(清华大学-李广信)渗流与岩土工程事故

1、渗流与岩土工程事故李广信清华大学岩土工程研究所前言渗流是岩土工程事故的主要诱因；在水利水电工程与基坑工程中，大多数事故是由渗流引起的；渗流也是引发地质灾害的主要原因。1. 上海地铁四号线越江隧道事故2003年7月1号(一)工程概况浦东南路站南浦大桥站区间隧道工程是上海市重大工程项目地铁四号线工程的一个重要组成部分。浦东南路站到南浦大桥站区间隧道上行线长2001m，下行线长1987m，其中江中段440m。区间隧道顶最大埋深为37.7m，隧道中心线水平距离为10.984m，隧道最大坡度为3.2%。盾构从浦东向浦西推进，在穿越黄浦江后经防汛墙、外马路、文庙泵站、音像制品批发交易市场进入中山南路，在穿

2、越多稼路后隧道上下行线逐渐由水平同向推进转为垂直同向推进直至浦西南浦大桥站。图中用深颜色表示的就是本次事故的发生区域。风井18.25m33.5m13.3m事故的发生点位于隧道的联络通道处(又称旁通道)，联络通道采用冰冻法进行施工（风井采用逆作法施工，已完成） 。风 井垂直通风道旁通道隧道地下连续墙D5.5m积水坑4.2m（二）事故过程2003年3月，中煤上海分公司开始安装冻结设备；4月27日5月11日，陆续供冷；6月24日旁通道开始施工；6月28日8：30，一台制冷机故障，下午4：00修复，发现土体温度3C，停止冻土开掘；6月30日，土体温度7.4 C，水压与第七层承压水压力相同，用干冰制冷；

3、7月1日0时，在冻土中凿出0.2m孔洞，准备安装混凝土输送管，有水流出；越流越大；6时，大量水砂涌入旁通道，发出异响，人员撤出周边建筑物下沉、地面裂缝、沉降，事故蔓延。(三)险情情况 7月1日凌晨，联络通道发生流沙涌水，导致隧道上下行线严重积水，进泥沙。同 6时以风井为中心的地面开始出现裂缝、沉降。 ：00，音像楼发生明显变形，墙面开裂，房屋开始倾斜。 7：30，地面裂缝明显加剧，沉降加快。文庙泵站明显沉降、倾斜，风井也明显沉陷。 9：00音像楼裙房发生二次突沉，并部分坍塌，大楼继续倾斜，墙面开裂加剧。 15：00以风井为中心的地面沉陷加快，并逐步形成沉陷漏斗。坍塌范围扩展到董家渡路、中山南路

4、、外马路、防汛墙。 20:00，防汛墙也开始出现裂缝，沉降进一步发展。 音像市场倾斜加剧，楼板断裂；文庙泵站7月2日-3日，隧道险情在进一步发展和扩大 隧道内继续大量进水，水位上涨速度较快，约每小时涨移15M。管片损坏程度进一步扩展，并有管片连接螺栓绷断，响声传出。 地面沉陷的范围和深度在进一步扩大，以风井为中心的地面从沉陷漏斗发展成塌陷区，最深达4M，临江大厦门口地面塌陷最深处约2M，董家渡路沉陷达1M，中山南路明显下沉，地面开裂发展加快。发生突沉；临江花苑大厦沉降速率加快，沉降量达12.2mm，地下室出现裂缝。 河床严重扰动、下沉、滑移，近30m防汛墙倒塌，近70m防汛墙结构严重破坏，黄浦

5、江水冲向风井，并由风井进入地下隧道，加剧险情发展。临江花苑门口地面塌陷文庙泵站突沉第一、封堵隧道、向隧道内灌水、尽快形成和保持隧道内外水土压力平衡第二、减少地面附加荷载，防止对地面的冲击震动第三、防止黄浦江水和地表水进入事故区段对隧道损坏的加剧第四、稳定土体，减少土体扰动范围，补充地层损失第五、保障抢险安全，为抢险提供有利保障(四)抢险技术措施风井黄 浦 江浦东南路站南浦大桥站隧道进水轨道交通1、2号线轨 道 交 通 四 号 线事故最大损害分析示意图第一、封堵隧道、向隧道内灌水、尽快形成和保持隧道内外水土压力平衡专家组在险情发展过程中，对险情造成的最大损坏作了分析。浦东南路站南浦大桥站（1）

