从岩石水力学观点看几个重大工程事故【水利工程】.doc

水利工程论文-从岩石水力学观点看几个重大工程事故摘要：20世纪下半叶发生了3次震惊水利水电工程界的重大工程事故：法国Malpasset双曲拱坝溃坝；意大利Vajout双曲拱坝近坝库区左岸发生2.5亿m3的大滑坡；美国Teton土坝在岩基坝段溃决本文对事故作了简要介绍，在已有文献资料的基础上，从岩石水力学的观点分析讨论了工程事故的出事原因，可供水工建筑设计人员参考 关键词：工程事故 岩石水力学 Malpasset拱坝 Vajont大滑坡 Teton坝 1 前言1895年4月，法国Bouzey重力坝失事事后分析，失事的原因是该坝设计时未考虑作用于坝基上的扬压力20世纪初建造的许多重力坝多未考虑扬压力，如印度的Khadakwasla等坝(Kulkarni,1994)，均因不够稳定而采取加固1959年法国Malpasset坝失事是拱坝第一次溃坝记录，经检查，坝的设计符合规范， 施工 质量良好直到1987年，通过一次以溃坝为主题的国际研讨会，才有了初步结论：左坝肩地基中过大的水压力使坝基岩块沿F1断层滑动而溃坝1976年，当时世界上最高的土坝，美国Teton坝发生溃坝，经反复查证，确认坝基岩石节理发育，库水流经岩石裂隙使心墙齿槽土体发生管涌而最终遭致溃坝。

1985年，美国Bath County抽水蓄能电站高压钢管中的一条出现了屈曲破坏尽管设计在钢管区域精心布置了排水幕，但由于砂岩的层状构造的特点，排水幕并未起到预期的作用水电站高压钢管在外水压作用下屈曲破坏的事故国内外均屡有发生高压水工隧洞产生水力劈裂也不乏实例水工隧洞及其它隧道工程塌方事故频繁，多为岩石裂隙水的不利作用所引发滑坡是多发性的自然灾害较大的天然滑坡大多是岩体中的滑坡1963年意大利Vajont拱坝近坝左岸库区岩体大滑坡体积达2.5亿m3，在当时是有记载滑坡中规模、滑速及造成的灾害均是最大的19世纪60年代，岩石力学，特别是岩石水力学尚处于萌芽状态，没有估计到滑坡会造成数千人死亡的重大灾害，因而未能采取有效的处理及预报措施2000年4月，西藏易巩藏布江左岸花岗岩山体发生约3亿m3大滑坡据分析，这次滑坡是山体积雪融化，水渗入山体而触发的在水电站工地、公路、铁路沿线都有因人工开挖而出现岩石高边坡问题不少人工岩石边坡因受降雨、 施工 用水、生活用水的影响而产生滑坡，造成程度不同的损失许多工程因采取了以排水为主的综合处理措施而有效地防止了滑坡 综上所述，许多工程事故都与岩石水力学有关。

本文仅以几个重大工程事故的实例来说明研究、学习与掌握岩石水力学的重要性和迫切性2 法国Malpasset拱坝溃决2.1 Malpasset拱坝简介 Malpasset双曲拱坝位于法国南部Rayran河上，坝高66m，水库总库容5100万m3坝顶高程102.55m，顶部弧长223m坝的厚度由顶部1.5m渐变到中央底部6.76m，属双曲薄拱坝左岸有带翼墙的重力推力墩，长22m，厚6.50m，到地基面的混凝土的最大高度为11m，开挖深度6.5m在坝顶中部设无闸门控制的溢洪道坝基为片麻岩，片理倾角在30°～50°之间，倾向下游偏右岸较大的片理中部充填糜棱岩坝址范围内有两条主要断层一条为近东西向的F1断层，倾角45°，倾向上游断层带内充填含粘土的角砾岩，宽度80cm另一条为近南北向的F2，倾向左岸，倾角70°～80°(图1)图1 Malpasset拱坝主要地质构造 图2 Malpasset拱坝水库蓄水过程线2.2 拱坝溃坝过程 Malpasset拱坝于1954年末建成并蓄水库水位上升缓慢历经5年至1959年11月中旬，库水位才达到95.2m这时的坝址下游20m，高程80m处有水自岩石中流出因下了一场大雨，到12月2日晨，库水位猛增到100m(图2)。

