8]總結(jié)了多座均質(zhì)土壩滲透破壞實(shí)例，最后得出結(jié)論，滲透破壞主要是裂縫所造成。
3.2.5 上游壩面新鋪土工膜未起防滲作用 大壩加固時(shí)在上游面新設(shè)了一道土工膜，按理可以防止大壩的裂縫沖刷，實(shí)際情況是土工膜未起到防滲作用。主要原因是設(shè)計(jì)不合理，防滲土工膜下多設(shè)了一層厚40cm的砂礫石墊層。土工膜一旦有漏水的地方，砂礫石就會(huì)全飽和，與庫(kù)水直接相連通，使土工膜全線失去防滲作用。八一水庫(kù)大壩上游面土工膜與泄洪涵洞外壁的連接未黏結(jié)或牢固固定，而是采用簡(jiǎn)單的搭接的方法，加之施工期短，又是作為臨時(shí)擋水之用，因而很難保證土工膜與泄洪涵洞洞壁的緊密連接。土工膜的局部漏水不會(huì)影響其整體防滲性能，壩體出現(xiàn)裂縫，仍可以起到防止裂縫沖刷的作用，但因膜后增設(shè)了砂礫石墊層，使土工膜鋪設(shè)時(shí)可能出現(xiàn)的弱點(diǎn)在運(yùn)行中暴露無(wú)遺，全部失去防滲作用，不能協(xié)助防止壩體裂縫沖刷。
4 經(jīng)驗(yàn)及教訓(xùn)
通過(guò)對(duì)八一水庫(kù)潰壩原因的分析，得出以下經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)。
(1)小型均質(zhì)土壩壩身具有很好的防滲性能，不需在上游另設(shè)土工膜防滲，增設(shè)土工膜防滲往往是多余的，更不應(yīng)在土工膜下另設(shè)砂礫石墊層，以免全部失效，應(yīng)使土工膜與壩體直接相鄰接。
(2)泄洪涵洞洞身下游段不應(yīng)設(shè)置截滲環(huán)，以免施工場(chǎng)地狹窄，不易保證洞身外壁與大壩間的填土質(zhì)量，更不允許截滲環(huán)插入壩體過(guò)長(zhǎng)，以防洞身外的填土產(chǎn)生過(guò)大的不均勻沉降。成功的經(jīng)驗(yàn)是在壩軸線以下沿截滲環(huán)外壁鋪設(shè)后濾層，直通下游，以防沿壁接觸滲流沖刷[7]，同時(shí)可防止沿壁滲流遇到泄洪洞身的薄弱之處時(shí)流進(jìn)洞內(nèi)，造成洞身混凝土的侵蝕。
(3)在老壩上新建泄洪涵洞時(shí)，設(shè)計(jì)開(kāi)挖斷面要有足夠的尺寸，以保證新填壩體具有一定的施工場(chǎng)面，確保壩體填筑質(zhì)量，并避免新填壩體填土與老壩之間產(chǎn)生過(guò)大的不均勻沉降差而產(chǎn)生橫向裂縫。
(4)大壩填筑速度過(guò)快，竣工后的短期內(nèi)壩體將產(chǎn)生較大的沉降，新老壩體之間容易產(chǎn)生開(kāi)裂。蓄水運(yùn)行初期應(yīng)密切觀察壩頂裂縫，以防高水位時(shí)裂縫滲流沖刷。
(5)新建大壩在第一次高水位運(yùn)行時(shí)最容易出現(xiàn)滲透破壞，應(yīng)加強(qiáng)壩面巡視，特別是要觀察下游壩坡有無(wú)滲流逸出，滲流逸出處有無(wú)反濾保護(hù)，若無(wú)反濾保護(hù)，應(yīng)作搶險(xiǎn)準(zhǔn)備。壩面巡視次數(shù)，最好上、下午各一次，以便盡早發(fā)現(xiàn)滲流逸出現(xiàn)象。
⑥大壩出現(xiàn)滲透破壞險(xiǎn)情時(shí)，應(yīng)首先在下游出險(xiǎn)處快速鋪砂礫石料，既不阻止?jié)B流的逸出，又可防止壩體土粒的流失。若土粒不斷流失，表明砂礫石料過(guò)粗，應(yīng)及時(shí)更換砂礫石料。若漏水量大于50L/s以上，應(yīng)在上游尋找滲流進(jìn)口，同時(shí)拋填砂礫石料，使砂礫石料進(jìn)入滲流通道，防止?jié)B流通道的繼續(xù)沖刷。
