卡馬水庫(kù)大壩滑塌原因分析

周克發(fā),龍智飛,王昭升,張士辰

(南京水利科學(xué)研究院大壩安全與管理研究所,江蘇南京 210029)

1 卡馬水庫(kù)大壩概況

卡馬水庫(kù)位于廣西壯族自治區(qū)河池市羅城縣境內(nèi)的龍江支流卡馬河上,是一座以灌溉為主,兼顧防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合利用的小(1)型水庫(kù),總庫(kù)容為930×104m3,死水位為194.20m(黃海高程,下同),正常蓄水位為220.10m,50年一遇設(shè)計(jì)洪水位為222.49m,500年一遇校核洪水位為223.89m。水庫(kù)始建于1957年,1958年建成,大壩原設(shè)計(jì)為7.40m高的漿砌石滾水壩。1971年9月對(duì)滾水壩進(jìn)行擴(kuò)建,1981年2月主體工程竣工,達(dá)到現(xiàn)狀規(guī)模。樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水涵管、壩后灌溉涵洞、壩下導(dǎo)流洞組成。樞紐平面布置見(jiàn)圖1。大壩壩頂高程為224.80m,最大壩高為38.70m,壩頂長(zhǎng)250.3m,壩頂寬4.20～4.70m。大壩名為混凝土面板干砌石重力壩,實(shí)際上為組合壩型——斜混凝土防滲墻堆石壩[1]。大壩典型斷面見(jiàn)圖2。

因工程質(zhì)量差、結(jié)構(gòu)老化、滲漏嚴(yán)重,該水庫(kù)大壩于2007年被鑒定為三類壩,并于2008年9月開(kāi)始除險(xiǎn)加固施工。2009年6月24日,受強(qiáng)降雨影響,庫(kù)水位快速上升,大壩導(dǎo)流洞進(jìn)口堵體被擊穿,出現(xiàn)嚴(yán)重漏水險(xiǎn)情;7月3日,導(dǎo)流洞出口邊坡因沖刷滑塌,并引起上部壩體滑塌,險(xiǎn)情加劇。險(xiǎn)情發(fā)生后,國(guó)家防汛抗旱總指揮部、廣西壯族自治區(qū)政府以及河池市政府領(lǐng)導(dǎo)高度重視,快速響應(yīng),果斷處置,成立了卡馬水庫(kù)抗洪搶險(xiǎn)指揮部和現(xiàn)場(chǎng)專家組。經(jīng)各方努力,采取開(kāi)挖右岸排洪渠、拓挖左岸溢洪道、壩腳堆石壓重、導(dǎo)流洞進(jìn)口封堵等應(yīng)急處理措施,險(xiǎn)情得到了有效控制。

2 壩體滑塌原因調(diào)查與初步判斷

2009年7月3日17:30庫(kù)水位達(dá)到最高洪水位219.95m;20:00左右導(dǎo)流洞出口被滑塌的巨石堵塞,并引起壩頂部分長(zhǎng)約20m、高約15m的壩體滑塌,滑塌壩段樁號(hào)為0+024.5～0+044,壩頂部分滑塌寬度為19.5m,底部滑塌寬度為12.6m,底部高程為213.00m。

圖1 工程樞紐平面布置示意圖

圖2 大壩典型斷面圖

通過(guò)對(duì)當(dāng)時(shí)在場(chǎng)人員(約15人)的走訪調(diào)查獲知,2009年7月3日20:00左右導(dǎo)流洞出口左側(cè)發(fā)生滑坡,先是土塊滑至導(dǎo)流洞出口頂部,隨后2塊條石滑落至導(dǎo)流洞上方,另外,早在2008年10月施工電線搭建時(shí)左岸山坡已下沉約10 cm;值班民警反映,開(kāi)始時(shí)壩面有少量塊石滑落,隨后大片塊石滑落,發(fā)出巨大響聲,隨即接到上級(jí)指令,鳴槍示警,通知全體工作人員撤離;多位現(xiàn)場(chǎng)搶險(xiǎn)專家組成員反映,7月3日20:15左右導(dǎo)流洞左岸巖體先滑塌,將導(dǎo)流洞出口堵塞,發(fā)出巨大響聲,隨后上方壩體堆石塌落,壩腳灌溉涵洞頂部約194.00m高程附近有水冒出。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)導(dǎo)流洞出口被巨石堵塞,見(jiàn)圖3。