6、设立区间水泥封堵墙7月1日在距两侧车站约几百米处各筑一道水泥封堵墙上行线长2001米黄浦江风井下行线长1987米水泥封堵墙位置示意图水泥封堵墙水泥封堵墙（2）设立车站端头井钢筋砼封堵墙7月3日7月4日在两侧车站端头井处设置第二道钢筋砼封堵墙，并架设支撑和予埋加水管。浦东南路站南浦大桥站上行线长2001米下行线长1987米钢筋砼封堵墙位置示意图黄浦江钢筋砼封堵墙钢筋砼封堵墙水泥封堵墙水泥封堵墙钢筋混凝土封堵墙施工第二.减少地面附加荷载，防止对地面的冲击震动第三、防止黄浦江水和地表水进入事故区段对隧道损 坏的加剧根据各注浆单位设备及人员情况划分注浆区域，统一编号、统一协调，建立注浆管理网络，落实责

7、任单位和责任人。第四、稳定土体，减少土体扰动范围，补充地层损失注浆补充地层损失稳定土体，减少并控制土体扰动范围，有利保护隧道和周边建筑（区域外的构筑物），其主要的措施就是尽快大量地向地下注浆，以补充地层损失及改善隧道结构受力条件。第五、保障抢险安全，为抢险提供有利保障 险情发生后指挥部立即组织上水、电力、煤气、排水、通信、电缆、公安、交警、消防等各单位采取了割接、改迁、封闭、暴露架空、重新敷设、调整系统等措施， 确保抢险正常、快速进行和抢险人员安全，为抢险提供了有利的保障。（五）事故原因（1）冻结法施工方案调整缺陷：降低对冻土平均温度要求：-10 C -8 C制冷量不足：未考虑夏季施工损失；冻

8、结管数量减少（2422），长度缩短25m16m)（2）在冻结条件不太充分情况下进行开挖：要求冻结时间50天，实际43天；6月24日回路温差大于要求事故原因（3）施工单位对于险情征兆没有采取有效措施：压力水流出；土温上升水压力达到承压水压力没有紧急止水措施，没向隧道公司和监理公司汇报；（4）中煤上海分公司严重违章，擅自凿洞；（5）监理公司现场监理人员失职：仅在6月25日、30日下井两次：29、30日日记：“各项工作均正常”（6）隧道公司现场管理人员失职：247月1日，质量员一次也未到工作面，2830日记”一切正常“（六）工程事故调查结论定性：工程责任事故，直接经济损失1.5亿。施工单位（北京中煤

9、矿山工程公司）未经规定程序调整施工方案；险情征兆出现以后未能采取及时有效措施；现场管理人员违章指挥，擅自凿洞直接导致事故发生；总包单位（上海隧道工程股份有限公司）管理失控；监理单位（上海地铁咨询监理科技有限公司）现场监理失职。2.日本川崎县的现场人工降雨滑坡试验1971年11月11日关东壤土(风化花岗岩上火山灰堆积层)=1.45w=5%倾角：30Nc50: 1.23m试验现场纪念碑15人不幸遇难，11人受伤死者当中：实验人员参观者报社记者电视采访人员1人10人1人3人降雨强度：15-200mm/hr降雨范围：44m72m喷头数：5444个喷头高度：地面以上16m扬水泵：160kw 11kg/c

10、m 25.5kl/分(台)蓄水池：25m38m2.4m (2250m3)室内降雨试验3 室内试验1 研究背景及目的2 室外试验介绍3 室内试验介绍4 总结时间：2002年11月29日土质：樱川砂(细砂)=1.46w=8%斜面宽度：3m土层厚度：1.2m降雨强度：100mm/hr10303m室内试验1.破坏前兆現象存在（经历55分钟，移动速度渐渐加速）降雨开始后104分钟：土层开始发生位移降雨开始后159分钟：全面崩塌2.破坏过程短暂：5秒钟完成3.崩塌时滑动速度达到 2 m/s4.斜面上方滑动距离5.05.7m5. 崩塌发生同时，孔隙水压底面水压急剧上升6. 斜面末端的水压力超过 30kPa2

