巴基斯坦某水电站泄洪闸事故原因分析

许仙娥 谢东明

地基土体渗透破坏是坝（闸）溃决和失事的一个常见原因，我国新疆八一水库、甘肃小海子水库等工程，由于坝基土层发生渗透破坏，最终造成了垮坝事故[1-3]。巴基斯坦某水电站位于旁遮省的一条灌溉水渠上，是一座低水头径流式水电站，电站总装机容量4.04 MW。泄洪闸于2017年2月1日进行过水试运行，16 d之后，于2017年2月17日发生垮塌。从事故发生的过程判断，闸基发生了渗透破坏。本文通过对建筑物地质条件、设计及施工等方面的资料分析，探讨分析造成闸基发生渗透破坏的原因。

1 建筑物基本情况

工程主要建筑物包括电站厂房和泄洪闸。灌溉水渠宽112 m，在场址区呈弧形弯曲，右岸为凹岸，建筑物布置在近弧顶位置。其中电站厂房布置在渠道右侧，厂房轴线长49 m，顺水流方向宽45 m，主厂房建基高程192.3 m，安装2台涡轮式发电机。厂房左侧布置泄洪闸，上面建有连接左岸与厂房的交通桥。泄洪闸总宽度63 m，共设7孔闸门，单孔净宽7.1 m，闸墩宽2 m。顺水流方向，闸底板长18.6 m。闸室上游设置混凝土铺盖，长21 m，下游消力池长度14 m。纵向永久缝分别布置在2#、4#和6#闸门中线上，混凝土铺盖与闸底板之间以及闸底板与消力池之间的永久缝布设PVC止水。闸底板的上游端和下游端以及消力池的末端分别布设钢板桩截渗，钢板桩长2.6 m。

溢流堰顶高程204.8 m，设计流量230.6 m3/s，上游最高设计水位206.8 m，下游最低尾水位200.4 m。

2 闸基地质条件

2.1 闸基地层结构

工程位于冲积平原区，地形平坦，地面高程204.8～205.6 m。场区均为第四系冲积地层，自上而下分别分为：①粉质黏土，可塑-硬塑状，层厚度约2 m，层底高程203.2～203.6 m；②粉土质细砂，土层不均匀，局部夹有中细砂层或黏质粉土透镜体，一般中密-密实，局部较松散，该层厚度约16 m，层底高程186.2～186.6 m；③粉质黏土，硬塑-坚硬状，该层厚度2～4 m，层底高程184.4 m。④粉土质砂，密实，未揭穿。泄洪闸建基面高程为198～203 m，位于②层粉土质细砂顶部。

2.2 闸基土层物理力学性质

2.2.1 颗分试验成果

闸基持力层为②层粉土质细砂，其颗分试验成果见表1。

表1 闸基土层颗分试验成果统计表（ASTM D422）

由颗分试验成果可知，闸基土颗粒以细砂为主，其次为中砂和粗砂颗粒，含有少量粉粒，基本不含有黏粒，属级配不良土。

2.2.2 标准贯入试验成果

根据标准贯入试验成果，该粉土质砂层在高程193.0 m以上标贯击数为13～23击，呈稍密-中密状态，其中高程193.0～199.6 m之间部分土层标贯击数为5～9击，呈松散状态；高程193.0 m以下土层标贯击数为14～43击，基本呈中密-密实状态。

2.2.3 土工试验成果

闸基土层物理力学试验成果见表2。

表2 闸基土层物理力学试验成果统计表

试验成果显示，闸基粉土质细砂层属中等压缩性土。

2.3 闸基土层渗透性

钻孔定水头注水试验成果显示，闸基粉土质细砂层的渗透系数一般在4.63×10-5～9.08×10-6cm/s之间，平均为1.22×10-5cm/s，属弱透水性。

在电站厂房部位进行了群孔抽水试验，抽水孔和观测孔均采用清水钻进，试验成果显示，粉土质细砂层的渗透系数为3.3×10-2cm/s，属强透水性。

对比注水试验和抽水试验成果，显示两者差异很大。原因是注水试验钻孔在钻进过程中，为维持孔壁稳定，采用了膨润土泥浆作为循环液，影响了注水试验的结果，钻孔注水试验测得土层渗透系数明显偏小，不能真实反映土层的渗透性。

3 泄洪闸失事过程

2017年2月1日泄洪闸首次开启2#、3#、4#和5#闸门，过流94 m3/s，约为设计流量230.64 m3/s的40%。2月16日发现泄洪闸右侧下游挡墙发生变形下沉，上游灌渠取水口挡墙出现变形破坏。至2月17日，对应6#和7#闸门的上游铺盖前端出现漩涡，如图1所示。随着上游漩涡扩展，下游水流逐渐变浑浊，上游铺盖混凝土断裂下沉，约10 min后闸墩下沉，交通桥发生垮塌，如图2所示。从开始试运行到垮塌，泄洪闸仅仅运行16 d。

