東谷水庫溢洪道水毀原因分析與教訓(xùn)

蔡曉鴻，聶永輝，蔡勇平，蔡勇斌

（1.江西省吉安市水利局，江西吉安，343000；2.宜春市錦北灌區(qū)管理局，江西宜春，330800；3.江西省吉安市水利水電規(guī)劃設(shè)計院，江西吉安，343000)

0 引言

東谷水庫水利樞紐工程是一座以灌溉和發(fā)電為主，兼有防洪及其他效益的大（2）型水庫，工程等別為Ⅱ等。水庫總庫容1.214億m3，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期100年，設(shè)計洪水位148.0 m，溢洪道泄洪流量1 360 m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期2 000年，校核洪水位149.19 m，溢洪道泄洪流量1 690 m3/s；消能防沖建筑物設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為重現(xiàn)期50年，相應(yīng)庫水位148.0m，溢洪道下泄流量1 130 m3/s。

東谷水庫于2007年6月動工興建，2010年1月通過下閘蓄水驗收，當(dāng)月開始蓄水投入運用。溢洪道控制段長26 m（樁號0-008～0+018），控制堰為WES實用堰，堰頂高程137.0 m，孔口尺寸2×11.5 m×10 m（孔數(shù)×寬×高），采用弧形鋼閘門控制?？刂贫魏蠼犹菪涡共鄱危短?+018～0+237.83），泄槽底坡1∶5。泄槽底寬由26.2 m漸縮至22 m（樁號0+018～0+038），然后經(jīng)長130 m的等底寬泄槽（樁號0+038～0+0+168）再漸擴至30 m（樁號0+168～0+198），其后為長39.83 m（樁號0+198～0+237.83）、底寬30 m泄槽，泄槽邊墻坡比1∶0.5。泄槽底板為C25混凝土結(jié)構(gòu)，兩側(cè)邊墻與底板間設(shè)有縱縫，橫縫間距為15～22.5 m，底板設(shè)計混凝土厚度為0.4～0.6 m（施工實際澆筑混凝土厚度為0.3～0.38 m），板塊布設(shè)有φ12@250構(gòu)造鋼筋，設(shè)置入巖1.6 m、間距4 m的φ22錨筋；泄槽布設(shè)有2道摻氣槽。泄槽末端接消力池，消力池長35 m，寬30 m，深5 m；池內(nèi)設(shè)有消力墩，出口設(shè)有消力尾檻，消力池護(hù)坦為C25混凝土結(jié)構(gòu)，護(hù)坦按15 m×13.5 m（長×寬）設(shè)置分縫，護(hù)坦混凝土厚1.2 m，布設(shè)φ12@250構(gòu)造鋼筋，設(shè)有入巖3.5 m、間距2 m的φ25錨筋。

2014年5月24 ～25日，安?？h普降大暴雨，東谷水庫庫區(qū)平均降雨量102.5 mm，致使庫水位快速上漲，庫水位由5月24日8時的146.82 m上升至5月25日3時的147.3 m，隨即開啟閘門泄洪。2扇弧形閘門開度均為0.4 m，相應(yīng)的下泄流量為90.4 m3/s。5月25日5時25分，庫水位上漲至147.56 m，2扇弧門開度加大至0.7 m，下泄流量為159 m3/s。7時29分發(fā)現(xiàn)溢洪道泄槽底板原有冒水裂縫、孔洞部位及分縫部位涌水出流，隨后，險情迅速擴大，泄槽段全線混凝土底板出現(xiàn)揭底失穩(wěn)、掀起、沖移破壞，部分邊墻坍塌，下部基巖形成沖槽、沖坑下切。

東谷水庫溢洪道失事調(diào)查表明，溢洪道泄槽首先在末段板塊發(fā)生揭底失穩(wěn)破壞，其破壞過程大體可劃分為3個子過程。一是板塊結(jié)構(gòu)縫擴展，分縫止水破壞子過程。板塊原有冒水裂縫部位及伸縮縫止水在高速水流沖擊與來流夾砂石雜物磨損碰撞及脈動壓力水高頻交變作用下，裂縫快速擴展、分縫止水瞬間遭受破壞。二是板塊與基巖分離子過程。脈動壓力水通過貫穿裂縫與被破壞的分縫止水進(jìn)入板塊底面縫隙層并迅速傳播，由于板塊頂面、底面的脈動壓力波傳播速度差異顯著，板塊底面脈動壓力波波速往往較頂面壓力波波速大1～2個數(shù)量級（m/s），于是板塊不斷受到劇烈、強大的脈動上舉力作用，導(dǎo)致板塊和基巖分離，錨筋與所錨固基巖松動失去作用，錨筋甚至被剪斷或拉斷。三是板塊揭底失穩(wěn)沖移子過程。與基巖脫離的板塊，在水流脈動上舉力作用下，在高速水流作用下起動出穴，并發(fā)生掀起、沖移破壞。

