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2003年5月 水 利 学 报 SHUILI XUEBAO第5期 收稿日期 2002206210 作者简介张有天1933 - ,男,安徽滁县人,教授级高工,主要从事水工结构及地下工程研究。 文章编号 055929350 2003 0520001210 从岩石水力学观点看几个重大工程事故 张有天 1 1 1 中国水利水电科学研究院,北京 100044 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Va2 jout双曲拱坝近坝库区左岸发生215亿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 中图分类号 TV69812 文献标识码 A 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215亿m 3 ,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m 3 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。 1 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2 法国Malpasset拱坝溃决 211 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m 3 。坝顶高程102155m ,顶部弧长223m。坝的厚度由顶部115m渐变到中央底部6176m ,属双曲薄 拱坝。左岸有带翼墙的重力推力墩,长22m ,厚6150m ,到地基面的混凝土的最大高度为11m ,开挖 深度615m。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 212 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9512m。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100112m。据坝下游115km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20kmΠh ,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115km处,左岸坝基岩体被冲出深槽。 图2 Malpasset拱坝水库蓄水过程线 2 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 213 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。 21311 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 Lae 2 ger , 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611MPa ,混凝土抗压安全系数为513。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3313MPa～5313MPa。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。 21312 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著,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。 图3 荷载垂直片理与平行处理应力分布 21313 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 Sk- 1/k501 式中k- 1为拉应力为011MPa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 。 21314 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。 3 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 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F1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。 214 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 311 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 215亿m 3 巨大岩体突然发生高速滑坡,以25mΠs的速度冲入水库,使5500万m 3 的库水产生巨大涌 浪。大约有3000万m 3 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。 312 Vajont拱坝简介 意大利Vajont双曲拱坝最大坝高262m。