当日下午，工程师们到大坝视察，研究如何防止渗水的不利作用因未发现大坝有任何异常，决定下午6点开闸放水，降低库水位开闸后未发现任何振动现象管理人员晚间对大坝进行了反复巡视，亦未见任何异常现象，于近21点离开大坝21点20分，大坝突然溃决，当时库水位为100.12m据坝下游1.5km对这一灾难少数目击者描述，他们首先感到大坝剧烈颤动，随之听到类似动物吼叫的突发巨响，然后感到强烈的空气波最终他们看到巨大的水墙顺河谷奔腾，同一时间电力供应中断洪水出峡谷后流速仍达20km/h，下游12km处Frejus城镇部分被毁，死亡421人，财产损失达300亿法郎次日清晨发现大坝已被冲走，仅右岸靠基础部分有残留拱坝，一些坝块被冲到下游1.5km处，左岸坝基岩体被冲出深槽2.3 溃坝后的调查及分析 1959年Malpasset拱坝溃坝并造成的重大灾难震惊了工程界，也因在此之前尚未有拱坝溃坝的先例事故发生在坝工建设方面，尤其是在拱坝建设方面为世界最先进的国家；该坝是由最负盛名的设计大师Andce Coyne设计的；它是当时溃坝记录中最高的坝；溃坝毁灭了Frejus市，在最富的地中海区造成重大灾害；这次事故表明任何型式的包括被认为最安全的拱坝都会遭到破坏(Serafim，1987)。

Malpasset拱坝的失事，说明了当时对岩体内水的流动规律知之甚少这一惨痛的教训大大促进了岩石力学，特别是岩石水力学的发展本文将摘引已发表的文献，从岩石水力学观点分析其失事的机理2.3.1 溃坝原因的官方分析 Malpasset拱坝所有者法国农业部于12月5日组建了一个调查委员会几个月后提交了一个临时报告1960年8月提出代表官方的最终报告，1962年夏报告对外公布(Laeger,1963)该报告正文只有55页，因有40个附件，共形成三厚本报告委员会委托法国电力公司(EDF)对大坝应力作了复核，最大压应力为6.1MPa，混凝土抗压安全系数为5.3拱冠局部有1MPa拉应力EDF还对拱的独立工作工况进行了校核对左岸重力墩也进行了复核，在拱圈单独作用下重力墩是安全的冲走的附有基岩的大量混凝土块均未发现混凝土与岩石接触面有破坏迹象混凝土质量良好，其抗压强度为33.3MPa～53.3MPa由此判断，坝失事是由坝基岩石引发的委员会认为，水的渗流在坝下形成的压力引发了第一阶段的破坏(Jaeger,1979，391页)2.3.2 坝工界对溃坝原因的讨论 法国官方最终报告公开后，引起了坝工界广泛重视Coyne and Bellier公司对Malpsset拱坝地基片麻岩进行渗透试验(Bellier and Londe,1976)，得出了渗透性与应力明显关系。

就这一关系对拱坝失事原因给出了明确的解释，并由Londe(1985，1987)在工程地基国际会议及大坝失事国际研讨会上作了报告这一期间，还发表了一些重要 论文 和专着，主要有Jaeger(1963，1979)、Habib(1987)、Post和Bonazzi(1987)、Serafim(1981，1982，1987)、Wittke和Leonards(1987)及汝乃华和姜忠胜(1995)等Malpasset拱坝失事至今已40多年，对其失事的原因至今尚未取得完全一致的认识但绝大多数专家都认为坝基内过大的孔隙水压力是造成失事的主要原因2.3.3 Londe(1987)的分析 片麻岩有片理构造试验研究表明，当窄条形荷载与片理垂直时，应力向岩体深部传布呈扩散状，而当荷载与片理平行时，受片理影响，应力分布呈条带状传至岩体深部而不能扩散(图3)Malpasset拱坝由于其与片麻岩片理空间相对关系，左坝肩拱推力与片理平行，右坝肩拱推力则与片理垂直左右两坝肩岩体承载后的应力分布有很大差异由于坝左有F1断层，在左坝肩从拱座到F1断层形成高应力岩体条带Bernaix在Malpasset拱坝溃坝后对地基片麻岩体进行过室内渗透性与应力关系的试验，发现片麻岩的渗透性与应力关系十分明显。

