(清華大學(xué)-李廣信)滲流與巖土工程事故

1、滲流與巖土工程事故李廣信清華大學(xué)巖土工程研究所前言滲流是巖土工程事故的主要誘因；在水利水電工程與基坑工程中，大多數(shù)事故是由滲流引起的；滲流也是引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的主要原因。1. 上海地鐵四號線越江隧道事故2003年7月1號(一)工程概況浦東南路站南浦大橋站區(qū)間隧道工程是上海市重大工程項目地鐵四號線工程的一個重要組成部分。浦東南路站到南浦大橋站區(qū)間隧道上行線長2001m，下行線長1987m，其中江中段440m。區(qū)間隧道頂最大埋深為37.7m，隧道中心線水平距離為10.984m，隧道最大坡度為3.2%。盾構(gòu)從浦東向浦西推進(jìn)，在穿越黃浦江后經(jīng)防汛墻、外馬路、文廟泵站、音像制品批發(fā)交易市場進(jìn)入中山南路，在穿

2、越多稼路后隧道上下行線逐漸由水平同向推進(jìn)轉(zhuǎn)為垂直同向推進(jìn)直至浦西南浦大橋站。圖中用深顏色表示的就是本次事故的發(fā)生區(qū)域。風(fēng)井18.25m33.5m13.3m事故的發(fā)生點位于隧道的聯(lián)絡(luò)通道處(又稱旁通道)，聯(lián)絡(luò)通道采用冰凍法進(jìn)行施工（風(fēng)井采用逆作法施工，已完成） 。風(fēng) 井垂直通風(fēng)道旁通道隧道地下連續(xù)墻D5.5m積水坑4.2m（二）事故過程2003年3月，中煤上海分公司開始安裝凍結(jié)設(shè)備；4月27日5月11日，陸續(xù)供冷；6月24日旁通道開始施工；6月28日8：30，一臺制冷機(jī)故障，下午4：00修復(fù)，發(fā)現(xiàn)土體溫度3C，停止凍土開掘；6月30日，土體溫度7.4 C，水壓與第七層承壓水壓力相同，用干冰制冷；

3、7月1日0時，在凍土中鑿出0.2m孔洞，準(zhǔn)備安裝混凝土輸送管，有水流出；越流越大；6時，大量水砂涌入旁通道，發(fā)出異響，人員撤出周邊建筑物下沉、地面裂縫、沉降，事故蔓延。(三)險情情況 7月1日凌晨，聯(lián)絡(luò)通道發(fā)生流沙涌水，導(dǎo)致隧道上下行線嚴(yán)重積水，進(jìn)泥沙。同 6時以風(fēng)井為中心的地面開始出現(xiàn)裂縫、沉降。 ：00，音像樓發(fā)生明顯變形，墻面開裂，房屋開始傾斜。 7：30，地面裂縫明顯加劇，沉降加快。文廟泵站明顯沉降、傾斜，風(fēng)井也明顯沉陷。 9：00音像樓裙房發(fā)生二次突沉，并部分坍塌，大樓繼續(xù)傾斜，墻面開裂加劇。 15：00以風(fēng)井為中心的地面沉陷加快，并逐步形成沉陷漏斗。坍塌范圍擴(kuò)展到董家渡路、中山南路

4、、外馬路、防汛墻。 20:00，防汛墻也開始出現(xiàn)裂縫，沉降進(jìn)一步發(fā)展。 音像市場傾斜加劇，樓板斷裂；文廟泵站7月2日-3日，隧道險情在進(jìn)一步發(fā)展和擴(kuò)大 隧道內(nèi)繼續(xù)大量進(jìn)水，水位上漲速度較快，約每小時漲移15M。管片損壞程度進(jìn)一步擴(kuò)展，并有管片連接螺栓繃斷，響聲傳出。 地面沉陷的范圍和深度在進(jìn)一步擴(kuò)大，以風(fēng)井為中心的地面從沉陷漏斗發(fā)展成塌陷區(qū)，最深達(dá)4M，臨江大廈門口地面塌陷最深處約2M，董家渡路沉陷達(dá)1M，中山南路明顯下沉，地面開裂發(fā)展加快。發(fā)生突沉；臨江花苑大廈沉降速率加快，沉降量達(dá)12.2mm，地下室出現(xiàn)裂縫。 河床嚴(yán)重擾動、下沉、滑移，近30m防汛墻倒塌，近70m防汛墻結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞，黃浦

