巴基斯坦某水電站泄洪閘事故原因分析

許仙娥 謝東明

地基土體滲透破壞是壩（閘）潰決和失事的一個常見原因，我國新疆八一水庫、甘肅小海子水庫等工程，由于壩基土層發(fā)生滲透破壞，最終造成了垮壩事故[1-3]。巴基斯坦某水電站位于旁遮省的一條灌溉水渠上，是一座低水頭徑流式水電站，電站總裝機容量4.04 MW。泄洪閘于2017年2月1日進行過水試運行，16 d之后，于2017年2月17日發(fā)生垮塌。從事故發(fā)生的過程判斷，閘基發(fā)生了滲透破壞。本文通過對建筑物地質(zhì)條件、設(shè)計及施工等方面的資料分析，探討分析造成閘基發(fā)生滲透破壞的原因。

1 建筑物基本情況

工程主要建筑物包括電站廠房和泄洪閘。灌溉水渠寬112 m，在場址區(qū)呈弧形彎曲，右岸為凹岸，建筑物布置在近弧頂位置。其中電站廠房布置在渠道右側(cè)，廠房軸線長49 m，順水流方向?qū)?5 m，主廠房建基高程192.3 m，安裝2臺渦輪式發(fā)電機。廠房左側(cè)布置泄洪閘，上面建有連接左岸與廠房的交通橋。泄洪閘總寬度63 m，共設(shè)7孔閘門，單孔凈寬7.1 m，閘墩寬2 m。順水流方向，閘底板長18.6 m。閘室上游設(shè)置混凝土鋪蓋，長21 m，下游消力池長度14 m。縱向永久縫分別布置在2#、4#和6#閘門中線上，混凝土鋪蓋與閘底板之間以及閘底板與消力池之間的永久縫布設(shè)PVC止水。閘底板的上游端和下游端以及消力池的末端分別布設(shè)鋼板樁截滲，鋼板樁長2.6 m。

溢流堰頂高程204.8 m，設(shè)計流量230.6 m3/s，上游最高設(shè)計水位206.8 m，下游最低尾水位200.4 m。

2 閘基地質(zhì)條件

2.1 閘基地層結(jié)構(gòu)

工程位于沖積平原區(qū)，地形平坦，地面高程204.8～205.6 m。場區(qū)均為第四系沖積地層，自上而下分別分為：①粉質(zhì)黏土，可塑-硬塑狀，層厚度約2 m，層底高程203.2～203.6 m；②粉土質(zhì)細砂，土層不均勻，局部夾有中細砂層或黏質(zhì)粉土透鏡體，一般中密-密實，局部較松散，該層厚度約16 m，層底高程186.2～186.6 m；③粉質(zhì)黏土，硬塑-堅硬狀，該層厚度2～4 m，層底高程184.4 m。④粉土質(zhì)砂，密實，未揭穿。泄洪閘建基面高程為198～203 m，位于②層粉土質(zhì)細砂頂部。

2.2 閘基土層物理力學(xué)性質(zhì)

2.2.1 顆分試驗成果

閘基持力層為②層粉土質(zhì)細砂，其顆分試驗成果見表1。

表1 閘基土層顆分試驗成果統(tǒng)計表（ASTM D422）

由顆分試驗成果可知，閘基土顆粒以細砂為主，其次為中砂和粗砂顆粒，含有少量粉粒，基本不含有黏粒，屬級配不良土。

2.2.2 標準貫入試驗成果

根據(jù)標準貫入試驗成果，該粉土質(zhì)砂層在高程193.0 m以上標貫擊數(shù)為13～23擊，呈稍密-中密狀態(tài)，其中高程193.0～199.6 m之間部分土層標貫擊數(shù)為5～9擊，呈松散狀態(tài)；高程193.0 m以下土層標貫擊數(shù)為14～43擊，基本呈中密-密實狀態(tài)。

2.2.3 土工試驗成果

閘基土層物理力學(xué)試驗成果見表2。

表2 閘基土層物理力學(xué)試驗成果統(tǒng)計表

試驗成果顯示，閘基粉土質(zhì)細砂層屬中等壓縮性土。

2.3 閘基土層滲透性

鉆孔定水頭注水試驗成果顯示，閘基粉土質(zhì)細砂層的滲透系數(shù)一般在4.63×10-5～9.08×10-6cm/s之間，平均為1.22×10-5cm/s，屬弱透水性。

在電站廠房部位進行了群孔抽水試驗，抽水孔和觀測孔均采用清水鉆進，試驗成果顯示，粉土質(zhì)細砂層的滲透系數(shù)為3.3×10-2cm/s，屬強透水性。

對比注水試驗和抽水試驗成果，顯示兩者差異很大。原因是注水試驗鉆孔在鉆進過程中，為維持孔壁穩(wěn)定，采用了膨潤土泥漿作為循環(huán)液，影響了注水試驗的結(jié)果，鉆孔注水試驗測得土層滲透系數(shù)明顯偏小，不能真實反映土層的滲透性。

3 泄洪閘失事過程

2017年2月1日泄洪閘首次開啟2#、3#、4#和5#閘門，過流94 m3/s，約為設(shè)計流量230.64 m3/s的40%。2月16日發(fā)現(xiàn)泄洪閘右側(cè)下游擋墻發(fā)生變形下沉，上游灌渠取水口擋墻出現(xiàn)變形破壞。至2月17日，對應(yīng)6#和7#閘門的上游鋪蓋前端出現(xiàn)漩渦，如圖1所示。隨著上游漩渦擴展，下游水流逐漸變渾濁，上游鋪蓋混凝土斷裂下沉，約10 min后閘墩下沉，交通橋發(fā)生垮塌，如圖2所示。從開始試運行到垮塌，泄洪閘僅僅運行16 d。