坝顶高程72515m ,设计蓄水位 72215m。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3000mΠs的岩体进行固结灌浆加固。加固工程于1960年9月完成。 313 左岸滑坡区地质简况 图6为Vajont近坝左岸岩层的地质图。地层从下到上为鲕状灰岩、泥灰 岩、上泥灰岩、下白垩系岩层、上白垩系岩层。整个岩层靠近河谷有600～700m为水平层,内部层面 为倾角30 ～40,倾向河谷。岩层层面类似于斜靠背椅, Vajont近坝库岸大滑坡的特点与这种层面产 状特点是紧密相关的。 4 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图6 Vajont滑坡地质剖面 314 Vajont大滑坡简要过程 图7为Vajont水 库自蓄水开始1990年2月至发生大滑坡 1993年10月 时降雨、库水位、滑坡速度及 监测地下水位的过程线。由于Vajont近坝左库 岸边坡运动形态与库水位密切相关,现对这一 滑坡的时间过程作简要叙述。 图7 Vajont滑坡降雨E、库水位F、位移速率G及测压管水位H过程线 31411 水库蓄水前 在Vajont水库库岸做过一些勘测包括航测工作,发现左库岸有一些小的古 滑坡。这些滑坡分布在高程700m ,位于坝上游500m至1400m一带。为了观测蓄水后边坡动态,决定 将库水位蓄至650m ,进行一次1∶1比尺滑坡体现场试验。为这一试验作了现场勘测及位移、测压管、 测斜仪等项目的监测。还进行了极限平衡及有限元分析。 31412 第1期蓄水库水位由580m升至650m 水库自1960年2月开始蓄水起始水位580m , 自1960年7月库水位以每天约013m上升,至同年11月9日水位达650m。11月4日库左岸坝头处发 生70万m 3 堆石体滑坡,滑坡体在10分钟内滑入水库。同时在左岸1000～1300m高程处出现M型裂 缝。滑坡体位移监测表明最大位移已达每天316cm。为边坡安全计,决定将库水位在50天内由650m 降至600m。随着库水位下降,位移迅速停止发展。 31413 1961年1月6日至10月17日低库水位时段 在这一时段内进行了以下工作 1 进行了补充 地震勘探。与水库蓄水前的地震勘探资料相比,表明在相当深度范围内岩石有显著松动。2认为可 能发生较大的滑坡会将水库分割成两部分,为此在右岸修建直径5m、长2km的隧洞,使水库上游部 分的水能达到坝的排水口。3修建探洞进一步查明滑面并兼作排水设施但因位置过高难以发挥作 5 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 用。4增加27个地表位移观测点。 Padua大学对发生210～216亿m 3 大滑坡时的涌浪高度进行水力学模型试验研究。用卵石模拟滑 坡体,滑坡延时由60s至10min ,测出最大涌浪高为26m ,因此得出结论只要库水位不超过720m , 滑坡对下游的影响极小。 31414 1961年10月17日水库再次升高水位及降低水位 经100d后库水位再达初次蓄水最高水位 650m ,在整个蓄水期间,观测到的地面位移很小,几乎停止或小于115mmΠd。因而决定继续蓄水,由 1962年1月中旬开蓄,至1962年12月末库水位达700m。这时地表位移速率达11mmΠd ,虽然远小于2 年前的最大位移36mmΠd ,但仍决定将库水位降低,至1963年4月初降至650m。地面位移速率减小至 2mmΠd。 31415 第3次提升库水位 水库初次升、降水位使第2次水位时位移速率大为减小。由此推论第2 次升、降库水位对第3次升水也应有同样效应。基于这种认识,决定于1963年4月初第3次升高库 水位。1963年9月26日,库水位达到710m时,地表位移猛增至30mmΠd。决定紧急降低库水位,但 位移速率非但不减小,反而继续增加。至1963年10月9日,突发的灾难性的大滑坡最终发生了,滑 坡速度达到20～30mΠs。 315 从岩石水力学观点分析Vajont大滑坡 Vajont大滑坡及其所造成的灾难出乎当时设计人员、地质 人员及科研人员的预料。滑坡发生后,对其原因分析意见颇多分歧。其中有两个现象使科学家和工程 技术人员感到困惑。 图8 库水位实线与岩石位移虚线关系 31511 滑坡位移速率与库水位的关系 Mller 1964 在其论文“Vajont河谷的岩石滑坡”给出坡面位移与库 水位的关系图 8 。图8与图7相同,但表达的方法 更为直接。由图明显看出,在库水位上升时滑坡加速, 库水下降时滑坡停止。这一现象与许多挡水土坝滑坡 所得到的经验相矛盾,土体总是在库水位降落时出现 滑坡Jaeger , 1979。对这一现象,当时未有满意的解 释。时至今日,按岩石水力学观点这一现象在特定条 件下是正常的。由于水在岩体中主要沿其中的裂隙运 动,实际流速通常比达西流速大4～6个量级,但土体中实际流速与达西流速大体相当。这就是岩石 水力学与孔隙介质渗流学根本区别之一。岩石边坡裂隙中的水位可与库水位同步升降。Vajont近坝库 左岸滑坡滑面为靠背椅形。库水位上升时,滑坡平段被水淹没,岩石由湿重变为浮重,阻滑力减小, 位移因而加大。反之,当库水位下降时,阻滑力加大,位移就减小或停止。 31512 滑坡最大滑速 Vajont近坝库岸滑坡巨大灾害不仅由于滑坡体积的巨大,更因最大滑速达 25mΠs。