1 工程概況

　　八一水庫位于新疆昌吉州米泉縣境內(nèi)，始建于1952年。水庫總庫容3500萬m3，大壩為均質土壩，上游壩坡1∶2.5，下游壩坡1∶2，土料為粉質黏土。壩頂高程466.85m，正常蓄水位464.22m，壩長10105m，是一座以灌溉為主，兼有防洪、養(yǎng)殖等綜合效益的中型水庫。

　　大壩經(jīng)安全鑒定，防洪標準不夠，決定加高大壩0.40m，新建泄洪涵洞一座，設計流量為15m3/s，建在老壩段樁號4+050處。新建泄洪涵洞時先拆除老壩，開挖尺寸底部寬9.00m，邊坡1∶1，洞底位于基槽的中心線上。地基是老壩壩基，為粉質黏土，基面高程459.50m。泄洪涵洞為長方形，洞內(nèi)尺寸2.00m×2.50m，洞身長15.00m，分為兩個工作段，每段長7.50m，并在中間各設截滲環(huán)一道，截滲環(huán)的外徑較大，插入新填壩體1.50m。洞口設一道擋土墻，兼截滲環(huán)的作用。泄洪涵洞外形結構尺寸及老壩開挖剖面如圖1所示。

　　水庫加固工程于2003年9月15日開始施工，泄洪涵洞基礎土方開挖于9月20日完成，隨后進行洞身澆筑。11月11日開始回填涵洞兩側土體，填土為粉質黏土，11月15日回填到463.40m高程，稍高于洞室頂高程463.23m，5d內(nèi)回填3.90m，控制干密度為1.68g/cm3，11月16～17日兩天填完剩余壩體，達臨時要求高程466.00m,回填厚度2.60m。該部分施工質量未加嚴格控制，鋪土層較厚，含水量偏高，碾壓6遍已出現(xiàn)彈簧土，填筑質量較差。7d內(nèi)完成了整個壩的回填任務，日平均填土高度0.93m，隨后大壩立即投入蓄水運行。

　　12月8日庫水位由459.50m猛漲至462.50m，以后緩慢上升，12月29日庫水位達463.40m，為上部填筑質 量偏低的部位。2004年1月21日，庫水位上升到464.04m，僅低于正常蓄水位450px，低于臨時壩頂1.96m,蓄水2300萬m3。

2　潰壩過程

　　1月21日13時30分，水庫管理單位值班人員巡視大壩時發(fā)現(xiàn)泄洪涵洞出口左側壩坡距擋土墻邊緣1m處有一漏水洞，洞高約1m，寬0.5m，洞底約和泄洪洞中心高程461.58m齊平，漏水量約50L/s，到17時增大至1m3/s。當時搶險采取的主要措施是設法封堵漏水通道進水口，在出口未采取任何措施。由于庫內(nèi)冰凍層厚達1500px，未能及時鑿開冰面找到進口，搶險措施無法實現(xiàn)。20時漏水量增大到30m3/s，壩體出現(xiàn)大的塌洞。當漏水流量為100m3/s時，由于壩頂凍土層的作用，壩頂仍未塌落，但出現(xiàn)一拱橋，拱頂厚度1.5m，實際為壩頂凍土層的厚度，拱跨15m。22日11時拱頂塌落，大壩出現(xiàn)了30多米長的潰口，流量為240m3/s。24日7時水庫基本排空，潰壩后實測潰口上游最大寬度45m，至下游壩坡坡腳處收縮為35m，除新填壩段全部沖毀外，左岸還沖走了部分老壩壩體。由于泄洪涵洞的防沖作用，使最大沖刷斷面位于泄洪涵洞軸線偏左5m，泄洪涵洞洞身向左側倒塌，河床最大沖刷深度2.5m，高程457.00m。

3　潰壩原因分析

　　客觀事實表明，潰壩系新填壩體過早出現(xiàn)滲流所致，潰壩原因分析也就是新填壩體滲流和滲透破壞原因分析。

3.1　與潰壩原因分析有關的一些要素

3.1.1　壩體開始發(fā)現(xiàn)滲透破壞時的上游水位及出口高程　如上所述，壩體滲透破壞是在庫水位剛剛上升到464.04m時發(fā)現(xiàn)的，因此出險時的水庫水位應是464.04m。下游壩坡出水點的位置是根據(jù)第一位目擊者的描述，水利部專家工作組與當?shù)赜嘘P人員共同確定的，作者參加了這次討論。目擊者先看到壩坡有滲流逸出，隨即從泄洪洞出口擋土墻的下游面走到有滲水處進行了仔細觀察。滲水出自壩體一洞穴，洞高約1m，寬約0.5m，距泄洪涵洞出口擋土墻邊緣左側約1m，洞底高程約與洞中心線齊平，高程461.58m。由于目擊者進入現(xiàn)場時下游壩坡漏水洞已發(fā)展到高約1.0m，可肯定下游壩坡開始有滲流逸出時的高程要高于461.58m，取其漏水洞的中心高程為水流開始逸出點，則壩體開始滲透破壞時的下游壩坡逸出點高程在462.00m附近。滲透破壞開始時的位置如圖1所示。根據(jù)上述分析可知，大壩滲透破壞開始時實際作用的水頭為2.04m。