1 脈動上舉力計算公式

前面對溢洪道泄槽底板板塊發(fā)生揭底破壞的原因、機理進(jìn)行了定性探討，下面從理論上進(jìn)行定量計算分析，以查明溢洪道泄槽發(fā)生水毀的主要原因。

[1]分別給出了溢洪道泄槽底板與消力池護(hù)坦板塊在分縫止水完好條件下與分縫止水被破壞工況下改進(jìn)的抗浮穩(wěn)定計算公式，即：

式中：kf——安全系數(shù)，對于設(shè)計工況取1.2，校核工況取1.0；

P1——板塊自重，按混凝土重度計算，kN；

P2——板塊頂面上的時均壓力，kN；

P3——板塊錨筋錨固地基的有效重量，kN；

Q1——板塊頂面上的脈動壓力，kN；

Q2——板塊底面上的揚壓力，kN；

F——板塊底面上的脈動上舉力，kN；

θ——板塊底面與水平面的夾角。

作用于板塊底面上的脈動上舉力按式（3）計算：

式中：Pfr——脈動壓強，kN/m2；

A——作用面積，m2。

脈動壓強可按式（4）計算：

式中：KP——脈動壓強系數(shù)；可據(jù)SL 253-2000《溢洪道設(shè)計規(guī)范》表C.5.7-2取用；

ρω——水的密度，kg/m3；

V——計算工況下計算斷面的平均流速，m/s。

2 溢洪道泄槽水毀原因分析

2.1 水毀工況的流態(tài)計算分析

東谷水庫溢洪道泄槽水毀時的庫水位為147.56 m，控制堰2扇弧形閘門的開度均為0.7 m，相應(yīng)下泄流量為159 m3/s。經(jīng)計算，該工況下控制堰堰頂流速為V0=9.88 m/s；控制堰收縮斷面（樁號0+018）水深為h1=0.34 m，相應(yīng)流速為V1=17.85 m/s；泄槽末端斷面（樁號0+237.83 m）水深為h2=0.16 m，相應(yīng)流速為V2=33.13 m/s。

以上水力計算結(jié)果表明，在溢洪道泄洪流量為159 m3/s的弧形閘門小開度運行工況下，泄槽水流流態(tài)屬高速水流，此時將出現(xiàn)一系列異于低速水流的特殊現(xiàn)象和伴生問題，如脈動與振動、空穴與空蝕、摻氣與摻氣水流、沖擊波與斜向水躍、滾波與非恒定流等，危害溢洪道的正常運用與結(jié)構(gòu)安全。

2.2 泄槽水毀主要原因分析

東谷水庫溢洪道底板板塊間分縫采用橡膠止水帶止水，橡膠止水帶埋設(shè)不規(guī)范，縱、橫伸縮縫橡膠止水帶接合段搭接不嚴(yán)密，水毀前泄槽底板存在裂縫、孔洞冒水現(xiàn)象。泄槽底板在高速水流的沖擊與強大脈動壓力水流的劇烈變頻變幅交變作用下，貫穿性冒水裂縫、孔洞快速擴展，止水橡膠帶被撕裂、剪切以致部分或全部遭受破壞，于是高速脈動壓力水流通過裂縫、孔洞、分縫等部位進(jìn)入板塊底面縫隙層，形成作用于板塊底面的強大脈動上舉力，導(dǎo)致板塊與基巖接觸面間縫隙層不斷擴展和貫通，以致板塊與基巖分離，錨筋與所錨固的基巖松動，從而產(chǎn)生揭底失穩(wěn)破壞。

有必要指出的是，東谷水庫溢洪道泄槽段地基為綠泥石絹云母石英片巖夾鐵錳質(zhì)砂巖，呈強風(fēng)化～弱風(fēng)化狀，巖體破碎，巖性軟弱，抗沖性能差。不良的地基條件，過小的錨筋直徑與過淺的錨固入巖深度及過大的錨筋間距，使錨筋的錨固作用甚小。水毀后檢查發(fā)現(xiàn)，大部分錨筋與地基巖塊相分離，有的蕩然無存。綜上分析可知，導(dǎo)致東谷水庫板塊揭底失穩(wěn)破壞的主要荷載是作用于板塊底面上的脈動上舉力。下面以首先發(fā)生揭底失穩(wěn)破壞的溢洪道泄槽末段板塊為例進(jìn)行抗浮穩(wěn)定計算分析。

