一起特殊的橡膠壩潰壩事件引起的思考

程

彥1，劉建光2，程 杰1，左麗梅1

（1.衢州康平建設(shè)工程檢測有限公司，浙江 衢州 324000；2.衢州市水利工程質(zhì)量與安全監(jiān)督站，浙江 衢州 324000）

一起特殊的橡膠壩潰壩事件引起的思考

程

彥1，劉建光2，程 杰1，左麗梅1

（1.衢州康平建設(shè)工程檢測有限公司，浙江 衢州 324000；2.衢州市水利工程質(zhì)量與安全監(jiān)督站，浙江 衢州 324000）

橡膠壩建設(shè)、運行過程中，由于環(huán)境條件相對復(fù)雜，會遇到一些特殊的、不常見的、突破基本假設(shè)的，有時甚至是幾種情況的疊加造成的工程事故。通過一起特殊的橡膠壩潰壩事件，闡述了橡膠壩工程事故分析、判斷、鑒定工作，并提出了小結(jié)和建議。

橡膠壩；潰壩分析；鑒定

1 問題的提出

目前，橡膠壩的設(shè)計計算基于以下4個基本假設(shè)：①薄膜內(nèi)力的假設(shè)。壩袋厚度與曲率半徑的比值很小，橡膠又屬于柔性材料，剛度較小，能適應(yīng)內(nèi)外水壓力的作用，形成一定的幾何形狀，這種情況與薄膜相似，假定殼體材料只能承受面荷載不能承受力矩。②平面問題假設(shè)。壩袋沿軸線方向的變形很小，受力變形主要發(fā)生在垂直于壩軸線的平面內(nèi)不考慮壩袋材料纖維鋪層的方向，壩袋在該平面只承受均勻的徑向拉力，不產(chǎn)生彎矩和剪切力，因此，將壩袋的受力計算簡化為垂直于壩軸線平面的受力計算。③不計壩袋的自重和受力后的伸長影響。④水位組合采用上游水深等于壩高，下游無水的工況。

橡膠壩建設(shè)、運行過程中，由于環(huán)境條件相對復(fù)雜，會遇到一些特殊的、不常見的、突破基本假設(shè)的甚至是幾種情況的疊加造成的工程事故，這就要求檢測鑒定人員充分考慮各種因素（包括水文、地形、材料、工況等）的影響，進行綜合分析，以便有的放矢采取加固、修補或預(yù)防措施，防止事故的再次發(fā)生。結(jié)合一起特殊的橡膠壩潰壩事件，進行橡膠壩工程事故分析、判斷、鑒定工作。

2 事件概述

該橡膠壩位于某河流支流，設(shè)計壩高4.50 m，充水式橡膠壩，屬于某小型水電站。河道寬約80 m，兩端有混凝土岸墩與橡膠壩連接固定。

2015年5月，該電站于上午開始正常充水升壩。充水完成后，上游水位未到達壩頂，發(fā)生潰壩，橡膠壩沿軸線方向整體、水平、通長裂開（見圖1）。

通過調(diào)查最近日期河道水文情況、壩袋材料情況、工人運行操作情況及其他相關(guān)信息，同時勘驗事故現(xiàn)場，基本情況：①該橡膠壩使用時間不到 1 a；②有出廠合格證及其他相關(guān)材料；③橡膠壩無內(nèi)置水壓傳感器，依靠溢水口了解充水狀況；④溢水口高度因設(shè)備安裝等原因，無法按照原來高度設(shè)置，實際溢水口高于原來廠家常規(guī)安裝高度約0.90 m，廠家安裝人員及使用單位均未提出異議，其它設(shè)計不變；⑤動力充水設(shè)備無進水流量監(jiān)控設(shè)施，仍采用廠家常規(guī)設(shè)計，按照2 h，壩內(nèi)水從溢水口流出來控制充水速度，使用人員依靠在進水閥門轉(zhuǎn)輪上作標(biāo)記來，每次轉(zhuǎn)輪均轉(zhuǎn)至同一標(biāo)記處；⑥充水時河道上游截流后，正在開閘放水，水流較平時增大。

圖1 立面圖

3 原因分析、判斷、鑒定

由于委托方是事故發(fā)生后，與廠家協(xié)商未果的情況下要求鑒定的。因此調(diào)查與勘驗是在事故發(fā)生20 d后，部分數(shù)據(jù)、過程已經(jīng)無從查證（如水流流速、工人實際運行操作情況等），只能基于現(xiàn)有資料，經(jīng)過合理的假設(shè)、分析與邏輯推理，認為本次橡膠壩潰壩事件主要是以下幾個因素共同作用的結(jié)果。