圖1 泄洪閘上游鋪蓋前端出現(xiàn)漩渦

圖2 泄洪閘交通橋垮塌

4 事故原因分析

泄洪閘垮塌前，上游鋪蓋前端出現(xiàn)漩渦，說明閘基下形成了滲漏管道，閘基土層發(fā)生了嚴重的滲透破壞。

根據(jù)設(shè)計資料，溢流堰上游水位為206.1 m，下游水位為202.2 m，上、下游水位差為3.9 m。自上游混凝土鋪蓋起點至下游消力池末端水平長度為53.7 m，閘基下布置有3道長度為2.6 m的鋼板防滲墻。滲流計算成果顯示，正常工況下消力池末端的滲透比降約為0.107。閘基土層為粉土質(zhì)細砂，不均勻系數(shù)為2.7，判斷該土層的滲透破壞類型為流土[5-6]，根據(jù)工程經(jīng)驗，該類土允許滲透比降一般在0.20～0.35之間[7-9]。

根據(jù)以上分析，計算的消力池出口滲透比降小于閘基土層的允許滲透比降，正常情況下，閘基土層不至于發(fā)生滲透破壞。該分析結(jié)論與泄洪閘發(fā)生事故的事實不符。針對事故原因，從以下幾個方面進行分析探討。

4.1 閘基土層實際滲透比降

土層的滲透比降取決于上、下游水頭差和滲徑，在水頭差一定時，滲徑越短，滲透比降越大。水閘失事后的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在7#閘門上游鋪蓋前端以及右側(cè)下游導(dǎo)墻末端部位均發(fā)現(xiàn)有沖坑，其中下游導(dǎo)墻末端沖坑深度達2 m以上。鋪蓋上游的沖坑可能是由于基礎(chǔ)埋深不夠造成的，而下游導(dǎo)墻末端沖坑形成的原因是右岸為渠道弧形彎曲段的凹岸，通過泄洪閘的水流在擴散時沖向凹岸，水流到達廠房左側(cè)擋墻末端時，部分水流繞過擋墻向上游進入電站尾水渠，水流對擋墻尾端地基進行淘刷，形成沖坑，并逐漸向上游和左側(cè)擴展。上、下游沖坑的形成縮短了閘基地下水滲徑，增大了實際的滲透比降。滲流計算成果顯示，在上、下游存在沖坑的條件下，下游沖坑處的滲透比降達到0.208。

為了防止閘基滲透破壞，設(shè)計在閘底板前端、后端和消力池末端設(shè)置了3道深度為2.6 m鋼板防滲墻。但不知是出于何種考慮，防滲墻沿泄洪閘軸線方向并未封閉，在7#閘門及右側(cè)導(dǎo)墻地基未采取防滲措施，存在“防滲缺口”，不僅導(dǎo)致地下水滲徑縮短，滲透比降增大，還可能造成閘底板與閘基土之間發(fā)生接觸沖刷。

此外，閘底板與鋪蓋和消力池之間的永久縫采用PVC止水，如果閘基產(chǎn)生較大不均勻沉降，有可能使止水效果不好或完全失效。此種情況下，將會縮短地下水滲徑，大幅增大閘基土滲透比降。

4.2 閘基土層允許滲透比降

土的滲透破壞類型和允許滲透比降與土的顆粒級配和密實程度有關(guān)[10]。閘基土為粉土質(zhì)細砂層，但該土層土質(zhì)不均一，局部夾有中砂層或黏質(zhì)粉土透鏡體。密實程度一般中密-密實，但局部較松散，標準貫入試驗錘擊數(shù)最小僅為5擊。根據(jù)施工資料，廠房基坑開挖過程中，在基坑左側(cè)7#閘門部位布置了1排抽水孔，降低地下水位近12 m。由于地層主要由粒徑小于0.425 mm的顆粒組成，具中等-強透水性，若抽水井反濾層設(shè)置不當，大泵量抽水極有可能帶走土層中的細小顆粒，造成地基土層結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。此外，廠房左邊墻外側(cè)回填土為砂性土，未進行壓實處理，降低了土體的抗?jié)B性和抗變形能力。根據(jù)以上資料分析，7#閘門與右側(cè)導(dǎo)墻地基土體不均一，存在抗?jié)B性差的松散砂土層，其允許滲透比降可能低于建議值。

4.3 閘基土層的滲透系數(shù)

在進行防滲計算設(shè)計時，依據(jù)鉆孔注水試驗成果，采用的土層滲透系數(shù)為1.22×10-5cm/s。前已述及，由于鉆孔施鉆過程中采用了膨潤土泥漿護壁，注水試驗成果未能真實反映閘基土層的滲透性。此后進行的群孔抽水試驗證明了這一點，土層滲透系數(shù)達到3.3×10-2cm/s。由于滲流計算時采用的滲透系數(shù)與土層實際的滲透系數(shù)差別太大，可能造成計算結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差。

5 結(jié)語

根據(jù)泄洪閘垮塌的過程判斷，閘基土層的滲透破壞是發(fā)生事故的直接原因。引起閘基滲透破壞的原因可能包括水流沖刷造成地基出現(xiàn)沖坑、防滲措施不封閉、閘底板永久縫止水失效、閘基下存在松散地層及未經(jīng)壓實的回填土等。