滑速25mΠs是Mller的估计,不是也不可能是观点值,但为文献广泛引用。目测估计涌浪高达 220m ,根据流体力学动量理论,按滑面摩擦系数01179 摩擦角略大于10反算得最大滑速为32mΠs。 另一些报告则认入水滑速应为20～25mΠs。也有人从岩石冲出对岸高达150m估算滑坡最大滑速为 50mΠs。上述关于Vajont滑坡最大滑速的估算虽为滑坡发生后的反分析,但滑坡速度甚高这一点是肯 定的。在Vajont大滑坡未发生前,尽管许多地质工作者均预计到可能产生滑坡及其规模。但都认为对 于这种靠背椅状的岩石构造,滑坡是低速型的。没有任何人预先估计到该滑坡是滑速最快的和创记录 的破坏性的滑坡Jaeger , 1979。这一点如实地反映了当时对滑坡的认识水平。 316 小结 在1985年举行的大坝失事国际讨论会上,奥地利的Mller2Salzburg 1987在他报告结束 时说了如下一段话“在Vajont灾难发生后,许多人写文章,作报告,认为这是一次很容易避免的灾 害。另一些人则说,这是一个不可避免的不幸。我认为,这两种意见都是错误的。灾害是人类错误造 成的,肯定是科学上判断的错误,是知识匮缺的后果。 ” Mller2Salzburg的意见值得深思。在Vajont滑坡惨剧发生近40年后的今天,有必要用当今的知识 水平,特别是用岩石水力学的观点,对Vajont滑坡进行再认识,提高对同类自然灾害的预见能力而采 6 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 取相应的措施防止其发生,或作出正确判断和预报,减少滑坡造成的损失。 4 美国Teton坝溃决 411 Teton简介 Teton坝位于美国Idaho州的Teton河上,是一座防洪、发电、旅游、灌溉等综合利 用工程。大坝为土质肥心墙坝。最大坝高12615m 至心墙齿槽底。坝顶高程1625m ,坝顶长945m。 土基坝段坝上游坡上部为1∶215 ,下部为1∶315。坝下游坡上部为 1∶210 ,下部为1∶310。左岸为 发电厂房,装机16MW。右岸布置有3孔槽式溢洪道。该坝于1972年2月动工兴建, 1975年建成。 图9 位于节理流纹岩地基上的大坝典型剖面 岸坡岩基坝段见图9。肥心墙材料为 含黏土及砾石的粉沙,上游坡为1∶115 , 下游坡为1∶1。心墙两侧为砂、卵石及砾 石坝壳。大坝防渗心墙用开挖深3315m齿 槽切断冲积层,槽体用粉砂土回填。基底 高程155415m以上的两岸坡齿槽坡比为1∶ 01 5 图9 ,槽体切断上部厚70m的强透 水岩体,槽身用与坝体相同的粉砂土回 填。心墙下游面有一排水层,由筛选的砂 及卵石填筑,但在心墙与砂层之间无过渡层。心墙底部与冲积层以及齿槽填土体与岩壁之间均无过渡 层。在槽底沿坝全长设帷幕,最大幕深达91144m。坝主剖面为单排孔灌浆帷幕,灌浆孔距为3105m。 两岸齿槽下为3排孔灌浆帷幕,外侧两排孔距均为3105m ,中心排孔距6110m。坝址位于Teton河谷的 峡谷上。两岸均为后第三系凝灰岩,节理发育强烈,裂隙宽度一般达016～716cm ,偶有30cm宽的裂 隙。河床冲积层厚约10m。在坝两端覆盖着约8m厚的风积粉土。在坝址进行过5个孔的岩石抽水试 验,抽水量超过380lΠmin ,影响范围估计达30km ,岩石为强透水性。通过灌浆试验表明,对表层强透 水岩体采用深填土齿槽比灌浆处理更为经济。 412 溃坝过程 水库于1975年11月开始蓄水。1976年春季库水位迅速上升。拟定水库水位上升限 制速率为每天013m。由于降雨,水位上升速率在5月份达到每天112m。至6月5日溃坝时,库水位 已达161610m ,仅低于溢流堰顶019m ,低于坝顶910m。在大坝溃决前2天,即6月3日,在坝下游 400～460m右岸高程153215～153417m处发现有清水自岩石垂直裂隙流出。6月4日,距坝60m高程 158510m处冒清水,至该日晚9时,监测表明渗水并未增大。6月5日晨,该渗水点出现窄长湿沟。 稍后在上午7点,右侧坝趾高程153717m处发现流混水,流量达 0 156～0185 m 3/ s , 在高程 158510m也有混水出露,两股水流有明显加大趋势。上午10点30分,有流量达0142m 3Π s的水流自坝 面流出,这同时听到炸裂声。随即在坝下415m ,在刚发现出水同一高处出现小的渗水。新的渗水迅 速增大,并从与坝轴线大致垂直,直径约118m的“隧洞”坝轴线桩号15 25中流出。上午11点, 在桩号14 00附近水库中出现漩涡。11点30分,靠近坝顶的下游坝出现下陷孔洞。11点55分,坝 顶开始破坏,形成水库泄水沟槽。从发现流混水到坝开始破坏约经5 h。 耐人寻味的是, 12615m高的Teton土坝不在最大坝高的河岸坝段破坏,而在坝高相对较小的河岸 坝段破坏;坝体溃决不发生在坝基为冲积层的河床坝段,而发生在坝基为岩基的岸坡坝段。 413 溃坝原因分析 Teton坝溃决后,美国内务部及Idaho州组成以Chadwick W. L.为主席的Teton坝 溃原因调查的独立专家组Independent Panel to Review Cause of Tedon Dam Failure ,该专家组于1976年 10月提出的Failure of Teton Dam的专门报告。与此同时,又组织了以Eikenberry F. W.