3.1 溢水口高度與充水速度

在設(shè)計充水橡膠壩時，為保證壩袋安全，需要設(shè)置保障壩袋安全的溢流管，其溢水口高度一般取用壩袋內(nèi)壓水頭。橡膠壩充水時，如果沒有嚴格地控制壩高的設(shè)備，只依靠壩內(nèi)水從溢水口流出來控制壩高，那么壩袋環(huán)向伸長后，其壩高必然要高于設(shè)計壩高，使壩袋實際強度超過壩袋計算強度，壩袋出現(xiàn)安全隱患。因此，充水橡膠壩壩袋變形對壩袋安全的影響是工程實踐中出現(xiàn)的問題。

SL 227 — 1998《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》規(guī)范主編之一解士博高工曾對此進行過較為深入的研究[2]，相關(guān)結(jié)論如下：雙錨壩袋，設(shè)有溢流管，壩前水深等于壩高，壩下無水，壩袋變形后，依靠壩內(nèi)水從溢水口流出來控制壩內(nèi)水頭。壩袋變形后，壩高較設(shè)計壩高略高，壩袋強度也較計算強度有所增加。壩袋強度增加與壩袋內(nèi)壓比及壩袋伸長率有關(guān)。設(shè)計內(nèi)壓比相同時，壩袋變形越大，壩袋強度增加越多；壩袋相對伸長率相同時，設(shè)計內(nèi)壓比越大，壩袋強度增加越多。

表1給出壩袋設(shè)計內(nèi)壓比為1.4時，不同壩袋環(huán)向伸長率對應(yīng)的實際壩高與設(shè)計壩高之比（下稱“壩高比”），以及壩袋實際強度與計算強度之比（下稱“強度比”）。表2給出壩袋環(huán)向伸長率12%時，不同壩袋設(shè)計內(nèi)壓比對應(yīng)的壩高比與強度比。

表1 不同壩袋環(huán)向伸長率對應(yīng)的壩高比與強度比表（壩袋設(shè)計內(nèi)壓比為1.4）

表2 不同壩袋設(shè)計內(nèi)壓比對應(yīng)的壩高比與強度比表（壩袋環(huán)向伸長率為12%）

假設(shè)原來廠家設(shè)計內(nèi)壓比為1.4，壩高4.50 m，充水時間2 h，充水速度等于溢流速度，壩袋環(huán)向伸長率12%。

按照SL 227 — 1998《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》式（B.2.1 -15），計算原來廠家設(shè)計壩袋單寬容積與充水速度：

式中：ν1為設(shè)計充水速度，m2/h；V1為設(shè)計壩袋單寬容積，m2；t為設(shè)計充水時間，h；a1為設(shè)計內(nèi)壓比；H1為設(shè)計壩高，m。

X0、n、R、θ為有關(guān)設(shè)計數(shù)據(jù)。按照SL 227 — 1998《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》表B.2.2 - 1：

由于實際溢水口高于原來廠家常規(guī)安裝高度約0.90 m，原來廠家設(shè)計內(nèi)壓水頭= 4.5 × 1.4 = 6.3（m）；實際內(nèi)壓水頭= 6.3 + 0.9 = 7.2（m）；實際內(nèi)壓比= 7.2 ÷ 4.5 = 1.6。假設(shè)壩袋環(huán)向伸長率由原來廠家設(shè)計的12%，壩高增大后變?yōu)閷嶋H的15%，根據(jù)表1、表2可得：

實際壩高= 4.5 × 1.050 × 1.048 ÷ 1.039 = 4.76（m）。

按照SL 227 — 1998《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》式（B.2.1 -15），計算實際壩袋單寬容積與充水速度：

式中：ν2為實際充水速度，m2/h；V2為實際壩袋單寬容積，m2；a2為實際內(nèi)壓比；H2為實際壩高，m。

從式（2）、式（4）可以看出，ν2＞ν1。由于實際溢水口高于原來廠家常規(guī)安裝高度，加上壩袋伸長，使實際壩高增加，壩袋容積增大，在充水時間2 h不變的情況下，實際充水速度增大，而溢流管管徑不變，即溢流速度不變，這樣就造成壩袋充脹時，充水速度大于溢流速度，造成部分充水無法及時從溢水口流出，滯留于壩袋內(nèi)，增大壩袋強度。該部分充水可稱為“附加充水”，單位時間附加充水速度為：

式中：ν0為附加充水速度，m2/h。

3.2 水流沖擊力

本次潰壩事件中，上游截流后開閘放水，水流增大，可作為洪水沖擊荷載處理。SL 227 — 1998《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》規(guī)定作用在壩袋上的主要設(shè)計荷載為壩袋外的靜水壓力和壩袋內(nèi)的充水壓力，壩袋安全系數(shù)的選擇，是一種經(jīng)驗方法，如果考慮突發(fā)洪水等影響因素，可增大安全系數(shù)。目前，洪水方面的研究還很缺乏。主要集中在波浪荷載方面，SL 227 — 1998《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》條文說明，也只是提及有突發(fā)洪水出現(xiàn)時，將可能出現(xiàn)壩袋超壓破裂的問題，并未做進一步闡述。解士博高工指出[2]：在橡膠壩的結(jié)構(gòu)分析中，使用理論分析法已被實踐證明是可靠的。因此，下面根據(jù)合理假設(shè)進行的計算，不影響對原因的判定。