5、江水沖向風(fēng)井，并由風(fēng)井進(jìn)入地下隧道，加劇險情發(fā)展。臨江花苑門口地面塌陷文廟泵站突沉第一、封堵隧道、向隧道內(nèi)灌水、盡快形成和保持隧道內(nèi)外水土壓力平衡第二、減少地面附加荷載，防止對地面的沖擊震動第三、防止黃浦江水和地表水進(jìn)入事故區(qū)段對隧道損壞的加劇第四、穩(wěn)定土體，減少土體擾動范圍，補(bǔ)充地層損失第五、保障搶險安全，為搶險提供有利保障(四)搶險技術(shù)措施風(fēng)井黃 浦 江浦東南路站南浦大橋站隧道進(jìn)水軌道交通1、2號線軌 道 交 通 四 號 線事故最大損害分析示意圖第一、封堵隧道、向隧道內(nèi)灌水、盡快形成和保持隧道內(nèi)外水土壓力平衡專家組在險情發(fā)展過程中，對險情造成的最大損壞作了分析。浦東南路站南浦大橋站（1）

6、設(shè)立區(qū)間水泥封堵墻7月1日在距兩側(cè)車站約幾百米處各筑一道水泥封堵墻上行線長2001米黃浦江風(fēng)井下行線長1987米水泥封堵墻位置示意圖水泥封堵墻水泥封堵墻（2）設(shè)立車站端頭井鋼筋砼封堵墻7月3日7月4日在兩側(cè)車站端頭井處設(shè)置第二道鋼筋砼封堵墻，并架設(shè)支撐和予埋加水管。浦東南路站南浦大橋站上行線長2001米下行線長1987米鋼筋砼封堵墻位置示意圖黃浦江鋼筋砼封堵墻鋼筋砼封堵墻水泥封堵墻水泥封堵墻鋼筋混凝土封堵墻施工第二.減少地面附加荷載，防止對地面的沖擊震動第三、防止黃浦江水和地表水進(jìn)入事故區(qū)段對隧道損 壞的加劇根據(jù)各注漿單位設(shè)備及人員情況劃分注漿區(qū)域，統(tǒng)一編號、統(tǒng)一協(xié)調(diào)，建立注漿管理網(wǎng)絡(luò)，落實責(zé)

7、任單位和責(zé)任人。第四、穩(wěn)定土體，減少土體擾動范圍，補(bǔ)充地層損失注漿補(bǔ)充地層損失穩(wěn)定土體，減少并控制土體擾動范圍，有利保護(hù)隧道和周邊建筑（區(qū)域外的構(gòu)筑物），其主要的措施就是盡快大量地向地下注漿，以補(bǔ)充地層損失及改善隧道結(jié)構(gòu)受力條件。第五、保障搶險安全，為搶險提供有利保障 險情發(fā)生后指揮部立即組織上水、電力、煤氣、排水、通信、電纜、公安、交警、消防等各單位采取了割接、改遷、封閉、暴露架空、重新敷設(shè)、調(diào)整系統(tǒng)等措施， 確保搶險正常、快速進(jìn)行和搶險人員安全，為搶險提供了有利的保障。（五）事故原因（1）凍結(jié)法施工方案調(diào)整缺陷：降低對凍土平均溫度要求：-10 C -8 C制冷量不足：未考慮夏季施工損失；凍

8、結(jié)管數(shù)量減少（2422），長度縮短25m16m)（2）在凍結(jié)條件不太充分情況下進(jìn)行開挖：要求凍結(jié)時間50天，實際43天；6月24日回路溫差大于要求事故原因（3）施工單位對于險情征兆沒有采取有效措施：壓力水流出；土溫上升水壓力達(dá)到承壓水壓力沒有緊急止水措施，沒向隧道公司和監(jiān)理公司匯報；（4）中煤上海分公司嚴(yán)重違章，擅自鑿洞；（5）監(jiān)理公司現(xiàn)場監(jiān)理人員失職：僅在6月25日、30日下井兩次：29、30日日記：“各項工作均正常”（6）隧道公司現(xiàn)場管理人員失職：247月1日，質(zhì)量員一次也未到工作面，2830日記”一切正?！埃┕こ淌鹿收{(diào)查結(jié)論定性：工程責(zé)任事故，直接經(jīng)濟(jì)損失1.5億。施工單位（北京中煤

