卡马水库大坝滑塌原因分析

周克发,龙智飞,王昭升,张士辰

(南京水利科学研究院大坝安全与管理研究所,江苏南京 210029)

1 卡马水库大坝概况

卡马水库位于广西壮族自治区河池市罗城县境内的龙江支流卡马河上,是一座以灌溉为主,兼顾防洪、发电、养殖等综合利用的小(1)型水库,总库容为930×104m3,死水位为194.20m(黄海高程,下同),正常蓄水位为220.10m,50年一遇设计洪水位为222.49m,500年一遇校核洪水位为223.89m。水库始建于1957年,1958年建成,大坝原设计为7.40m高的浆砌石滚水坝。1971年9月对滚水坝进行扩建,1981年2月主体工程竣工,达到现状规模。枢纽工程由大坝、溢洪道、输水涵管、坝后灌溉涵洞、坝下导流洞组成。枢纽平面布置见图1。大坝坝顶高程为224.80m,最大坝高为38.70m,坝顶长250.3m,坝顶宽4.20～4.70m。大坝名为混凝土面板干砌石重力坝,实际上为组合坝型——斜混凝土防渗墙堆石坝[1]。大坝典型断面见图2。

因工程质量差、结构老化、渗漏严重,该水库大坝于2007年被鉴定为三类坝,并于2008年9月开始除险加固施工。2009年6月24日,受强降雨影响,库水位快速上升,大坝导流洞进口堵体被击穿,出现严重漏水险情;7月3日,导流洞出口边坡因冲刷滑塌,并引起上部坝体滑塌,险情加剧。险情发生后,国家防汛抗旱总指挥部、广西壮族自治区政府以及河池市政府领导高度重视,快速响应,果断处置,成立了卡马水库抗洪抢险指挥部和现场专家组。经各方努力,采取开挖右岸排洪渠、拓挖左岸溢洪道、坝脚堆石压重、导流洞进口封堵等应急处理措施,险情得到了有效控制。

2 坝体滑塌原因调查与初步判断

2009年7月3日17:30库水位达到最高洪水位219.95m;20:00左右导流洞出口被滑塌的巨石堵塞,并引起坝顶部分长约20m、高约15m的坝体滑塌,滑塌坝段桩号为0+024.5～0+044,坝顶部分滑塌宽度为19.5m,底部滑塌宽度为12.6m,底部高程为213.00m。

图1 工程枢纽平面布置示意图

图2 大坝典型断面图

通过对当时在场人员(约15人)的走访调查获知,2009年7月3日20:00左右导流洞出口左侧发生滑坡,先是土块滑至导流洞出口顶部,随后2块条石滑落至导流洞上方,另外,早在2008年10月施工电线搭建时左岸山坡已下沉约10 cm;值班民警反映,开始时坝面有少量块石滑落,随后大片块石滑落,发出巨大响声,随即接到上级指令,鸣枪示警,通知全体工作人员撤离;多位现场抢险专家组成员反映,7月3日20:15左右导流洞左岸岩体先滑塌,将导流洞出口堵塞,发出巨大响声,随后上方坝体堆石塌落,坝脚灌溉涵洞顶部约194.00m高程附近有水冒出。现场调查时导流洞出口被巨石堵塞,见图3。

综合上述调查情况,初步判断坝体滑塌原因为导流洞出口被滑塌的巨石瞬间堵塞后产生水击现象,库水一方面沿着与导流洞连接的灌溉涵洞破损洞壁向坝体扩散,大量水流从下游坝坡约194.00m高程处条石缝间逸出;另一方面瞬间产生的水击对坝体造成了短暂的较大冲击振动,巨大声响即来自水击作用及其导致的坝体振动,随即引发上部坝体滑塌。

图3 导流洞出口巨石堵塞现场

3 水击作用分析

3.1 水击传播速度计算

类似于水电站机组瞬间关闭导致有压运行的导流洞发生水击,卡马水库导流洞出口被滑落的巨石瞬间堵塞的过程也会导致有压运行的导流洞发生水击,属直接水击。水击波的传播速度是影响水击压力的重要参数,直接水击可按式(1)计算[2]:

式中:a为水击波的传播速度,m/s;ε为水的弹性模量,GPa;D为压力管直径,m;E为浆砌石的弹性模量,GPa;δ为压力管管壁的计算厚度,m。

本次卡马水库导流洞水击传播速度有关计算参数取值如下:ε=2.1GPa;由于水击计算公式考虑的是圆形断面,因此本次估算近似取用导流洞上部半圆形断面的直径,即D=1.2 m,δ=0.5 m;参考SL 25—2006《砌石坝设计规范》,并考虑到浆砌石体力学性能较差,其弹性模量应较低,取E=0.2GPa。将有关参数代入式(1)得a=280.35m/s。

3.2 水击压力估算

水击压力水头增量按式(2)计算[2]:

式中:ΔH为水击压力水头增量,m;H为水击压力水头,m;H0为初始水头,m;v为压力管道中水击发生后的流速,m/s,v=0;v0为压力管道中水流的初始速度,m/s;g为重力加速度,g=9.8m/s2。

当水击发生时,库水位为219.95m,导流洞横截面面积S=1.2m×1.1m+0.25π×(1.2m)2×0.5=1.855m2,下泄流量Q=15.9m3/s,则水流初始流速v0=Q/S=8.571m/s。将有关参数代入式(2),得ΔH=245.19m。

3.3 水击振动荷载的估算

根据卡马水库导流洞洞体特征,结合此次水击实际情况,可假设水击振动荷载沿导流洞直线分布[2],导流洞进口处为零,出口处最大,即出口处的水头压强p出口=2402.9kPa(245.19mH2O),见图4。因导流洞内各断面上的水击压力顺径向作用于洞壁,为确定水击振动荷载瞬间作用于洞身上部滑坡段竖直向上的力,可将洞内各断面上的所有径向水击压力分解至竖直向上方向。设导流洞上部圆弧半径为r,则出口部位截面竖直向上的压力P出口=2p出口r,而进口部位截面竖直向上的压力P进口=0。考虑到滑坡段坝体覆盖导流洞整个长度中部,导流洞全长75m,坝踵距离进口约10m,坝趾距离出口约5m,则坝踵、坝趾处水击压力值分别为P坝踵=0.1333P出口 =0.267p出口r,P坝趾 =0.9333P出口 =1.867p出口r。则导流洞上部滑坡段坝体所受竖直向上的水击作用总力P总=(P坝踵+P坝趾)×(75m-10m-5m)×0.5=92299kN。

图4 水击振动荷载沿导流洞直线分布示意图

坝体干砌石湿密度取试验平均值1890kg/cm3,水击发生瞬间受水击作用的坝体段长度按实际滑坡长度20m计,受水击作用的坝体底高程按导流洞顶平均高程193.55m计。经计算,受水击压力作用的坝体体积为18780m3,质量为35494.2t,则水击发生瞬间作用于滑坡坝段竖直向上的加速度a0=92299kN/35 494.2 t=2.601 m/s2=0.265g(g取9.8m/s2),该加速度值介于Ⅷ度地震对应的地震动峰值加速度0.2g与Ⅸ度地震对应的地震动峰值加速度0.4g之间。鉴于水击振动荷载估算采用圆形断面,与实际断面不同,且在水击发生时导流洞在出口上游部分与灌溉涵洞连通,这会产生较大的能量耗散;水击振动荷载通过洞壁与坝体产生相互作用,又会有一定的能量消耗。因此,模拟分析水击作用对坝体滑坡的影响时,水击发生瞬间作用于滑坡坝段竖直向上的加速度值应做适当的折减。