3.1.2　導致滲透破壞的水力比降　假定滲流通道在壩體內(nèi)基本呈直線型，在高程462.00～464.04m之間，相應的大壩橫斷面上下游的長度為22.00m，即滲透破壞時的滲徑長度為22.00m，因作用水頭為2.04m，則平均破壞水力比降J破壞為0.093。

3.1.3　大壩土料的允許水力比降　潰壩后作者在現(xiàn)場調查時共取4個土樣，進行了液、塑限含水量及顆粒分析試驗，試驗結果列于表1，其中01土樣取自潰口左側老壩段，02土樣取自泄洪洞頂以上壩體回填土，03土樣取自潰口段老壩加高時壩后坡的培厚土，04土樣為新建泄洪涵洞底部的地基土。從表1可知，新建泄洪涵洞周圍壩體填土為低液限黏土，在無裂縫的情況下，黏土的抗?jié)B比降也稱抗?jié)B強度Jn可由下式確定

式中：Gs為土粒比重；n為土的孔隙率；α為壩坡與水平面的夾角；C為黏土的內(nèi)聚力；γw為水的容重；Do為土表面與大氣相接觸面的直徑。

　　從安全出發(fā)不考慮黏土的內(nèi)聚力，并考慮壩體填土上部質量較差，取土的干密度ρd為1.50g/cm3，則,，下游壩坡為1∶2，α=26°24＇，cosα=0.896，按式(1)計算，則：Jn=1.04。若取安全系數(shù)為2，新填壩體的允許水力比降為：J允許=0.52。

表1　新填壩體土料的物理性質

3.2　壩體產(chǎn)生滲透破壞的原因分析

3.2.1　為非正常條件下的滲透破壞　上述分析表明，壩體填土的允許水力比降為0.52，對表1中的黏土而言，0.52值已經(jīng)小于工程經(jīng)驗數(shù)據(jù)[1]，更小于常見的室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)[2]，但實際出現(xiàn)的水力比降為0.093，比壩身土料的允許水力比降還小，在正常條件下絕不應產(chǎn)生滲透破壞，唯一原因是壩頂產(chǎn)生了橫向貫通性的裂縫，致使壩體抗?jié)B強度降低，造成滲透破壞。

3.2.2　壩體上部填土質量低不是直接原因　開始分析滲透破壞的原因時，認為壩體上部463.40m高程以上填土質量低是滲透破壞的直接原因，經(jīng)仔細分析，認為并非如此，主要理由如下。

　　(1)從滲流由壩坡逸出的時間來分析，因庫水位由463.40m上升到464.04m歷時僅23d，如果壩頂無裂縫，滲流不可能很快由壩頂逸出。眾所周知，滲流破壞開始于滲流出口，這表明壩體滲透破壞前滲流一定要先從下游壩坡463.40m高程處逸出，才會造成壩體滲透破壞。滲流從463.40m高程逸出的時間t可由下式估算[3]:

式中：L為463.40m高程處大壩橫截面長度，為22.00m；ne為填土的有效孔隙率，對黏土取ne=0.05；k為填土的滲透系數(shù)，考慮填筑質量差，僅取k=1×10-4cm/s=0.0864m/d；h為作用水頭，h=464.04-463.40=0.64m。

　　由于庫水位并非長期穩(wěn)定在464.04m，是從463.40m在23d的上升過程中逐漸達到的，故應取其一半值，為0.32m。計算結果，滲流要從463.40m高程逸出，需時219d，若安全系數(shù)取4，也需55d。以上計算是在假定壩體已經(jīng)飽和，滲流符合達西定律。若是非飽和土體，滲流邊充填土體孔隙，邊向前推移，要從下游壩坡出逸，需時更長。雖然填土的施工質量較低，但仍然是在高含水量的情況下填筑的，不可能有干松土層，滲透系數(shù)不會大于上述假定值，在23d內(nèi)滲流不會逸出下游壩坡，因而壩體不可能滲透破壞。

　　(2)滲流從下游壩坡開始逸出的高程為462.00m，低于松填土層最低高程463.40m，實際是在填筑質量較好的土層中，表明不是由于松填土層直接造成的。

　　(3)滲流出口破壞形狀是垂直向的長條形，不是呈水平向的長條形，如果是沿施工時的薄弱層面破壞，出口破壞形狀至少是橢圓形，在破壞初期也可能是沿水平層面的長條形，只有垂直裂縫沖刷，在初期階段才可能是豎直向的長條形。