3.2.1 水流沖擊力計算

目前，較為常用的計算平面斜坡法向破波壓力的公式主要有原蘇聯(lián)規(guī)范CHип Ⅱ— 57 — 75推薦的公式和《鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊[路基]》推薦的公式。許光祥教授指出[4]：原蘇聯(lián)規(guī)范CHип Ⅱ— 57 — 75推薦公式是根據(jù)現(xiàn)場試驗資料獲得的，缺少小波高的計算說明，沒有指出波高＜0.50 m時相關(guān)參數(shù)取值，即蘇規(guī)公式對于小波高的破波壓力計算適應(yīng)性不強。因此，參考《鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊[路基]》中推薦的公式進行計算。

根據(jù)文獻[3]，《鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊[路基]》中推薦的公式改寫如下：

式中：F0為最大動水壓力，kN/m2；γ為水的重度，kN/m3；g為重力加速度，m/s2；ν3為波峰處速度，m/s；θ為射流與破面法向的夾角，°；m為坡率；H為波高，m；L為波長，m。

從式（6）可以看出，(1 + Xn)恒大于1，為簡便計算，在偏安全判定的前提下，令(1 + Xn) = 1，同時假設(shè)θ = 50°，則式（6）改寫為；

兩組治療前FBG、2hPG、HbA1c間無顯著差異，治療后兩組血糖相關(guān)指標(biāo)均較治療前顯著降低（P＜0.05），且觀察組顯著低于對照組（P＜0.05），見表2。

3.2.2 假設(shè)與工況

假設(shè)壩袋未充滿水。動水沖擊壩袋，壩袋水流動，只是使壩袋幾何形狀改變，不會使壩袋破裂。因此，僅對溢水口出水后的情況進行分析，且為分析簡便，結(jié)合本次事故實際狀況，做如下假設(shè)：

（1）分析模型為壩袋橫斷面；

（2）參考GB 50181 — 1993（1998年）《蓄滯洪區(qū)建筑工程技術(shù)規(guī)范》，采用底部為靜水，上部為動水，規(guī)則波，動水沖擊壩袋，靜水面處B點為最大水流沖擊力位置[6]；

（3）波峰處水流速度ν3為12 m/s；

動水沖擊壩袋工況見圖2。

圖2 動水沖擊壩袋工況圖

3.3 破壞時狀態(tài)

3.3.1 受力分析

由3.1分析可知，壩袋溢水口出水后，壩高、內(nèi)壓比均已改變。按照SL 227 — 1998《橡膠壩技術(shù)規(guī)范》式（B.2.1 - 1），原來廠家設(shè)計壩袋徑向計算強度：

式中：T1為原來廠家設(shè)計壩袋徑向計算強度，kN/m。原來壩袋設(shè)計強度= 6.0 × 92 = 552（kN/m）。

溢水口剛出水時壩袋徑向計算強度：式中：T2為溢水口剛出水壩袋徑向計算強度，kN/m。從計算可知，溢水口剛出水時，壩袋徑向計算強度由92 kN/m增大至125 kN/m。

3.3.1.2 附加充水增大產(chǎn)生的附加壩袋強度

如果溢水口出水后未及時停止充水，附加充水將越來越多，相當(dāng)于不設(shè)溢流管進行充水工況。附加充水增大工況見圖3。

圖3 附加充水增大工況圖（注：陰影部分為附加充水）

假設(shè)內(nèi)外壓力差內(nèi)壓比1.6保持不變，附加充水只引起壩袋變形率增大，則B點曲率半徑由OA增大至OB。根據(jù)文獻[7]，壩袋計算的基本原理，即通常所稱薄膜原理，可以求出附加充水產(chǎn)生的附加壩袋強度：

T3= rP （8）

r = OB - OA

式中：T3為附加壩袋強度，kN/m；r為壩袋變形前后曲率半徑之差，m；P為內(nèi)外壓力差，kN/m2。

從式（8）可知，附加壩袋強度T3取決于曲率半徑增大情況，即取決于附加充水增大情況。附加充水時間越長，附加充水越多，附加壩袋強度T3越大。

3.3.1.3 水流沖擊力產(chǎn)生的附加壩袋強度

根據(jù)式（7），橫斷面B點動水壓力F0：

根據(jù)許光祥教授的研究成果[4]，破波沖擊點局部附近各向的波壓力沒有明顯的差異，且基本與法向壓力大致相等，可近似認為該點的各向動水壓力也遵循靜水質(zhì)點受壓原則，即各向壓力相等。因此，可以把B點動水壓力F0方向由法向變?yōu)樗?，?shù)值不變。