9、礦山工程公司）未經(jīng)規(guī)定程序調(diào)整施工方案；險情征兆出現(xiàn)以后未能采取及時有效措施；現(xiàn)場管理人員違章指揮，擅自鑿洞直接導(dǎo)致事故發(fā)生；總包單位（上海隧道工程股份有限公司）管理失控；監(jiān)理單位（上海地鐵咨詢監(jiān)理科技有限公司）現(xiàn)場監(jiān)理失職。2.日本川崎縣的現(xiàn)場人工降雨滑坡試驗1971年11月11日關(guān)東壤土(風(fēng)化花崗巖上火山灰堆積層)=1.45w=5%傾角：30Nc50: 1.23m試驗現(xiàn)場紀(jì)念碑15人不幸遇難，11人受傷死者當(dāng)中：實驗人員參觀者報社記者電視采訪人員1人10人1人3人降雨強(qiáng)度：15-200mm/hr降雨范圍：44m72m噴頭數(shù)：5444個噴頭高度：地面以上16m揚(yáng)水泵：160kw 11kg/c

10、m 25.5kl/分(臺)蓄水池：25m38m2.4m (2250m3)室內(nèi)降雨試驗3 室內(nèi)試驗1 研究背景及目的2 室外試驗介紹3 室內(nèi)試驗介紹4 總結(jié)時間：2002年11月29日土質(zhì)：櫻川砂(細(xì)砂)=1.46w=8%斜面寬度：3m土層厚度：1.2m降雨強(qiáng)度：100mm/hr10303m室內(nèi)試驗1.破壞前兆現(xiàn)象存在（經(jīng)歷55分鐘，移動速度漸漸加速）降雨開始后104分鐘：土層開始發(fā)生位移降雨開始后159分鐘：全面崩塌2.破壞過程短暫：5秒鐘完成3.崩塌時滑動速度達(dá)到 2 m/s4.斜面上方滑動距離5.05.7m5. 崩塌發(fā)生同時，孔隙水壓底面水壓急劇上升6. 斜面末端的水壓力超過 30kPa2

11、004年11月野外試驗3.滲流與水利水電工程中的事故3.1 美國弟頓壩的失事 土壩，高90m，長1000m，建于1972-75年，1976年6月失事 直接8000萬美元，起訴5500起，2.5億美元，死14人，受災(zāi)2.5萬人，60萬畝土地，32公里鐵路Teton壩（美國）11:3011：00左右11:5011:5712: 001976年6月5日上午10:30失事后的弟頓壩事故分析-水力劈裂Teton壩事故原因分析3.2 青海溝后面板壩1993年8月7日工程介紹 溝后水庫設(shè)計庫容330萬方，屬于小型水庫，但最大壩高71m，屬于高壩； 下游13公里就是州府和縣城的恰卜恰鎮(zhèn)，位置重要。 水庫大壩采用

12、的是混凝土面板壩，這種壩型的安全性一般是比較高的； 該壩是國內(nèi)外同類壩型唯一失事的案例。大壩采用混凝土面板壩，壩料在初步設(shè)計時定為開采的爆破石料，開工后施工單位提出改用天然砂礫料。大壩設(shè)計填料分為4區(qū)，按照一般規(guī)律，是將細(xì)粒料（滲透系數(shù)?。┓旁谏嫌?；粗粒料放在下游。最大壩高71m，壩頂長265m，壩頂高程3281m，上下游壩坡分別為1:1.6和1:1.5，壩頂設(shè)有5m高L型的防浪墻。壩基為13m厚的沖積砂礫石覆蓋層，只將趾板處的覆蓋層挖除，并對該處基巖進(jìn)行了固結(jié)灌漿河幃幕灌漿。大壩剖面與分區(qū)事故回放1993年6月27日晚8點多，位于青海省共和縣的溝后水庫建成了3年，蓄水首次接近滿庫，比水庫允許