泄槽末段板塊長22.5 m，寬14.4 m，始端樁號0+215.33的高程為89.5 m，末端樁號0+237.83的高程為85.0 m。經(jīng)計算，水毀泄流工況下，泄槽末段板塊始端過流斷面水深為h3=0.165 m，相應(yīng)流速V3=32.13 m/s；據(jù)前述計算，板塊末端過流斷面水深為h2=0.16 m，相應(yīng)流速V2=33.13 m/s。

于是，泄槽末段板塊的平均流速為：

據(jù)SL253-2000《溢洪道設(shè)計規(guī)范》表C.5.7-2，取Kp=0.025。將、Kp代入式（4），得作用于泄槽末段板塊底面的脈動壓強：

將Pfr、板塊底面面積A=14.4×22.5（m2）代入式（3），得泄槽末段板塊所受脈動上舉力：

末段板塊自重：

鑒于溢洪道泄槽末段板塊在水毀工況下的過水很淺，且錨筋錨固作用甚微，于是板塊所受時均壓力、揚壓力、板塊與基巖間的錨固力均可忽略不計。從而易見，泄槽末段板塊的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受高速水流脈動上舉力控制，這一巨大脈動上舉力足以徹底摧毀溢洪道泄槽混凝土底板，如水毀現(xiàn)場所表征狀況。

3 水毀失事后應(yīng)汲取的教訓(xùn)

東谷水庫溢洪道泄槽底板發(fā)生揭底失穩(wěn)破壞，原因是多方面的。下面僅就溢洪道設(shè)計常被忽視卻不容忽視的若干問題做一粗淺分析，以期引起設(shè)計人員的重視。

（1）應(yīng)重視溢洪道不良地基的加固處理。溢洪道工程失事原因調(diào)查與分析告誡人們，設(shè)計人員往往重建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計，輕建筑物地基處理，而不良地基的簡單化處理，甚至不處理常造成工程隱患，甚至引發(fā)工程事故，東谷水庫溢洪道泄槽水毀及不良地基受洪水沖刷形成深達(dá)20 m的沖坑即為例證。

（2）應(yīng)重視宣泄低于設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)下泄流量工況的溢洪道結(jié)構(gòu)安全性復(fù)核。事實上，宣泄小流量洪水時，泄槽過水深及下游尾水深均較淺，易出現(xiàn)滾波現(xiàn)象，并發(fā)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍。

（3）應(yīng)合理設(shè)計消力池級數(shù)。眾所周知，溢洪道基面襯護(hù)設(shè)計的指導(dǎo)思想是利用襯護(hù)材料強度抵抗水流的沖擊。因此，溢洪道工程設(shè)計的一項重要任務(wù)是按流速是否滿足泄槽建材抗沖要求，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，確定是提高泄槽襯護(hù)材料抗沖流速更經(jīng)濟(jì)，還是增加消力池級數(shù)更經(jīng)濟(jì)，并據(jù)此，合理采用泄槽建材與進(jìn)行消能工設(shè)計。

（4）應(yīng)重視水工模型試驗工作，對大型工程或水力條件較復(fù)雜的中型工程的溢洪道，規(guī)范SL 253-2000規(guī)定，應(yīng)進(jìn)行水工模型試驗，以驗證其布置設(shè)計與水力設(shè)計的合理性。設(shè)計階段對這一工作的忽視有可能錯失一次發(fā)現(xiàn)并校正理論計算缺陷的機會，如東谷水庫溢洪道設(shè)計使然。

4 結(jié)語

東谷水庫溢洪道泄槽水毀的主要原因是不良地基條件與泄槽板塊在高速水流作用下現(xiàn)有貫穿性裂縫、孔洞快速擴展，伸縮縫止水遭受破壞，脈動壓力水快速進(jìn)入板塊底面縫隙層產(chǎn)生強大的脈動上舉力所致。因此，為防止類似事故發(fā)生，在溢洪道設(shè)計中應(yīng)重視不良地基的處理與水工模型試驗驗證，應(yīng)考慮宣泄低于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)洪水可能出現(xiàn)的不利流態(tài)，應(yīng)通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，合理設(shè)計溢洪道襯護(hù)材料與消能建筑物級數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡勇斌,劉四方,蔡勇平,等.改進(jìn)的溢洪道底板抗浮穩(wěn)定計算公式及其應(yīng)用[J].江西水利科技,2015,(1):27-29.

[2]SL 253-2000,溢洪道設(shè)計規(guī)范[S].