水利工程論文-從巖石水力學觀點看幾個重大工程事故.doc

水利工程論文-從巖石水力學觀點看幾個重大工程事故摘要：20世紀下半葉發(fā)生了3次震驚水利水電工程界的重大工程事故：法國Malpasset雙曲拱壩潰壩；意大利Vajout雙曲拱壩近壩庫區(qū)左岸發(fā)生2.5億m3的大滑坡；美國Teton土壩在巖基壩段潰決。本文對事故作了簡要介紹，在已有文獻資料的基礎(chǔ)上，從巖石水力學的觀點分析討論了工程事故的出事原因，可供水工建筑設(shè)計人員參考。關(guān)鍵詞：工程事故巖石水力學Malpasset拱壩Vajont大滑坡Teton壩1前言1895年4月，法國Bouzey重力壩失事。事后分析，失事的原因是該壩設(shè)計時未考慮作用于壩基上的揚壓力。20世紀初建造的許多重力壩多未考慮揚壓力，如印度的Khadakwasla等壩(Kulkarni,1994)，均因不夠穩(wěn)定而采取加固。1959年法國Malpasset壩失事是拱壩第一次潰壩記錄，經(jīng)檢查，壩的設(shè)計符合規(guī)范，施工質(zhì)量良好。直到1987年，通過一次以潰壩為主題的國際研討會，才有了初步結(jié)論：左壩肩地基中過大的水壓力使壩基巖塊沿F1斷層滑動而潰壩。1976年，當時世界上最高的土壩，美國Teton壩發(fā)生潰壩，經(jīng)反復查證，確認壩基巖石節(jié)理發(fā)育，庫水流經(jīng)巖石裂隙使心墻齒槽土體發(fā)生管涌而最終遭致潰壩。1985年，美國BathCounty抽水蓄能電站高壓鋼管中的一條出現(xiàn)了屈曲破壞。盡管設(shè)計在鋼管區(qū)域精心布置了排水幕，但由于砂巖的層狀構(gòu)造的特點，排水幕并未起到預(yù)期的作用。水電站高壓鋼管在外水壓作用下屈曲破壞的事故國內(nèi)外均屢有發(fā)生。高壓水工隧洞產(chǎn)生水力劈裂也不乏實例。水工隧洞及其它隧道工程塌方事故頻繁，多為巖石裂隙水的不利作用所引發(fā)?；率嵌喟l(fā)性的自然災(zāi)害。較大的天然滑坡大多是巖體中的滑坡。1963年意大利Vajont拱壩近壩左岸庫區(qū)巖體大滑坡體積達2.5億m3，在當時是有記載滑坡中規(guī)模、滑速及造成的災(zāi)害均是最大的。19世紀60年代，巖石力學，特別是巖石水力學尚處于萌芽狀態(tài)，沒有估計到滑坡會造成數(shù)千人死亡的重大災(zāi)害，因而未能采取有效的處理及預(yù)報措施。2000年4月，西藏易鞏藏布江左岸花崗巖山體發(fā)生約3億m3大滑坡。據(jù)分析，這次滑坡是山體積雪融化，水滲入山體而觸發(fā)的。在水電站工地、公路、鐵路沿線都有因人工開挖而出現(xiàn)巖石高邊坡問題。不少人工巖石邊坡因受降雨、施工用水、生活用水的影響而產(chǎn)生滑坡，造成程度不同的損失。許多工程因采取了以排水為主的綜合處理措施而有效地防止了滑坡。綜上所述，許多工程事故都與巖石水力學有關(guān)。本文僅以幾個重大工程事故的實例來說明研究、學習與掌握巖石水力學的重要性和迫切性。2法國Malpasset拱壩潰決2.1Malpasset拱壩簡介Malpasset雙曲拱壩位于法國南部Rayran河上，壩高66m，水庫總庫容5100萬m3。壩頂高程102.55m，頂部弧長223m。壩的厚度由頂部1.5m漸變到中央底部6.76m，屬雙曲薄拱壩。左岸有帶翼墻的重力推力墩，長22m，厚6.50m，到地基面的混凝土的最大高度為11m，開挖深度6.5m。在壩頂中部設(shè)無閘門控制的溢洪道。壩基為片麻巖，片理傾角在3050之間，傾向下游偏右岸。較大的片理中部充填糜棱巖。壩址范圍內(nèi)有兩條主要斷層。一條為近東西向的F1斷層，傾角45，傾向上游。斷層帶內(nèi)充填含粘土的角礫巖，寬度80cm。另一條為近南北向的F2，傾向左岸，傾角7080(圖1)。圖1Malpasset拱壩主要地質(zhì)構(gòu)造圖2Malpasset拱壩水庫蓄水過程線2.2拱壩潰壩過程Malpasset拱壩于1954年末建成并蓄水。庫水位上升緩慢。歷經(jīng)5年至1959年11月中旬，庫水位才達到95.2m。這時的壩址下游20m，高程80m處有水自巖石中流出。因下了一場大雨，到12月2日晨，庫水位猛增到100m(圖2)。