沙河集水库溃坝模式及可能性分析

2.8.1 工程概况

沙河集水库位于安徽省滁州市西北约18km长江下游滁河支流清流河的大沙河上,集水面积300km2,总库容1.855×108 m3,是一座以防洪、灌溉为主,结合城市供水、发电、养殖等综合利用的大(2)型水库。水库正常蓄水位40.50m,死水位31.60m,防洪标准按500年一遇洪水设计,设计洪水位42.35m;10000年一遇洪水校核,校核洪水位43.20m。枢纽由拦河大坝、溢洪道、非常溢洪道、南涵、北涵、坝后一级电站等建筑物组成。

2000年5月,沙河集水库枢纽全面除险加固工程开始实施,到2002年12月,加固工程完工,并通过竣工验收。

2.8.1.1 加固前存在的问题

(1)坝基。怀疑0+500施工导流沟及0+450天然铺盖遭到破坏,成为坝基渗流的薄弱环节;截水槽范围0+580～0+670,两端未封闭,存在绕渗隐患;运行中存在较严重的绕右坝头渗漏,阻绕渗灌浆处理效果不佳。

(2)坝体。坝体填筑土料成分混杂、坝体内存在软弱土层和裂缝、填土含水量大、干密度低、渗透性大。

(3)南涵。洞身砌筑质量差、环向裂缝、多处渗漏,虽经多次处理,但问题仍继续发展;无截水环,坝身和涵洞之间存在接触渗漏;闸门后沉降缝止水橡皮撕裂,缝后填土产生渗透破坏。

(4)正常溢洪道。泄洪闸上游圆弧翼墙的墙顶及墙后填土高度不够;闸门漏水严重,启闭设备陈旧;启闭室简易,桥头堡开裂倾斜;下游陡坡裂缝纵横交错;消能不完善;泄洪渠未做防冲工程;右岸防洪堤堤身破坏,多次决口。

(5)非常溢洪道。自溃坝未完建。

2.8.1.2 加固方案

(1)坝基防渗处理。截水槽两端坝基(0+400～0+596及0+660至南涵洞左壁)补充进行了高压喷射灌浆防渗加固处理,伸入基岩0.5m;0+670～0+720段坝基进行了高压喷射灌浆防渗加固处理;右坝头山坡岩体进行了阻绕渗灌浆设计,但目前尚未实施。

(2)坝体加固。0+580～0+180坝段采用双排粘土套井心墙防渗,套井直径1.5m,双排井圆心距1.2m,有效厚度2.10m,底高程30.0m,未设过渡层;坝顶重新做30cm厚灰土路基、15cm厚水泥混凝土路面,向上游倾斜坡度3%,坝顶高程为保坝水位44.5m;上游坡水位变幅区(34.5～37.5m)块石护坡翻修,并增做垫层,其他损坏部位局部翻修,护坡厚度30cm;下游坡抗震平台以上表层2m以内软弱土体挖除,按设计要求重新回填夯实。高程32.4m公路以上采用草皮护坡,以下至抗震平台顶采用预制混凝土块护坡,并设置纵横向排水沟。

(3)南涵。进口段侧墙、顶板、底板用C25喷射混凝土封闭,分缝止水采用橡皮止水。洞身段内壁新浇25cm厚钢筋混凝土,底板和两侧采用现浇混凝土,顶板采用喷射混凝土。原有的环向裂缝和伸缩缝做成永久缝,缝内设紫铜片止水。

(4)正常溢洪道。根据设计改造泄洪闸上游圆弧翼墙、上游铺盖、启闭室、闸后陡坡及反弧段、闸室陡坡排水系统、挑流鼻坎两侧一字墙、通气槽、机电设备;改造一级、二级消能工等。

(5)非常溢洪道。拓宽上游引河段,完建自溃坝,坝顶高程采用千年一遇洪水位42.7m,坝顶宽2m,坝高3.2m,上游坡1∶1.5,下游坡粘性土为1∶1.5、砂性土为1∶2。

2.8.2 溃坝模式和溃坝概率的初筛分析[31]

2.8.2.1 溃坝模式分析

沙河集水库可能溃坝模式如表2.19所示。

表2.19　沙河集水库大坝溃决模式分析表

在非汛期,可能的溃坝模式有以下3种:

(1)坝体、坝基集中渗漏—管涌—人工抢险干预—干预无效—大坝溃决。

(2)坝下埋管(南涵)发生接触冲刷破坏—人工抢险干预—干预无效—大坝溃决。

(3)坝体渗流管涌破坏—坝体失稳—坝顶高程降低—漫顶+管涌—人工抢险干预—干预无效—大坝溃决。

汛期非常运用时,沙河集水库大坝可能的溃决模式有4种:

(1)洪水—坝体、坝基集中渗漏—管涌—人工抢险干预—干预无效—大坝溃决。

(2)洪水—坝下埋管(南涵)发生接触冲刷破坏—人工抢险干预—干预无效—大坝溃决。

(3)洪水—部分或全部闸门故障—逼高上游水位—坝顶高程不足—不能及时加高坝顶—漫顶—冲刷坝体—干预无效—大坝溃决。

(4)洪水—洪水不能安全下泄—回流冲刷下游坝脚—下游坡滑动—大坝溃决。

2.8.2.2 溃坝概率的初筛分析

应用上述初筛办法和附表中提供的赋值依据,对沙河集水库大坝进行了溃坝概率的初筛估算。

加固前,37.00m水位为限制运用水位,出现概率最大,超过37.00m水位概率很小,该水位可以作为非汛期的最重要荷载。汛期考虑设计洪水位(500年一遇)42.35m和校核洪水位(10000年一遇)43.2m。

由于施工中坝基及两岸接触面清基不彻底,坝身填筑土料混杂、碾压不实,多期施工结合面未很好处理,正常与非常溢洪道未按设计完成等原因,水库蓄水后不久即先后暴露坝后渗漏、沼泽化,坝身多次塌陷、开裂,涵洞洞身断裂漏水,正常溢洪道冲刷水毁等险情。可以认为,在非汛期,大坝滑坡、内部和坝基渗流破坏都是可能的。但根据运行的实际情况,最危险的部位是南涵坝段的渗透破坏。

表2.20和表2.21分别为加固前非汛期和汛期由渗透破坏引起的溃决几率估算表,可以看出,加固前由渗透破坏引起的溃坝概率为1.083×10-3。(www.xing528.com)

表2.20　加固前非汛期由渗透破坏引起的溃决概率估算表

表2.21　加固前汛期由渗透破坏引起的溃决概率估算表

加固后正常运用水位提高至40.5m,2003年已经达到历史最高水位40.63m。除右岸绕渗外,坝基渗流破坏问题基本可以排除;南涵虽然已经加固,但涵管外壁和土体之间的接触部位未做处理,下游出口也未做反滤保护,需要高水位考验验证;坝体心墙能否经受较长时间40.5m以上高水位的考验,也有待验证。从短期看,整个系统的情况,除右岸下游坡有局部约30m2坝坡失稳外,其余未见异常。

表2.22和表2.23分别为加固后非汛期和汛期由渗透破坏引起的溃决概率估算表,可以看出,加固后由渗透破坏引起的溃决概率为4.2×10-5。

表2.22　加固后非汛期由渗透破坏引起的溃决概率估算表

表2.23　加固后汛期由渗透破坏引起的溃决概率估算表

附表1　闸门失效概率估计表

注 单门发生故障的概率为P f,n扇闸门同时发生故障的概率为(P f)n。

附表2　坝顶高程不足概率估计表

注 坝顶高程是否满足要求,涉及洪水标准的选取、复核;施工预留超高、坝顶超高、坝体填筑质量、运用中曾出现过的顶部沉降和现状坝顶最低处高程、防渗体和坝顶防浪墙的结合方式、坝顶是否会发生塌陷、是否存在滑动、地震液化问题等,但结合某一座水库大坝,考虑因素可能减少一些。

附表3　洪水漫顶概率估计表

注 漫顶可能性和该坝水文资料是否清楚、坝顶高程是否满足规范要求、是否遭遇超标准洪水、上游是否有串联水库垮坝、是否有可靠的应急预案、是否备有充足的抢险材料、水位上涨时是否有可能抢险、是否有可靠的洪水调度计划、闸门开启是否可靠,下泄流量是否满足设计要求、管理制度是否严格、是否发生过调度失误的事故、是否有超蓄及私自抬高溢洪道底坎高程等因素有关。

附表4　洪水不能安全下泄概率估计表

注 洪水不能安全下泄,与很多因素有关。例如,溢洪道在下泄设计流量时结构安全不能满足;溢洪道未完建;溢洪道在以往泄洪中曾多次出现冲毁事故,如底板、消能工等;洪水下泄时,可能引起下游难以容忍的人员损失和经济损失,不允许设计或校核洪水下泄;设计洪水下泄时,可能冲毁溢洪道及其基础,使库水无控制下泄,类似于溃坝;设计洪水回流冲刷大坝下游坡,可能导致下游坡滑动失稳;溢洪道泄量不足,难以下泄设计流量,或下泄设计流量时洪水将翻越挡墙,冲刷坝体;溢洪道侧山体滑坡,部分或全部堵塞溢洪道。

附表5　大坝滑动概率估计表

附表6　大坝渗透破坏概率估计表

附表7　坝下埋管渗透破坏概率估计表

附表8　大坝裂缝概率估计表

附表9　人工干预抢险失败概率估计表

附表10　抗震不安全概率估计表