11、004年11月野外试验3.渗流与水利水电工程中的事故3.1 美国弟顿坝的失事 土坝，高90m，长1000m，建于1972-75年，1976年6月失事 直接8000万美元，起诉5500起，2.5亿美元，死14人，受灾2.5万人，60万亩土地，32公里铁路Teton坝（美国）11:3011：00左右11:5011:5712: 001976年6月5日上午10:30失事后的弟顿坝事故分析-水力劈裂Teton坝事故原因分析3.2 青海沟后面板坝1993年8月7日工程介绍 沟后水库设计库容330万方，属于小型水库，但最大坝高71m，属于高坝； 下游13公里就是州府和县城的恰卜恰镇，位置重要。 水库大坝采用

12、的是混凝土面板坝，这种坝型的安全性一般是比较高的； 该坝是国内外同类坝型唯一失事的案例。大坝采用混凝土面板坝，坝料在初步设计时定为开采的爆破石料，开工后施工单位提出改用天然砂砾料。大坝设计填料分为4区，按照一般规律，是将细粒料（渗透系数小）放在上游；粗粒料放在下游。最大坝高71m，坝顶长265m，坝顶高程3281m，上下游坝坡分别为1:1.6和1:1.5，坝顶设有5m高L型的防浪墙。坝基为13m厚的冲积砂砾石覆盖层，只将趾板处的覆盖层挖除，并对该处基岩进行了固结灌浆河帏幕灌浆。大坝剖面与分区事故回放1993年6月27日晚8点多，位于青海省共和县的沟后水库建成了3年，蓄水首次接近满库，比水库允许

13、的最高水位（设计与校核洪水位3278m）只低不到1米。晚上9点钟左右，水库管理人员杭果听到坝上发出闷雷般的巨响，在坝底下看到坝面在喷水，大坝中间的上部石块在水流冲击下翻滚着发出水石相激的声响，石块撞击时有火花闪烁，水雾弥漫，坝顶出现缺口。随后声响越来越大，水流越来越汹涌，库水奔腾而下，事后估算这时最大流量达到了2050m3/s，流出总水量达到261万方。 沟后水库发生了严重的垮坝事故，在下游13公里处的恰卜恰镇的居民还不知情，已经准备安睡。 而水库这里却是报警无着：电话不畅，摩托车无油，领导找不到。据杭果讲，最后他“找了一辆摩托车到镇上向领导报告”去了。 洪水大约用了一个小时，在晚11点50分

14、抵达恰卜恰镇，尚在睡梦中的288人死亡，44人下落不明。防浪墙坝顶L型防浪墙墙顶高程3282m，墙底板的底部高程3277 m，底板上部平台设计高程为3277.35m（坝顶高程3281 m，水库正常高水位3278 m，高出墙底1.0m。328232813278事故原因分析抗滑稳定说；渗透变形说；层面冲刷说。抗滑稳定说分层碾压的砂砾石填料渗透数较低（10-2cm/s量级），严重各向异性，如果水平渗透系数为竖向的4倍，则坝体浸润线抬高26m，计算中抗剪强度指标采用c=20kPa, =39，则坝下游坡的整体圆弧滑裂面的安全系数小于1.0。溃口处观测的坝体浸润线。渗透变形说 砂砾料渗透系数变化大（10-

15、1-10-4cm/s）,施工中容易造成粗细料分离，设计时坝体分区只规定了最大粒径，实际上是细颗粒决定渗透系数，因而不能保证下游渗透系数大于上游； 并且没有设置下游排水体和反滤，使坝体上部砂砾石在渗流作用下发生管涌，随后坝顶逸出水流冲刷坝体，导致局部失稳和滑动，造成溃口。层面冲刷说坝顶不均匀沉降使坝顶防浪墙的底板架空（可以伸进手臂），当库水水平向大量涌入地板下的空隙时，同时携带空气逸出，发出冒气声，很高的逸出流速（1m-2m/s），可将占砂砾料一半的细颗粒冲走，导致防浪墙进一步下沉、倾斜，最后墙体倒塌，使库水直接漫过坝顶，造成溃决。在几个方面驳斥滑坡论：溃口的残坡坡度在50左右，也有水流渗出，要