當日下午，工程師們到大壩視察，研究如何防止?jié)B水的不利作用。因未發(fā)現(xiàn)大壩有任何異常，決定下午6點開閘放水，降低庫水位。開閘后未發(fā)現(xiàn)任何振動現(xiàn)象。管理人員晚間對大壩進行了反復巡視，亦未見任何異?，F(xiàn)象，于近21點離開大壩。21點20分，大壩突然潰決，當時庫水位為100.12m。據(jù)壩下游1.5km對這一災(zāi)難少數(shù)目擊者描述，他們首先感到大壩劇烈顫動，隨之聽到類似動物吼叫的突發(fā)巨響，然后感到強烈的空氣波。最終他們看到巨大的水墻順河谷奔騰，同一時間電力供應(yīng)中斷。洪水出峽谷后流速仍達20km/h，下游12km處Frejus城鎮(zhèn)部分被毀，死亡421人，財產(chǎn)損失達300億法郎。次日清晨發(fā)現(xiàn)大壩已被沖走，僅右岸靠基礎(chǔ)部分有殘留拱壩，一些壩塊被沖到下游1.5km處，左岸壩基巖體被沖出深槽。2.3潰壩后的調(diào)查及分析1959年Malpasset拱壩潰壩并造成的重大災(zāi)難震驚了工程界，也因在此之前尚未有拱壩潰壩的先例。事故發(fā)生在壩工建設(shè)方面，尤其是在拱壩建設(shè)方面為世界最先進的國家；該壩是由最負盛名的設(shè)計大師AndceCoyne設(shè)計的；它是當時潰壩記錄中最高的壩；潰壩毀滅了Frejus市，在最富的地中海區(qū)造成重大災(zāi)害；這次事故表明任何型式的包括被認為最安全的拱壩都會遭到破壞(Serafim，1987)。Malpasset拱壩的失事，說明了當時對巖體內(nèi)水的流動規(guī)律知之甚少。這一慘痛的教訓大大促進了巖石力學，特別是巖石水力學的發(fā)展。本文將摘引已發(fā)表的文獻，從巖石水力學觀點分析其失事的機理。2.3.1潰壩原因的官方分析Malpasset拱壩所有者法國農(nóng)業(yè)部于12月5日組建了一個調(diào)查委員會。幾個月后提交了一個臨時報告。1960年8月提出代表官方的最終報告，1962年夏報告對外公布(Laeger,1963)。該報告正文只有55頁，因有40個附件，共形成三厚本報告。委員會委托法國電力公司(EDF)對大壩應(yīng)力作了復核，最大壓應(yīng)力為6.1MPa，混凝土抗壓安全系數(shù)為5.3。拱冠局部有1MPa拉應(yīng)力。EDF還對拱的獨立工作工況進行了校核。對左岸重力墩也進行了復核，在拱圈單獨作用下重力墩是安全的。沖走的附有基巖的大量混凝土塊均未發(fā)現(xiàn)混凝土與巖石接觸面有破壞跡象。混凝土質(zhì)量良好，其抗壓強度為33.3MPa53.3MPa。由此判斷，壩失事是由壩基巖石引發(fā)的。委員會認為，水的滲流在壩下形成的壓力引發(fā)了第一階段的破壞(Jaeger,1979，391頁)。2.3.2壩工界對潰壩原因的討論法國官方最終報告公開后，引起了壩工界廣泛重視。CoyneandBellier公司對Malpsset拱壩地基片麻巖進行滲透試驗(BellierandLonde,1976)，得出了滲透性與應(yīng)力明顯關(guān)系。就這一關(guān)系對拱壩失事原因給出了明確的解釋，并由Londe(1985，1987)在工程地基國際會議及大壩失事國際研討會上作了報告。這一期間，還發(fā)表了一些重要論文和專著，主要有Jaeger(1963，1979)、Habib(1987)、Post和Bonazzi(1987)、Serafim(1981，1982，1987)、Wittke和Leonards(1987)及汝乃華和姜忠勝(1995)等。Malpasset拱壩失事至今已40多年，對其失事的原因至今尚未取得完全一致的認識。但絕大多數(shù)專家都認為壩基內(nèi)過大的孔隙水壓力是造成失事的主要原因。2.3.3Londe(1987)的分析片麻巖有片理構(gòu)造。試驗研究表明，當窄條形荷載與片理垂直時，應(yīng)力向巖體深部傳布呈擴散狀，而當荷載與片理平行時，受片理影響，應(yīng)力分布呈條帶狀傳至巖體深部而不能擴散(圖3)。Malpasset拱壩由于其與片麻巖片理空間相對關(guān)系，左壩肩拱推力與片理平行，右壩肩拱推力則與