壩袋受到水流沖擊后，向下凹陷，根據(jù)圖2，力F0分解為F1和F2。由水流沖擊力產(chǎn)生的附加壩袋強度與F1、F2數(shù)值相等，方向相反，且F1＞F2。根據(jù)力的矢量分解，可得：

F1= 210（kN/m） （10）

從上述3.3.1.1 ～ 3.3.1.2分析可以看出，溢水口出水后，壩袋已經(jīng)處于超高、超壓狀態(tài)，壩袋比正常使用狀態(tài)更加“緊繃”，壩袋整體具有了一定剛度，可以視為半柔性。從式（9）、式（10）可以看出，附加壩袋強度增長幅度巨大，且β越大，附加壩袋強度越大。

3.3.2 破壞狀態(tài)分析

根據(jù)3.3.1，求出實際壩袋強度：

從式（11）可以看出，在動水條件下，實際壩袋安全系數(shù)已經(jīng)遠遠小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的6.0?？紤]壩袋長期處于超高、超壓狀態(tài)，加劇了壩袋的疲勞和老化，再考慮其他不利因素影響（如安裝誤差，β增大等），實際使用中的壩袋安全系數(shù)將進一步降低。當(dāng)某一時刻，壩袋安全系數(shù)＜0，壩袋將沿B點、軸線方向整體、水平、通長裂開。B點高度與壩袋曲率、波高、波長、T3、內(nèi)壓、凹陷深度等有關(guān)。

4 小結(jié)和建議

本次事故，偶然之中包含必然。依靠壩內(nèi)水從溢水口流出來控制壩高，壩袋環(huán)向伸長后，實際壩高高于設(shè)計壩高，壩袋實際單寬容積大于設(shè)計單寬容積，進而增大充水速度，如果溢流速度不變，造成附加充水無法及時從溢水口流出，滯留于壩袋內(nèi)，增大壩袋強度；壩袋在超高、超壓狀況下運行，壩袋比正常使用狀態(tài)更加“緊繃”，壩袋整體具有了一定剛度，可以視為半柔性，水流沖擊力產(chǎn)生的附加壩袋強度增長幅度巨大；當(dāng)壩袋安全系數(shù)＜0時，壩袋將沿靜水面附近、軸線方向整體、水平、通長裂開。同時，通過總結(jié)本次事故教訓(xùn)，提出如下建議：

（1）設(shè)置水壓傳感器或壩高監(jiān)測設(shè)施，及時了解內(nèi)壓和壩高。如條件不具備，應(yīng)盡量降低溢水口高度。如考慮壩袋伸長影響，溢水口高度可低于內(nèi)壓水頭；

（2）動力充水設(shè)備設(shè)置監(jiān)控流量裝置。如條件不具備，應(yīng)根據(jù)情況動態(tài)調(diào)控進水量，調(diào)節(jié)充水速度；

（3）評估水流沖擊力對橡膠壩影響。特別是上游開閘放水、汛期短時間雨量較大導(dǎo)致水流增大時，壩體內(nèi)壓應(yīng)適當(dāng)降低或坍壩；

（4）加強對橡膠壩運行工作人員的技術(shù)指導(dǎo)，提出防止內(nèi)壓過度增加的措施與方法；

（5）應(yīng)密切注意外界突發(fā)狀況，提前做好預(yù)防措施。

[1] 中國水利水電科學(xué)研究院.SL 227 — 1998橡膠壩技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，1998.

[2] 解士博.充水橡膠壩壩袋變形分析[J].北京水利，1997(2)：18 - 22.

[3] 鐵道部第一勘測設(shè)計院.鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊[路基][M].北京：中國鐵道出版社，1992.

[4] 許光祥.平面斜坡小波高各向破波壓力試驗研究[J].水動力學(xué)研究與進展，2007(1)：129 - 134.

[5] 中國建筑科學(xué)研究院.GB 50181 — 1993(1998)蓄滯洪區(qū)建筑工程技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2004.

[6] 王曉慶.洪水演進模型及沖擊荷載研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2009.

[7] 周森康.關(guān)于充水橡膠壩設(shè)計的基本原理和公式[J].合肥工業(yè)大學(xué)，1981(1)：67 - 76.

（責(zé)任編輯 姚小槐）

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2016-12-10

程 彥(1972 - )，男，高級工程師，大學(xué)本科，主要從事建設(shè)工程材料與質(zhì)量的檢測、鑒定、研究工作。