将这一关系用指标S表示：图3 荷载垂直片理与平行处理应力分布S=k-1/k50 (1)式中：k-1为拉应力为0.1MPa时岩块的渗透系数，k50为压应力为5MPa时岩块的渗透系数试验表明，S指标最大值可达200按岩石渗透性与应力关系的试验结果，在拱坝推力作用下左坝肩拱座到F1断层实际上形成了条状防渗帷幕，相当于一个地下大坝该区域的渗透系数仅为周围岩石的渗透系数的1/100或更小由于条带内与条带外渗透系数相差100倍，绕坝渗流水头全消耗在防渗条带内因而，在防渗条带上游就作用有相应于全水头的压力左坝基岩体在全水头压力作用下沿F1断层滑动致使拱坝溃决(图4)2.3.4 Wittke和Leonards的分析 西德Aachen大学Wittke教授在1984年秋考察了Malpasset拱坝遗址后，随即开展了对该坝失事原因的研究作为Aachen大学访问学者，作者曾部分地参予了该项研究工作Wittke从岩体渗流的增量荷载理论，用有限元方法分析坝与坝基在水压力、自重及渗流荷载作用下的变形和应力结果表明，拱坝坝踵处岩体在垂直片理方向产生拉应力，该处片理产生张裂缝库水进入裂缝并将裂缝劈开至下部断层处，在裂缝内形成全水头压力，使左坝肩至F 1断层的岩块失稳(图5)，大坝溃决。

图4 Londe对Malpasset拱坝溃坝原因的解释图5 Wittke对Malpasset拱坝溃坝原因的解释图4及图5对Malpasset拱坝破坏分析形式上一致，但出发点不相同岩体中有节理、裂隙、片理、层面及断层等各种构造面，水流主要顺这些构造而运动对多数岩石，岩块的渗透性常可忽略不计从这个观点，Wittke提出的Malpasset拱坝溃坝原因的分析是比较最实际的Serafim与Wittke的观点基本一致2.4 小结 Malpasset拱坝溃坝造成了灾害对这一事故的分析研究加深了工程界对岩石力学的认识，并促进了岩石水力学的发展，目前已成为岩石力学的一个重要的学科分支显然，岩石水力学的形成无论对科学的发展或对工程的安全都有重大意义1987年在Purdue大学召开的以大坝失事为主题的国际研讨会上G.A.Leonards主席总结发言中有一段评论：“……Malpasset坝的溃决是推动初步形成的岩石力学成为一个茁壮成长的岩石工程学科的 主要动力，这一学科可以广泛应用于土木工程，包括大坝、隧道、大型地下洞室、自然岩石边坡及人工岩石边坡的稳定性各类问题上……”3 意大利Vajont拱坝近坝岸库岩体大滑坡3.1 滑坡的基本情况 1959年建成的意大利Vajont拱坝位于Piave河支流Vajont河上，坝高262m，当时是世界最高的拱坝。

1963年10月9日夜，Vajont水库水位达700m高程，大坝上游近坝库左岸约2.5亿m3巨大岩体突然发生高速滑坡，以25m/s的速度冲入水库，使5500万m3的库水产生巨大涌浪大约有3000万m3的水翻越坝顶泄入底宽仅20m的狭窄河谷翻坝的水流在右岸超出坝顶高度达250m，左岸达150m水流以巨大流速滚向下游经Vajont河冲入Piave河时，经近直角的弯转后席卷Longarone小镇及几个邻近村庄，造成生命及财产巨大损失，共有2500人死亡(Jaeger,1979)由于拱坝设计合理，拱座岩石坚固且经锚索加固，在如此巨大超载(估计超过设计荷载8倍)作用下，262m高的Vajont双曲拱坝依然圪立，基本完好但大滑坡的石碴掩埋了水库，堆石高度超过坝顶百余m，使大坝和水库完全报废3.2 Vajont拱坝简介 意大利Vajont双曲拱坝最大坝高262m坝顶高程725.5m，设计蓄水位722.5m坝址河谷深而窄，坝面弦长仅160m地基岩石为灰岩，节理发育地基的主要问题是节理较发育受法国Malpasset拱坝失事的影响，Vajont高拱坝竣工后，又采用100t预应力锚索对两岸坝肩部位岩体进行了加固。

锚索长55m，左岸125根，右岸25根此外还使用了大量一般锚筋，对波速低于3000m/s。