4 坝坡稳定计算分析

4.1 计算断面及计算方法

选择0+030断面作为计算断面,并将坝体断面分成5个区,计算简图见图5。对滑坡体滑塌前的稳定性及水击振动荷载对坝体的影响进行模拟分析。计算方法采用斯宾塞法,稳定分析近似按二维问题考虑,滑动面采用下游坡滑塌后的不规则曲面。根据现场调查[1],初步判定坝体滑塌前导流洞水击产生的水体进入坝体内部,但这部分水体基本不影响坝体安全性,因此,主要分析上部干堆石坝体部分的稳定性。稳定计算时,上游水位取坝体滑塌前的库水位219.95m。水击振动荷载对坝体下游坡稳定性的影响采用拟静力法进行分析,仅考虑竖向振动荷载的作用,竖向加速度分别取0.05g,0.10g,0.20g和0.30g。

图5 0+030断面坝体抗滑稳定计算简图

4.2 堆石体咬合力合理性分析

若不考虑堆石体咬合力c′(本文指坝体块石之间的黏结力),按无渗流作用下的无黏性土坡分析,堆石体坝坡抗滑稳定安全系数计算公式如下:

式中:Fs为抗滑稳定安全系数;m为坝坡坡比的倒数;φ为无黏性土的内摩擦角。

由式(3)可知,堆石体坝坡要达到极限平衡状态(Fs=1),堆石体的内摩擦角要达到61.2°。显然,所要求的内摩擦角数值过大,这不符合卡马水库大坝坝体的实际情况,因此,应考虑堆石体咬合力的作用。堆石体咬合力c′分别选取5kPa,7.5kPa和10kPa进行稳定分析。坝坡稳定分析计算参数见表1。

表1 坝坡稳定分析计算参数

4.3 计算结果分析

根据表1,滑坡体滑塌前0+030断面下游坡坝体稳定分析计算结果见表2。由表2可知,在静力条件下,大坝运行多年基本保持了稳定状态,坝坡稳定安全系数应大于1。从计算结果看,c′取 5kPa时,静力条件下稳定安全系数为1.026,因此,c′下限取5kPa较合理。本次发生的水击振动荷载加速度约为0.265g,对照表2,若c′取10kPa,水击振动荷载0.30g对应的稳定安全系数为1.112,安全系数大于1,与坝坡已失稳破坏的实际情况不相符;c′取7.5kPa时,水击振动荷载0.20g和0.30g分别对应的稳定安全系数为1.012和0.974,与坝坡处于稳定临界状态时的安全系数很接近,与坝坡在0.265g的水击作用下失稳相吻合,符合实际情况。可见,c′上限取7.5kPa较合理。由前述分析可知,当c′取5～7.5kPa时,下游坡坝体在静力条件下稳定安全系数不满足规范要求,在水击振动荷载作用下稳定安全系数大多小于1,因此,c′取5～7.5kPa是比较合理的。

表2 0+030断面坝坡稳定分析计算结果

根据SL 228—98《混凝土面板堆石坝设计规范》规定,当填筑材料为硬岩堆石料时,上、下游坝坡坡度可采用1∶1.3～1∶1.4,软岩堆石体应适当放缓;当用性能良好的天然砂砾石料填筑时,上、下游坝坡坡度可采用1∶1.5～1∶1.6。相比较之下,卡马水库大坝坝坡偏陡,在振动情况下出现滑坡是必然的。

5 结 语

在抢险记录、事后现场调查、补充地质勘察、现场检测与监测等基础上,考虑到大坝运行多年基本保持稳定状态,认为大坝坝坡偏陡、稳定安全系数偏小是造成坝体滑塌的内因,而导流洞水击振动荷载作用则是造成坝体滑塌的外因。建议在大坝加固措施实施前加强高水位的巡视检查,保留洪水的下泄通道,确保大坝安全,并在加固措施实施时做好施工组织计划及应急预案。

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[1]李雷,龙智飞,张士辰,等.广西壮族自治区罗城仫佬族自治县卡马水库大坝安全评估及处置对策研究[R].南京:南京水利科学研究院;河池:广西河池水利电力勘测设计研究院,2009.

[2]华东水利学院.水力学[M].北京:科学出版社,1979.