为主席的美国 内务部Teton溃坝审查组U. S. Dept. of Interior Teton Dam Failure Review Group ,该审查组于1977年4 月也提出了一个专门报告。以上述两个报告为基础,内务部审查组于1980年1月提出Teton溃坝调查 最终报告。这3份关于Teton溃坝的官方文件随即对外公开,在这3个报告的基础上,有关水工、地 质及高校专家发表了许多文章。在一系列国际会议上将Teton溃坝原因作为讨论主题。1987年Engi2 7 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. neering Geology期刊1～4期合刊本登出了1985年在Purdue大学召开的以在坝失事为主题的国际研讨 会, Teton坝的失事是讨论课题之一。Seed and Duncan , Fucik , Leps. Penman及Sherard等均在会上宣讲 了论文。 图10 槽底填土低应力区 专家们认为,由于岸坡坝段齿槽边坡较陡图9 ,岩 体刚度较大,心墙土体在齿槽内形成支撑拱,拱下土体的 自重应力减小。有限元分析表明,由于拱作用,槽内土体 应力仅为土柱压力的60 。在土拱的下部,贴近槽底有一 层较松的土层图 10 。因此,当库水由岩石裂缝流至齿槽 时,高压水就会对齿槽土体产生劈裂而通向齿槽下游岩石 裂隙,造成土体管涌或直接对槽底松土产生管涌图 11 。 图11 Teton大坝破坏过程示意图 414 小结 1985年在大坝失事国际研讨会上,美国咨询工程师Sherard 1987发表了一段发人深省 的意见“⋯⋯ 任一重要大坝都不应在一个人或一个组的指导下进行设计和建造,而没有其他有否决 权专家的独立审查。如果Teton坝的设计,经过完全独立专家们的审查,这种设计就不会被通过,事 故也就不会发生。 ” 5 结语 本文给出的水利水电工程3次重大事故有着惨痛的经验教训。3次事故发生在20世纪60～70年 代,时值水利水电工程建设的高潮而工程经验相对不足,特别是对岩石的水力特性知之甚少,甚至还 不存在岩石水力学这门学科。对岩体中的渗流问题完全照搬土体渗流学,即孔隙介质渗流学的方法及 经验来解决。Malpasset拱坝失事后,对事故的原因众说纷纭,莫衷一是,因为那时工程界对岩体渗流 规律几乎完全没有认识。正是这次事故使一些有远见的卓识的学者开始关注岩体中水的运动特殊规律 的研究,如前苏联的Pо м м1966、美国的Snow 1968等人率先由岩体裂隙分布导出渗透张量的表 达式。到1974年, Louis第一次以“岩石水力学”为题发表长篇论文。此后,对岩石水力学的研究如 雨后春笋般地发展起来。到1987年, Londe、Wittke及Serafim等人终于从岩石水力学的观点对Malpas2 set拱坝溃决事故做出了更深层次的分析。他们从岩石构造来阐述岩体中水流的特殊规律岩体导水 8 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 特性与岩体应力状态的高度相关性,揭露出Malpasset拱坝在第一次蓄水即溃决的奥秘。 Vajont近坝库岸岩体大滑坡也显示了与土坝滑坡完全不同的规律。土坝滑直常发生在水位降落时 段,设计土坝需对“库水突降”工况进行坝坡稳定校核。当时人们因为仅有土体渗流的概念,不能理 解,为何Vajont岩石坡体每当库水位上升时位移速率随之加大,而库水位降低时,滑移速度减小甚至 停止。现在已经非常清楚,这是因为与土体不同,水流在岩体中实际流速通常比达西流速大若干量 级。在Vajont大滑坡发生以前,没有人估计到滑坡速度如此之大而造成重大灾难。在滑坡发生之后, 对高速滑坡的解释也差强人意。这里仍表现出对岩石水力学知之不多的实际情况。 Teton坝溃决不发生在土基坝段,而发生在岩基坝段。勿需置言,溃坝的原因在于未能把握岩石 水力学的特性。这一灾难发生在1976年,这时岩石水力学已初具雏形,如果设计者有岩石水力学的 意识,本应可以避免溃坝事故。 到20世纪80年代以后,由于岩石水力学的复杂性,或由于岩石水力学的知识远未普及,各种类 型的工程事故仍频频发生。不过与以往不同的是,起因于对岩石水力学欠考虑而发生的重大事故概率 日益减小。这反映出岩石水力学已逐渐成熟,而许多工程技术人员已开始重视对岩石水力学规律的学 习与运用的客观事实。 在进入21世纪的今天,从岩石水力学的观点来重温一下上述3个重大工程事故的教训,应是有 意义的。 参 考 文 献 [ 1 ] Bear J. Modeling flow and contaminnt transport in fractured rocks [ Z].Flow and contaminant transport in fractured rocks , J , Bear , C. F. Tsing , and G. De Marsily eds , 1 - 37 , Academic Press. [ 2 ] Belloni L G, Stefani R. The Vajont slide instrumentation2past experience and the modern approach [J ].Engineering Geology , 1987 , 24 445 - 474. 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