借邻近勘察资料设计导致地基破坏1(加拿大特朗斯康谷仓)

Transcona Grain Elevator Accident

加拿大特朗斯康谷仓，由于事先未进行地质勘察，仅根据邻近结构物基槽开挖试验结果进行设计，最终导致地基强度破坏发生整体滑动，是建筑物失稳的典型例子。

概况

加拿大特朗斯康谷仓平面呈矩形，长59.44 m,宽23.47 m。高31.0m。容积36368 m³。谷仓为圆筒仓，每排13个圆筒仓，共5排65个圆筒仓组成。谷仓的基础为钢筋混凝土筏基，厚61cm，基础埋深3.66m。

谷仓于1911年开始施工，1913年秋完工。谷仓自重20000t，相当于装满谷物后满载总重量的42 5% 。1913年9月起往谷仓装谷物，仔细地装载，使谷物均匀分布、10月当谷仓装了31822m³谷物时，发现1小时内垂直沉降达30.5cm。结构物向西倾斜，并在24小时间谷仓倾倒，倾斜度离垂线达26^o53ˊ。谷仓西端下沉7.32m，东端上抬1.52m。

1913年10月18日谷仓倾倒后，上部钢筋混凝土筒仓艰如盘石，仅有极少的表面裂缝。（注：与上海“楼脆脆”类似，详http://yxcivil.5d6d.com/thread-652-1-1.html）

事故原因

1913年春事故发生的预兆：当冬季大雪融化，附近由石碴组成高为9 14m的铁路路堤面的粘土下沉1m左右迫使路堤两边的地面成波浪形。处理这事故，通过打几百根长为18.3m的木桩，穿过石碴，形成一个台面，用以铺设铁轨。谷仓的地基土事先未进行调查研究。根据邻近结构物基槽开挖试验结果，计算承载力为352kPa，应用到这个仓库。谷仓的场地位于冰川湖的盆地中，地基中存在冰河沉积的粘土层，厚12.2m.粘土层上面是更近代沉积层,厚3.0m。粘土层下面为固结良好的冰川下冰碛层,厚3.0 m.。这层土支承了这地区很多更重的结构物。

1952年从不扰动的粘土试样测得：粘土层的平均含水量随深度而增加从40％到约60％；无侧限抗压强度q_u从118.4kPa减少至70.0kPa平均为100.0kPa；平均液限w_l=105%，塑限w_p=35％，塑性指数I_p=70。试验表明这层粘土是高胶体高塑性的。

按大沙基公式计算承载力，如采用粘土层无侧限抗压强度试验平均值100kPa，则为276.6kPa，已小于破坏发生时的压力329.4 kPa值。如用q_umin=70 kPa计算，则为 193.8kPa，远小于谷仓地基破坏时的实际压力。

地基上加荷的速率对发生事故起一定作用，因为当荷载突然施加的地基承载力要比加荷固结逐渐进行的地基承载力为小。这个因素对粘性士尤为重要，因为粘性土需要很年时间才能完全固结。根据资料计算，抗剪强度发展所需时间约为1年，而谷物荷载施加仅45天，几乎相当于突然加荷。

综上所述，加拿大特朗斯康谷仓发生地基滑动强度破坏的主要原因：

1）对谷仓地基土层事先未作勘察、试验与研究，根据邻近结构物基槽开挖试验结果进行设计施工。

2）采用的设计荷载超过地基土的抗剪强度。

3）加载速度过快，实际抗剪强度为不排水不固结强度。

处理方法

为修复筒仓，在基础下设置了70多个支承于深16m基岩上的混凝土墩，使用了388只 的千斤顶，逐渐将倾斜的筒仓纠正。补救工作是在倾斜谷仓底部水平巷道中进行，新的基础在地表下深10.36m。经过纠倾处理后,谷仓于1916年起恢复使用。修复后位置比原来降低了4m。

教训

1）工程地质条件差异性大，不能仅借邻近勘察资料进行设计施工；

2）未经勘察，盲目进行设计施工，最终会导致事故的发生。

美国Teton坝溃决

工程概况

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126.5m(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1:2.5，下部为1:3.5。坝下游坡：上部为：1:2.0，下部为1:3.0。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1 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1。肥心墙材料为含黏土及砾石的粉沙，上游坡为1:1.5，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33.5m齿槽切断冲积层，槽体用粉砂土回填。基底高程1554.5m以上的两岸坡齿槽坡比为1:0.5(图1)，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91.44m。坝主剖面为单排孔灌浆帷幕，灌浆孔距为3.05m。两岸齿槽下为3排孔灌浆帷幕，外侧两排孔距均为3.05m，中心排孔距6.10m。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0.6～7.6cm，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380l/min，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。

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0.3m。由于降雨，水位上升速率在5月份达到每天1.2m。至6月5日溃坝时，库水位已达1616.0m，仅低于溢流堰顶0.9m，低于坝顶9.0m。在大坝溃决前2天，即6月3日，在坝下游400～460m右岸高程1532.5～1534.7m处发现有清水自岩石垂直裂隙流出。6月4日，距坝60m高程1585.0m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1537.7m处发现流混水，流量达(0.56～0.85)m3/s，在高程1585.0m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0.42m³/s的水流自坝面流出，这同时听到炸裂声。随即在坝下4.5m，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1.8m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5h。

耐人寻味的是，126.5m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。

图2 溃坝过程照片

溃坝原因分析

图3 槽底填土低应力区

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Engineering 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。

专家们认为，由于岸坡坝段齿槽边坡较陡(图1)，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3)。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4)。

图4 Teton大坝破坏过程示意图

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。”