图1 泄洪闸上游铺盖前端出现漩涡

图2 泄洪闸交通桥垮塌

4 事故原因分析

泄洪闸垮塌前，上游铺盖前端出现漩涡，说明闸基下形成了渗漏管道，闸基土层发生了严重的渗透破坏。

根据设计资料，溢流堰上游水位为206.1 m，下游水位为202.2 m，上、下游水位差为3.9 m。自上游混凝土铺盖起点至下游消力池末端水平长度为53.7 m，闸基下布置有3道长度为2.6 m的钢板防渗墙。渗流计算成果显示，正常工况下消力池末端的渗透比降约为0.107。闸基土层为粉土质细砂，不均匀系数为2.7，判断该土层的渗透破坏类型为流土[5-6]，根据工程经验，该类土允许渗透比降一般在0.20～0.35之间[7-9]。

根据以上分析，计算的消力池出口渗透比降小于闸基土层的允许渗透比降，正常情况下，闸基土层不至于发生渗透破坏。该分析结论与泄洪闸发生事故的事实不符。针对事故原因，从以下几个方面进行分析探讨。

4.1 闸基土层实际渗透比降

土层的渗透比降取决于上、下游水头差和渗径，在水头差一定时，渗径越短，渗透比降越大。水闸失事后的调查发现，在7#闸门上游铺盖前端以及右侧下游导墙末端部位均发现有冲坑，其中下游导墙末端冲坑深度达2 m以上。铺盖上游的冲坑可能是由于基础埋深不够造成的，而下游导墙末端冲坑形成的原因是右岸为渠道弧形弯曲段的凹岸，通过泄洪闸的水流在扩散时冲向凹岸，水流到达厂房左侧挡墙末端时，部分水流绕过挡墙向上游进入电站尾水渠，水流对挡墙尾端地基进行淘刷，形成冲坑，并逐渐向上游和左侧扩展。上、下游冲坑的形成缩短了闸基地下水渗径，增大了实际的渗透比降。渗流计算成果显示，在上、下游存在冲坑的条件下，下游冲坑处的渗透比降达到0.208。

为了防止闸基渗透破坏，设计在闸底板前端、后端和消力池末端设置了3道深度为2.6 m钢板防渗墙。但不知是出于何种考虑，防渗墙沿泄洪闸轴线方向并未封闭，在7#闸门及右侧导墙地基未采取防渗措施，存在“防渗缺口”，不仅导致地下水渗径缩短，渗透比降增大，还可能造成闸底板与闸基土之间发生接触冲刷。

此外，闸底板与铺盖和消力池之间的永久缝采用PVC止水，如果闸基产生较大不均匀沉降，有可能使止水效果不好或完全失效。此种情况下，将会缩短地下水渗径，大幅增大闸基土渗透比降。

4.2 闸基土层允许渗透比降

土的渗透破坏类型和允许渗透比降与土的颗粒级配和密实程度有关[10]。闸基土为粉土质细砂层，但该土层土质不均一，局部夹有中砂层或黏质粉土透镜体。密实程度一般中密-密实，但局部较松散，标准贯入试验锤击数最小仅为5击。根据施工资料，厂房基坑开挖过程中，在基坑左侧7#闸门部位布置了1排抽水孔，降低地下水位近12 m。由于地层主要由粒径小于0.425 mm的颗粒组成，具中等-强透水性，若抽水井反滤层设置不当，大泵量抽水极有可能带走土层中的细小颗粒，造成地基土层结构发生破坏。此外，厂房左边墙外侧回填土为砂性土，未进行压实处理，降低了土体的抗渗性和抗变形能力。根据以上资料分析，7#闸门与右侧导墙地基土体不均一，存在抗渗性差的松散砂土层，其允许渗透比降可能低于建议值。

4.3 闸基土层的渗透系数

在进行防渗计算设计时，依据钻孔注水试验成果，采用的土层渗透系数为1.22×10-5cm/s。前已述及，由于钻孔施钻过程中采用了膨润土泥浆护壁，注水试验成果未能真实反映闸基土层的渗透性。此后进行的群孔抽水试验证明了这一点，土层渗透系数达到3.3×10-2cm/s。由于渗流计算时采用的渗透系数与土层实际的渗透系数差别太大，可能造成计算结果出现较大的偏差。

5 结语

根据泄洪闸垮塌的过程判断，闸基土层的渗透破坏是发生事故的直接原因。引起闸基渗透破坏的原因可能包括水流冲刷造成地基出现冲坑、防渗措施不封闭、闸底板永久缝止水失效、闸基下存在松散地层及未经压实的回填土等。