16、比1:1.5的坝体下游坡条件更加严峻，确一直保持稳定；在溃口两侧的残留坝段，条件与溃口段一样，但是没有滑动的迹象；如果是滑坡破坏，失事过程必然是瞬时发生，不可能持续了一个多小时。专家组对事故技术原因的报告 混凝土面板漏水; 坝体排水不畅，没有设置下游排水，使浸润线抬高，坝料强度与坝体稳定性降低; 在坝上部首先发生滑坡（残留坝体也有移动底痕迹，说明抗滑稳定性不足），形成溃口; 在水流冲刷作用下溃口迅速扩大，最后冲决大坝。面板漏水这包括面板接缝间，面板与防浪墙底板接缝间面板的裂缝和蜂窝等缺陷的渗漏。根据专家对坝体残留段的检查和对11个冲毁的面板残片的检查，面板施工质量差，接缝漏洞多是漏水的主要原因

17、。面板的裂缝和蜂窝等缺陷的渗漏 混凝土有贯穿性的蜂窝铜片止水接触带面板混凝土蜂窝现象面板接缝及其与底板接缝面板分缝间的止水与混凝土结合不好，有的已经脱落（残留坝段接缝初可以伸进手掌，底板下可以伸进手臂）；接缝橡胶止水带缺失橡胶止水带没有嵌入防浪墙底板防浪墙的水平底板在施工后就开裂了，仅采用了抹砂浆表面处理，不能起防渗的作用。防浪墙上游段破碎面板与防浪墙底板接缝间冲毁的混凝土残片上橡胶止水干净、完整、无擦痕止水没有嵌进混凝土，由于底板沉降而脱开管理方面的问题技术管理；运行管理；汛期管理。一些思考沟后水库作为一个对地方的淹没和动迁“补偿”性的工程，兴建在经济、技术和管理都十分落后的少数民族地区，其

18、中在修建根除中不少技术环节明显有问题。引起事故的设计、施工的技术原因在我国水利水电业是完全清楚和可以解决的。落后的管理使根除隐患、化解险情、抢险救灾的最佳时机完全丧失，造成巨大灾害。这是国内外最近大量兴建的面板坝这种新坝型失事的唯一案例，应当吸取教训，总结经验，深化我们的认识。3.3 渗透引发闸、堤坝破坏（1）1998年南海区丹灶镇荷村水闸险情,经济损失23.8亿水闸底管涌淘空南海水闸失事原因（2）1985.9 北江大堤刘寨水闸突然塌陷3.3m水闸底管涌淘空水闸安全（3）1998洪水脱坡16%管涌50%跌窝1%散浸3%崩岸5%其他11%漏洞14%跌窝散浸崩岸其他漏洞脱坡管涌1998年洪水中各种

19、险情6000余处管涌的治理98年江西九江、湖北簰洲湾、湖南安造垸和江西江州圩四处溃决。主要由管涌引起。98洪水九江溃堤：直接经济损失约114.7亿元，受灾人口348.25万人,造成巨大社会损失3.4 广东清远水利枢纽施工事故（1）工程简况珠江的北江上河床式枢纽；库容:3.535亿m3;18孔泄水闸船闸503m溢洪道水电厂房；发电4万千瓦。二期围堰的基坑开挖施工事故广东省清远水利枢纽的船闸全年围堰工程，在2010年汛期出现多处严重漏水、管涌，地基中大量砂土被渗透水流携带涌出，可是该工程在一个多月的渗漏、管涌期间，为了赶工期，一直没有停工和采取有效措施，致使大量泥沙涌进；使已建成的29，30，31

20、号泄水闸底板位移、沉降；部分船闸主导墙底板断裂，造成工程事故和经济损失，致使工期延误。经济损失达亿元。4.渗流与基坑事故4.1广州京光广场基坑广州京光广场倒塌事故分析 基坑长度300m，宽45m，深度15m， 悬臂太长,应加锚或支撑； 工棚附近生活用水渗入。 三死7伤。4.2万亨大厦基坑 北京，二号（环线）线地铁线东直门； 22层框剪结构商业办公楼；5.3万m2 6层框架附属用房及地下车库， 基础埋深17.72m基坑倒塌4.3深圳市南山区南新路原因分析承台紧邻基坑侧壁超挖，基坑整体稳定安全系数虽较低，但不应坍塌；变形导致土体对供水管的约束减弱。供水管为压力管，接口已破损处在水压力作用下裂缝加大，漏水量增加，导致土体松软，土体松软对供水管的约束进一步减弱，裂缝进一步增加，涌水量进一步增加，如此恶性循环，最终导致基坑塌方。塌方全过程中观察到，破坏模式为典型的弧线滑动破坏，滑弧剪出口位于坡脚