八一水库溃坝原因分析
摘要：八一水库是中型水库，由于新建泄洪涵洞与原土坝之间新填土体坝顶裂缝渗透破坏，于2004年1月溃决。破坏原因是新建泄洪涵洞处原土坝开挖断面狭窄，左侧边坡偏陡，涵洞外壁截渗环过密，环径大，新填坝体填筑速度快，上部质量低，完工后立即蓄水，新填土坝左侧不均匀沉降过大，坝顶出现横向裂缝，当库水位接近正常蓄水位时，渗流从下游坝坡较高处逸出，出口无反滤保护，坝顶裂缝渗流冲刷，导致溃坝。
关键词：泄洪涵洞 截渗环 土坝裂缝 渗流冲刷 溃坝 1 工程概况
八一水库位于新疆昌吉州米泉县境内，始建于1952年。水库总库容3500万m，大坝为均质土坝，上游坝坡1∶2.5，下游坝坡1∶2，土料为粉质黏土。坝顶高程466.85m，正常蓄水位464.22m，坝长10105m，是一座以灌溉为主，兼有防洪、养殖等综合效益的中型水库。
大坝经安全鉴定，防洪标准不够，决定加高大坝0.40m，新建泄洪涵洞一座，设计流量为15m/s，建在老坝段桩号4+050处。新建泄洪涵洞时先拆除老坝，开挖尺寸底部宽9.00m，边坡1∶1，洞底位于基槽的中心线上。地基是老坝坝基，为粉质黏土，基面高程459.50m。泄洪涵洞为长方形，洞内尺寸2.00m×2.50m，洞身长15.00m，分为两个工作段，每段长7.50m，并在中间各设截渗环一道，截渗环的外径较大，插入新填坝体1.50m。洞口设一道挡土墙，兼截渗环的作用。泄洪涵洞外形结构尺寸及老坝开挖剖面如图1所示。
图1 泄洪涵洞出口横剖面(单位:cm)
水库加固工程于2003年9月15日开始施工，泄洪涵洞基础土方开挖于9月20日完成，随后进行洞身浇筑。11月11日开始回填涵洞两侧土体，填土为粉质黏土，11月15日回填到463.40m高程，稍高于洞室顶高程463.23m，5d内回填3.90m，控制干密度为1.68g/cm，11月16～17日两天填完剩余坝体，达临时要求高程466.00m，回填厚度2.60m。该部分施工质量未加严格控制，铺土层较厚，含水量偏高，碾压6遍已出现弹簧土，填筑质量较差。7d内完成了整个坝的回填任务，日平均填土高度0.93m，随后大坝立即投入蓄水运行。
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12月8日库水位由459.50m猛涨至462.50m，以后缓慢上升，12月29日库水位达463.40m，为上部填筑质 量偏低的部位。2004年1月21日，库水位上升到464.04m，仅低于正常蓄水位18cm，低于临时坝顶1.96m，蓄水2300万m。
2 溃坝过程
1月21日13时30分，水库管理单位值班人员巡视大坝时发现泄洪涵洞出口左侧坝坡距挡土墙边缘1m处有一漏水洞，洞高约1m，宽0.5m，洞底约和泄洪洞中心高程461.58m齐平，漏水量约50L/s，到17时增大至1m/s。当时抢险采取的主要措施是设法封堵漏水通道进水口，在出口未采取任何措施。由于库内冰冻层厚达60cm，未能及时凿开冰面找到进口，抢险措施无法实现。20时漏水量增大到30m/s，坝体出现大的塌洞。当漏水流量为100m/s时，由于坝顶冻土层的作用，坝顶仍未塌落，但出现一拱桥，拱顶厚度1.5m，实际为坝顶冻土层的厚度，拱跨15m。22日11时拱顶塌落，大坝出现了30多米长的溃口，流量为240m/s。24日7时水库基本排空，溃坝后实测溃口上游最大宽度45m，至下游坝坡坡脚处收缩为35m，除新填坝段全部冲毁外，左岸还冲走了部分老坝坝体。由于泄洪涵洞的防冲作用，使最大冲刷断面位于泄洪涵洞轴线偏左5m，泄洪涵洞洞身向左侧倒塌，河床最大冲刷深度2.5m，高程457.00m。
3 溃坝原因分析
客观事实表明，溃坝系新填坝体过早出现渗流所致，溃坝原因分析也就是新填坝体渗流和渗透破坏原因分析。
3.1 与溃坝原因分析有关的一些要素
3.1.1 坝体开始发现渗透破坏时的上游水位及出口高程 如上所述，坝体渗透破坏是在库水位刚刚上升到464.04m时发现的，因此出险时的水库水位应是
464.04m。下游坝坡出水点的位置是根据第一位目击者的描述，水利部专家工作组与当地有关人员共同确定的，作者参加了这次讨论。目击者先看到坝坡有渗流逸出，随即从泄洪洞出口挡土墙的下游面走到有渗水处进行了仔细观察。渗水出自坝体一洞穴，洞高约1m，宽约0.5m，距泄洪涵洞出口挡土墙边缘左侧约1m，洞底高程约与洞中心线齐平，高程461.58m。由于目击者进入现场时下游坝坡漏水洞已发展到高约1.0m，可肯定下游坝坡开始有渗流逸出时的高程要高于461.58m，取其漏水洞的中心高程为水流开始逸出点，则坝体开始渗透破坏时的下游坝坡逸出点高程在462.00m附近。渗透破坏开始时的位置如图1所示。根据上述分析可知，大坝渗透破坏开始时实际作用的水头为2.04m。
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3.1.2 导致渗透破坏的水力比降 假定渗流通道在坝体内基本呈直线型，在高程462.00～464.04m之间，相应的大坝横断面上下游的长度为22.00m，即渗透破坏时的渗径长度为22.00m，因作用水头为2.04m，则平均破坏水力比降J破坏为0.093。
3.1.3 大坝土料的允许水力比降 溃坝后作者在现场调查时共取4个土样，进行了液、塑限含水量及颗粒分析试验，试验结果列于表1，其中01土样取自溃口左侧老坝段，02土样取自泄洪洞顶以上坝体回填土，03土样取自溃口段老坝加高时坝后坡的培厚土，04土样为新建泄洪涵洞底部的地基土。从表1可知，新建泄洪涵洞周围坝体填土为低液限黏土，在无裂缝的情况下，黏土的抗渗比降也称抗渗强度Jn可由下式确定
(1)
式中：Gs为土粒比重；n为土的孔隙率；α为坝坡与水平面的夹角；C为黏土的内聚力；γw为水的容重；Do为土表面与大气相接触面的直径。
从安全出发不考虑黏土的内聚力，并考虑坝体填土上部质量较差，取土的干密度ρd为1.50g/cm，则，，下游坝坡为1∶2，α=26°24′，cosα=0.896，按式(1)计算，则：Jn=1.04。若取安全系数为2，新填坝体的允许水力比降为：J允许=0.52。??
表1 新填坝体土料的物理性质
试样 01 02 03 04
稠度(%) ω
L
3
ω
P
比
IP 重
2.76 2.76 2.76 2.76
颗粒组成(%) <0.1mm 100
<0.05mm 67
<0.005mm 27
分类 重粉质壤土 重粉质黏土 重粉质黏土 重粉质黏
含盐量 /(g/kg) 6.36 7.69 23.10 3.91
25.4 40.2 36.1 35.8
14.1 20.9 20.1 19.7
11.3 19.3 16.0 16.1
100 97 58
100 100
92 92
51 56
八一水库溃坝原因分析