綜合上述調(diào)查情況,初步判斷壩體滑塌原因?yàn)閷?dǎo)流洞出口被滑塌的巨石瞬間堵塞后產(chǎn)生水擊現(xiàn)象,庫(kù)水一方面沿著與導(dǎo)流洞連接的灌溉涵洞破損洞壁向壩體擴(kuò)散,大量水流從下游壩坡約194.00m高程處條石縫間逸出;另一方面瞬間產(chǎn)生的水擊對(duì)壩體造成了短暫的較大沖擊振動(dòng),巨大聲響即來(lái)自水擊作用及其導(dǎo)致的壩體振動(dòng),隨即引發(fā)上部壩體滑塌。

圖3 導(dǎo)流洞出口巨石堵塞現(xiàn)場(chǎng)

3 水擊作用分析

3.1 水擊傳播速度計(jì)算

類似于水電站機(jī)組瞬間關(guān)閉導(dǎo)致有壓運(yùn)行的導(dǎo)流洞發(fā)生水擊,卡馬水庫(kù)導(dǎo)流洞出口被滑落的巨石瞬間堵塞的過(guò)程也會(huì)導(dǎo)致有壓運(yùn)行的導(dǎo)流洞發(fā)生水擊,屬直接水擊。水擊波的傳播速度是影響水擊壓力的重要參數(shù),直接水擊可按式(1)計(jì)算[2]:

式中:a為水擊波的傳播速度,m/s;ε為水的彈性模量,GPa;D為壓力管直徑,m;E為漿砌石的彈性模量,GPa;δ為壓力管管壁的計(jì)算厚度,m。

本次卡馬水庫(kù)導(dǎo)流洞水擊傳播速度有關(guān)計(jì)算參數(shù)取值如下:ε=2.1GPa;由于水擊計(jì)算公式考慮的是圓形斷面,因此本次估算近似取用導(dǎo)流洞上部半圓形斷面的直徑,即D=1.2 m,δ=0.5 m;參考SL 25—2006《砌石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》,并考慮到漿砌石體力學(xué)性能較差,其彈性模量應(yīng)較低,取E=0.2GPa。將有關(guān)參數(shù)代入式(1)得a=280.35m/s。

3.2 水擊壓力估算

水擊壓力水頭增量按式(2)計(jì)算[2]:

式中:ΔH為水擊壓力水頭增量,m;H為水擊壓力水頭,m;H0為初始水頭,m;v為壓力管道中水擊發(fā)生后的流速,m/s,v=0;v0為壓力管道中水流的初始速度,m/s;g為重力加速度,g=9.8m/s2。

當(dāng)水擊發(fā)生時(shí),庫(kù)水位為219.95m,導(dǎo)流洞橫截面面積S=1.2m×1.1m+0.25π×(1.2m)2×0.5=1.855m2,下泄流量Q=15.9m3/s,則水流初始流速v0=Q/S=8.571m/s。將有關(guān)參數(shù)代入式(2),得ΔH=245.19m。