3.2.3　壩頂產(chǎn)生了橫向裂縫　從新填壩段的施工速度、地形及泄洪涵洞外壁的結構形式等方面分析，新填壩段(老壩開挖邊坡的坡腳上部)竣工后會產(chǎn)生橫向裂縫，原因如下。

　　(1)壩體施工速度過快，竣工后沉降量大。新填段6.5m高的壩體是在7d內(nèi)完成的，平均日填筑高度0.93m。這樣快的施工速度，填土的主要沉降不可能在施工期完成，一定會延續(xù)到竣工后，結果必然加大竣工后的沉降量。一般工程經(jīng)驗表明，黏土的壓實功能以普氏壓實功能為標準，壓實后施工期的沉降量可達壩高的3%[4]。不考慮施工質量較低的因素，按一般情況3%計算，在壩體竣工后的短期內(nèi)，靠老壩開挖邊坡的坡腳處(如圖1中的A＇位置)，新填壩體施工期的沉降量可達0.195m。由于施工速度過快，假定施工期的實際沉降量只完成正常施工速度下的一半，仍有0.098m的沉降量需在竣工后的短期內(nèi)完成。

　　(2)壩體產(chǎn)生不均勻沉降，而且沉降差較大。如圖1所示，A＇點以右是老壩壩體，沉降早已穩(wěn)定，所以竣工后新填壩體壩頂A＇點到B點的沉降量由0.098m遞減到0，差值為0.098m。圖1中的C點下部是泄洪涵洞，洞頂填土只有2.60m，僅占壩高6.50m的40%，竣工后最大沉降只有0.039m，與A＇點的沉降相比較，二者之間壩頂?shù)某两挡钸_0.059m。

　　(3)以上分析結果表明，A-A＇剖面附近壩頂會產(chǎn)生橫向裂縫。按傾度法[5]

式中：γ為傾度；SA、SB分別為壩頂A＇、B兩點的總沉降量；ΔL為A＇、B兩點的水平距離。

　　若γ≥1%，則壩體會產(chǎn)生裂縫[5]。分析圖1中A＇、B兩點之間的傾度，壩高為6.50m，開挖邊坡為1∶1，因而LA'-LB=6.50m，則傾度γAC=1.5%>1%。同樣，分析A＇、C兩點向的傾度，水平距離只有3.10m，γA'C=1.9%>1%，均表明在A-A＇斷面附近會產(chǎn)生橫向裂縫。

　　(4)從泄洪涵洞外壁的結構特點分析，同樣表明，新填壩體將會產(chǎn)生較大的不均勻沉降差。泄洪涵洞外壁截滲環(huán)外徑過大過密，結構過于復雜，不利于新填壩體的均勻沉降。由圖2可見，從泄洪涵洞閘門后的第一道結構連接環(huán)到出口擋土墻之間只有15m，中間除設一道結構連接環(huán)外還設了兩道截滲環(huán)，截滲環(huán)與結構連接環(huán)之間的距離僅2.80m，最末一道截滲環(huán)與出口擋土墻之間的距離也只有2.60m，而且截滲環(huán)插入壩體1.50m，距老壩開挖邊坡坡腳只有1.60m。特別是泄洪涵洞出口的擋土墻外緣距老壩開挖邊坡坡腳只有1.1m。在底寬只有9.0m的施工場地，老壩開挖邊坡較陡，建筑物外形結構又如此復雜，新填壩體的沉降量沿壩軸線方向肯定是不均勻的，而且向左右兩岸遞減，所以，在A-A＇斷面附近，壩頂產(chǎn)生橫向裂縫是難免的。

3.2.4　橫向裂縫是壩體滲透破壞的根本原因　從黏土的防滲及抗?jié)B透破壞的能力來分析，壩體的滲透破壞是壩體橫向裂縫所造成。

　　(1)壩體若無裂縫，即使填土的質量較低，滲透系數(shù)高達10-4cm/s，庫水位剛剛上升到464.04m，滲流絕不會很快從下游壩坡462.00m高程逸出。只有存在橫向裂縫的情況下，才會有滲流逸出的可能性。理論和實踐共同表明，滲流破壞開始于滲流出口，若無滲流從壩坡逸出，壩體不會滲透破壞。

　　(2)新填壩體土料是黏土，即使填土施工質量較差，若無裂縫存在，至少也有0.52的允許抗?jié)B強度，絕不會在0.093的水力比降下滲透破壞。黏土具有較高的抗?jié)B強度，因而過去在選擇大壩防滲土料時為優(yōu)先選擇對象，但黏土一旦產(chǎn)生裂縫，抗沖刷能力甚至不如砂性土。因而，從20世紀70年代開始，將防止防滲體產(chǎn)生裂縫和產(chǎn)生裂縫后防止?jié)B流沖刷置于重要地位[6]。