13、的最高水位（設(shè)計與校核洪水位3278m）只低不到1米。晚上9點鐘左右，水庫管理人員杭果聽到壩上發(fā)出悶雷般的巨響，在壩底下看到壩面在噴水，大壩中間的上部石塊在水流沖擊下翻滾著發(fā)出水石相激的聲響，石塊撞擊時有火花閃爍，水霧彌漫，壩頂出現(xiàn)缺口。隨后聲響越來越大，水流越來越?jīng)坝?，庫水奔騰而下，事后估算這時最大流量達(dá)到了2050m3/s，流出總水量達(dá)到261萬方。 溝后水庫發(fā)生了嚴(yán)重的垮壩事故，在下游13公里處的恰卜恰鎮(zhèn)的居民還不知情，已經(jīng)準(zhǔn)備安睡。 而水庫這里卻是報警無著：電話不暢，摩托車無油，領(lǐng)導(dǎo)找不到。據(jù)杭果講，最后他“找了一輛摩托車到鎮(zhèn)上向領(lǐng)導(dǎo)報告”去了。 洪水大約用了一個小時，在晚11點50分

14、抵達(dá)恰卜恰鎮(zhèn)，尚在睡夢中的288人死亡，44人下落不明。防浪墻壩頂L型防浪墻墻頂高程3282m，墻底板的底部高程3277 m，底板上部平臺設(shè)計高程為3277.35m（壩頂高程3281 m，水庫正常高水位3278 m，高出墻底1.0m。328232813278事故原因分析抗滑穩(wěn)定說；滲透變形說；層面沖刷說?？够€(wěn)定說分層碾壓的砂礫石填料滲透數(shù)較低（10-2cm/s量級），嚴(yán)重各向異性，如果水平滲透系數(shù)為豎向的4倍，則壩體浸潤線抬高26m，計算中抗剪強(qiáng)度指標(biāo)采用c=20kPa, =39，則壩下游坡的整體圓弧滑裂面的安全系數(shù)小于1.0。潰口處觀測的壩體浸潤線。滲透變形說 砂礫料滲透系數(shù)變化大（10-

15、1-10-4cm/s）,施工中容易造成粗細(xì)料分離，設(shè)計時壩體分區(qū)只規(guī)定了最大粒徑，實際上是細(xì)顆粒決定滲透系數(shù)，因而不能保證下游滲透系數(shù)大于上游； 并且沒有設(shè)置下游排水體和反濾，使壩體上部砂礫石在滲流作用下發(fā)生管涌，隨后壩頂逸出水流沖刷壩體，導(dǎo)致局部失穩(wěn)和滑動，造成潰口。層面沖刷說壩頂不均勻沉降使壩頂防浪墻的底板架空（可以伸進(jìn)手臂），當(dāng)庫水水平向大量涌入地板下的空隙時，同時攜帶空氣逸出，發(fā)出冒氣聲，很高的逸出流速（1m-2m/s），可將占砂礫料一半的細(xì)顆粒沖走，導(dǎo)致防浪墻進(jìn)一步下沉、傾斜，最后墻體倒塌，使庫水直接漫過壩頂，造成潰決。在幾個方面駁斥滑坡論：潰口的殘坡坡度在50左右，也有水流滲出，要

16、比1:1.5的壩體下游坡條件更加嚴(yán)峻，確一直保持穩(wěn)定；在潰口兩側(cè)的殘留壩段，條件與潰口段一樣，但是沒有滑動的跡象；如果是滑坡破壞，失事過程必然是瞬時發(fā)生，不可能持續(xù)了一個多小時。專家組對事故技術(shù)原因的報告 混凝土面板漏水; 壩體排水不暢，沒有設(shè)置下游排水，使浸潤線抬高，壩料強(qiáng)度與壩體穩(wěn)定性降低; 在壩上部首先發(fā)生滑坡（殘留壩體也有移動底痕跡，說明抗滑穩(wěn)定性不足），形成潰口; 在水流沖刷作用下潰口迅速擴(kuò)大，最后沖決大壩。面板漏水這包括面板接縫間，面板與防浪墻底板接縫間面板的裂縫和蜂窩等缺陷的滲漏。根據(jù)專家對壩體殘留段的檢查和對11個沖毀的面板殘片的檢查，面板施工質(zhì)量差，接縫漏洞多是漏水的主要原因