3.3 水擊振動(dòng)荷載的估算

根據(jù)卡馬水庫(kù)導(dǎo)流洞洞體特征,結(jié)合此次水擊實(shí)際情況,可假設(shè)水擊振動(dòng)荷載沿導(dǎo)流洞直線分布[2],導(dǎo)流洞進(jìn)口處為零,出口處最大,即出口處的水頭壓強(qiáng)p出口=2402.9kPa(245.19mH2O),見(jiàn)圖4。因?qū)Я鞫磧?nèi)各斷面上的水擊壓力順徑向作用于洞壁,為確定水擊振動(dòng)荷載瞬間作用于洞身上部滑坡段豎直向上的力,可將洞內(nèi)各斷面上的所有徑向水擊壓力分解至豎直向上方向。設(shè)導(dǎo)流洞上部圓弧半徑為r,則出口部位截面豎直向上的壓力P出口=2p出口r,而進(jìn)口部位截面豎直向上的壓力P進(jìn)口=0?？紤]到滑坡段壩體覆蓋導(dǎo)流洞整個(gè)長(zhǎng)度中部,導(dǎo)流洞全長(zhǎng)75m,壩踵距離進(jìn)口約10m,壩趾距離出口約5m,則壩踵、壩趾處水擊壓力值分別為P壩踵=0.1333P出口 =0.267p出口r,P壩趾 =0.9333P出口 =1.867p出口r。則導(dǎo)流洞上部滑坡段壩體所受豎直向上的水擊作用總力P總=(P壩踵+P壩趾)×(75m-10m-5m)×0.5=92299kN。

圖4 水擊振動(dòng)荷載沿導(dǎo)流洞直線分布示意圖

壩體干砌石濕密度取試驗(yàn)平均值1890kg/cm3,水擊發(fā)生瞬間受水擊作用的壩體段長(zhǎng)度按實(shí)際滑坡長(zhǎng)度20m計(jì),受水擊作用的壩體底高程按導(dǎo)流洞頂平均高程193.55m計(jì)。經(jīng)計(jì)算,受水擊壓力作用的壩體體積為18780m3,質(zhì)量為35494.2t,則水擊發(fā)生瞬間作用于滑坡壩段豎直向上的加速度a0=92299kN/35 494.2 t=2.601 m/s2=0.265g(g取9.8m/s2),該加速度值介于Ⅷ度地震對(duì)應(yīng)的地震動(dòng)峰值加速度0.2g與Ⅸ度地震對(duì)應(yīng)的地震動(dòng)峰值加速度0.4g之間。鑒于水擊振動(dòng)荷載估算采用圓形斷面,與實(shí)際斷面不同,且在水擊發(fā)生時(shí)導(dǎo)流洞在出口上游部分與灌溉涵洞連通,這會(huì)產(chǎn)生較大的能量耗散;水擊振動(dòng)荷載通過(guò)洞壁與壩體產(chǎn)生相互作用,又會(huì)有一定的能量消耗。因此,模擬分析水擊作用對(duì)壩體滑坡的影響時(shí),水擊發(fā)生瞬間作用于滑坡壩段豎直向上的加速度值應(yīng)做適當(dāng)?shù)恼蹨p。

4 壩坡穩(wěn)定計(jì)算分析

4.1 計(jì)算斷面及計(jì)算方法

選擇0+030斷面作為計(jì)算斷面,并將壩體斷面分成5個(gè)區(qū),計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖5。對(duì)滑坡體滑塌前的穩(wěn)定性及水擊振動(dòng)荷載對(duì)壩體的影響進(jìn)行模擬分析。計(jì)算方法采用斯賓塞法,穩(wěn)定分析近似按二維問(wèn)題考慮,滑動(dòng)面采用下游坡滑塌后的不規(guī)則曲面。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查[1],初步判定壩體滑塌前導(dǎo)流洞水擊產(chǎn)生的水體進(jìn)入壩體內(nèi)部,但這部分水體基本不影響壩體安全性,因此,主要分析上部干堆石壩體部分的穩(wěn)定性。穩(wěn)定計(jì)算時(shí),上游水位取壩體滑塌前的庫(kù)水位219.95m。水擊振動(dòng)荷載對(duì)壩體下游坡穩(wěn)定性的影響采用擬靜力法進(jìn)行分析,僅考慮豎向振動(dòng)荷載的作用,豎向加速度分別取0.05g,0.10g,0.20g和0.30g。

圖5 0+030斷面壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖

4.2 堆石體咬合力合理性分析

若不考慮堆石體咬合力c′(本文指壩體塊石之間的黏結(jié)力),按無(wú)滲流作用下的無(wú)黏性土坡分析,堆石體壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式如下:

式中:Fs為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);m為壩坡坡比的倒數(shù);φ為無(wú)黏性土的內(nèi)摩擦角。

由式(3)可知,堆石體壩坡要達(dá)到極限平衡狀態(tài)(Fs=1),堆石體的內(nèi)摩擦角要達(dá)到61.2°。顯然,所要求的內(nèi)摩擦角數(shù)值過(guò)大,這不符合卡馬水庫(kù)大壩壩體的實(shí)際情況,因此,應(yīng)考慮堆石體咬合力的作用。堆石體咬合力c′分別選取5kPa,7.5kPa和10kPa進(jìn)行穩(wěn)定分析。壩坡穩(wěn)定分析計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 壩坡穩(wěn)定分析計(jì)算參數(shù)

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)表1,滑坡體滑塌前0+030斷面下游坡壩體穩(wěn)定分析計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知,在靜力條件下,大壩運(yùn)行多年基本保持了穩(wěn)定狀態(tài),壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)大于1。從計(jì)算結(jié)果看,c′取 5kPa時(shí),靜力條件下穩(wěn)定安全系數(shù)為1.026,因此,c′下限取5kPa較合理。本次發(fā)生的水擊振動(dòng)荷載加速度約為0.265g,對(duì)照表2,若c′取10kPa,水擊振動(dòng)荷載0.30g對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.112,安全系數(shù)大于1,與壩坡已失穩(wěn)破壞的實(shí)際情況不相符;c′取7.5kPa時(shí),水擊振動(dòng)荷載0.20g和0.30g分別對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.012和0.974,與壩坡處于穩(wěn)定臨界狀態(tài)時(shí)的安全系數(shù)很接近,與壩坡在0.265g的水擊作用下失穩(wěn)相吻合,符合實(shí)際情況?？梢?jiàn),c′上限取7.5kPa較合理。由前述分析可知,當(dāng)c′取5～7.5kPa時(shí),下游坡壩體在靜力條件下穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求,在水擊振動(dòng)荷載作用下穩(wěn)定安全系數(shù)大多小于1,因此,c′取5～7.5kPa是比較合理的。

表2 0+030斷面壩坡穩(wěn)定分析計(jì)算結(jié)果

根據(jù)SL 228—98《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,當(dāng)填筑材料為硬巖堆石料時(shí),上、下游壩坡坡度可采用1∶1.3～1∶1.4,軟巖堆石體應(yīng)適當(dāng)放緩;當(dāng)用性能良好的天然砂礫石料填筑時(shí),上、下游壩坡坡度可采用1∶1.5～1∶1.6。相比較之下,卡馬水庫(kù)大壩壩坡偏陡,在振動(dòng)情況下出現(xiàn)滑坡是必然的。

5 結(jié) 語(yǔ)

在搶險(xiǎn)記錄、事后現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、補(bǔ)充地質(zhì)勘察、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與監(jiān)測(cè)等基礎(chǔ)上,考慮到大壩運(yùn)行多年基本保持穩(wěn)定狀態(tài),認(rèn)為大壩壩坡偏陡、穩(wěn)定安全系數(shù)偏小是造成壩體滑塌的內(nèi)因,而導(dǎo)流洞水擊振動(dòng)荷載作用則是造成壩體滑塌的外因。建議在大壩加固措施實(shí)施前加強(qiáng)高水位的巡視檢查,保留洪水的下泄通道,確保大壩安全,并在加固措施實(shí)施時(shí)做好施工組織計(jì)劃及應(yīng)急預(yù)案。

:

[1]李雷,龍智飛,張士辰,等.廣西壯族自治區(qū)羅城仫佬族自治縣卡馬水庫(kù)大壩安全評(píng)估及處置對(duì)策研究[R].南京:南京水利科學(xué)研究院;河池:廣西河池水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,2009.

[2]華東水利學(xué)院.水力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,1979.