　　八一水庫滲透破壞開始時的水力比降遠小于黏土的允許水力比降，只有裂縫滲流才會導致滲透破壞。

　　(3)由圖1可見，滲流出口的位置正好位于沉降量最大的A-A＇斷面，亦即最易產(chǎn)生橫向裂縫的位置。就開始發(fā)現(xiàn)的滲流破壞的洞口形狀而言，為0.5m×1.0m的豎向長條形，也表明是沿橫向裂縫的沖刷。就出口的高程而言，恰好位于壩頂橫向裂縫的末端。一般情況下，壩頂橫向裂縫的深度3～6m，由于側向壓力的作用，裂縫不可能發(fā)展太深，壩高則裂縫深，壩矮則裂縫淺[7]。八一水庫潰壩段壩高只有6.5m，若產(chǎn)生橫向裂縫，深度也只會在3m左右。出險情況調查結果表明，下游壩坡滲流開始逸出高度約低于壩頂4m，表明壩體滲流是從裂縫端部開始并沖刷壩體。

　　(4)壩工專家J.L.Sheard[8]總結了多座均質土壩滲透破壞實例，最后得出結論，滲透破壞主要是裂縫所造成。

3.2.5　上游壩面新鋪土工膜未起防滲作用　大壩加固時在上游面新設了一道土工膜，按理可以防止大壩的裂縫沖刷，實際情況是土工膜未起到防滲作用。主要原因是設計不合理，防滲土工膜下多設了一層厚1000px的砂礫石墊層。土工膜一旦有漏水的地方，砂礫石就會全飽和，與庫水直接相連通，使土工膜全線失去防滲作用。八一水庫大壩上游面土工膜與泄洪涵洞外壁的連接未黏結或牢固固定，而是采用簡單的搭接的方法，加之施工期短，又是作為臨時擋水之用，因而很難保證土工膜與泄洪涵洞洞壁的緊密連接。土工膜的局部漏水不會影響其整體防滲性能，壩體出現(xiàn)裂縫，仍可以起到防止裂縫沖刷的作用，但因膜后增設了砂礫石墊層，使土工膜鋪設時可能出現(xiàn)的弱點在運行中暴露無遺，全部失去防滲作用，不能協(xié)助防止壩體裂縫沖刷。

4　經(jīng)驗及教訓

　　通過對八一水庫潰壩原因的分析，得出以下經(jīng)驗與教訓。

　　(1)小型均質土壩壩身具有很好的防滲性能，不需在上游另設土工膜防滲，增設土工膜防滲往往是多余的，更不應在土工膜下另設砂礫石墊層，以免全部失效，應使土工膜與壩體直接相鄰接。

　　(2)泄洪涵洞洞身下游段不應設置截滲環(huán)，以免施工場地狹窄，不易保證洞身外壁與大壩間的填土質量，更不允許截滲環(huán)插入壩體過長，以防洞身外的填土產(chǎn)生過大的不均勻沉降。成功的經(jīng)驗是在壩軸線以下沿截滲環(huán)外壁鋪設后濾層，直通下游，以防沿壁接觸滲流沖刷[7]，同時可防止沿壁滲流遇到泄洪洞身的薄弱之處時流進洞內(nèi)，造成洞身混凝土的侵蝕。

　　(3)在老壩上新建泄洪涵洞時，設計開挖斷面要有足夠的尺寸，以保證新填壩體具有一定的施工場面，確保壩體填筑質量，并避免新填壩體填土與老壩之間產(chǎn)生過大的不均勻沉降差而產(chǎn)生橫向裂縫。

　　(4)大壩填筑速度過快，竣工后的短期內(nèi)壩體將產(chǎn)生較大的沉降，新老壩體之間容易產(chǎn)生開裂。蓄水運行初期應密切觀察壩頂裂縫，以防高水位時裂縫滲流沖刷。

　　(5)新建大壩在第一次高水位運行時最容易出現(xiàn)滲透破壞，應加強壩面巡視，特別是要觀察下游壩坡有無滲流逸出，滲流逸出處有無反濾保護，若無反濾保護，應作搶險準備。壩面巡視次數(shù)，最好上、下午各一次，以便盡早發(fā)現(xiàn)滲流逸出現(xiàn)象。

　　⑥大壩出現(xiàn)滲透破壞險情時，應首先在下游出險處快速鋪砂礫石料，既不阻止?jié)B流的逸出，又可防止壩體土粒的流失。若土粒不斷流失，表明砂礫石料過粗，應及時更換砂礫石料。若漏水量大于50L/s以上，應在上游尋找滲流進口，同時拋填砂礫石料，使砂礫石料進入滲流通道，防止?jié)B流通道的繼續(xù)沖刷。