17、。面板的裂縫和蜂窩等缺陷的滲漏 混凝土有貫穿性的蜂窩銅片止水接觸帶面板混凝土蜂窩現(xiàn)象面板接縫及其與底板接縫面板分縫間的止水與混凝土結(jié)合不好，有的已經(jīng)脫落（殘留壩段接縫初可以伸進(jìn)手掌，底板下可以伸進(jìn)手臂）；接縫橡膠止水帶缺失橡膠止水帶沒有嵌入防浪墻底板防浪墻的水平底板在施工后就開裂了，僅采用了抹砂漿表面處理，不能起防滲的作用。防浪墻上游段破碎面板與防浪墻底板接縫間沖毀的混凝土殘片上橡膠止水干凈、完整、無擦痕止水沒有嵌進(jìn)混凝土，由于底板沉降而脫開管理方面的問題技術(shù)管理；運行管理；汛期管理。一些思考溝后水庫作為一個對地方的淹沒和動遷“補(bǔ)償”性的工程，興建在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和管理都十分落后的少數(shù)民族地區(qū)，其

18、中在修建根除中不少技術(shù)環(huán)節(jié)明顯有問題。引起事故的設(shè)計、施工的技術(shù)原因在我國水利水電業(yè)是完全清楚和可以解決的。落后的管理使根除隱患、化解險情、搶險救災(zāi)的最佳時機(jī)完全喪失，造成巨大災(zāi)害。這是國內(nèi)外最近大量興建的面板壩這種新壩型失事的唯一案例，應(yīng)當(dāng)吸取教訓(xùn)，總結(jié)經(jīng)驗，深化我們的認(rèn)識。3.3 滲透引發(fā)閘、堤壩破壞（1）1998年南海區(qū)丹灶鎮(zhèn)荷村水閘險情,經(jīng)濟(jì)損失23.8億水閘底管涌淘空南海水閘失事原因（2）1985.9 北江大堤劉寨水閘突然塌陷3.3m水閘底管涌淘空水閘安全（3）1998洪水脫坡16%管涌50%跌窩1%散浸3%崩岸5%其他11%漏洞14%跌窩散浸崩岸其他漏洞脫坡管涌1998年洪水中各種

19、險情6000余處管涌的治理98年江西九江、湖北簰洲灣、湖南安造垸和江西江州圩四處潰決。主要由管涌引起。98洪水九江潰堤：直接經(jīng)濟(jì)損失約114.7億元，受災(zāi)人口348.25萬人,造成巨大社會損失3.4 廣東清遠(yuǎn)水利樞紐施工事故（1）工程簡況珠江的北江上河床式樞紐；庫容:3.535億m3;18孔泄水閘船閘503m溢洪道水電廠房；發(fā)電4萬千瓦。二期圍堰的基坑開挖施工事故廣東省清遠(yuǎn)水利樞紐的船閘全年圍堰工程，在2010年汛期出現(xiàn)多處嚴(yán)重漏水、管涌，地基中大量砂土被滲透水流攜帶涌出，可是該工程在一個多月的滲漏、管涌期間，為了趕工期，一直沒有停工和采取有效措施，致使大量泥沙涌進(jìn)；使已建成的29，30，31

20、號泄水閘底板位移、沉降；部分船閘主導(dǎo)墻底板斷裂，造成工程事故和經(jīng)濟(jì)損失，致使工期延誤。經(jīng)濟(jì)損失達(dá)億元。4.滲流與基坑事故4.1廣州京光廣場基坑廣州京光廣場倒塌事故分析 基坑長度300m，寬45m，深度15m， 懸臂太長,應(yīng)加錨或支撐； 工棚附近生活用水滲入。 三死7傷。4.2萬亨大廈基坑 北京，二號（環(huán)線）線地鐵線東直門； 22層框剪結(jié)構(gòu)商業(yè)辦公樓；5.3萬m2 6層框架附屬用房及地下車庫， 基礎(chǔ)埋深17.72m基坑倒塌4.3深圳市南山區(qū)南新路原因分析承臺緊鄰基坑側(cè)壁超挖，基坑整體穩(wěn)定安全系數(shù)雖較低，但不應(yīng)坍塌；變形導(dǎo)致土體對供水管的約束減弱。供水管為壓力管，接口已破損處在水壓力作用下裂縫加大，漏水量增加，導(dǎo)致土體松軟，土體松軟對供水管的約束進(jìn)一步減弱，裂縫進(jìn)一步增加，涌水量進(jìn)一步增加，如此惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致基坑塌方。塌方全過程中觀察到，破壞模式為典型的弧線滑動破壞，滑弧剪出口位于坡腳