震災(zāi)受損水利工程案例及修復(fù)技術(shù)簡述

馮 運(yùn)

(二灘國際工程咨詢有限公司,成都,610072)

1 概述

我國地處世界上兩個(gè)最大地震集中發(fā)生地帶——環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間,地震較多,大多是發(fā)生在大陸的淺源地震,震源深度在20km以內(nèi)。位于青藏高原南緣的川滇地區(qū),主要發(fā)育有北西向的鮮水河——安寧河——小江斷裂、金沙江——紅河斷裂、怒江——瀾滄江斷裂和北東向的龍門山——錦屏山——玉龍雪山斷裂等大型斷裂帶。該區(qū)新構(gòu)造活動(dòng)劇烈,絕大多數(shù)屬構(gòu)造地震,地震活動(dòng)頻度高、強(qiáng)度大,是中國大陸最顯著的強(qiáng)震活動(dòng)區(qū)域。

而西南地區(qū)蘊(yùn)藏了我國68%的水力資源,水利工程較多,且主要集中在川滇地區(qū)。2008年5月12日的四川省汶川大地震,初步統(tǒng)計(jì),已導(dǎo)致803座水庫出險(xiǎn),受損的大型水庫有紫坪鋪電站,中型水庫36座,小一型水庫154座,小二型水庫611座。為保證水利工程的安全運(yùn)行,地震之后及時(shí)進(jìn)行檢測,并對受損工程進(jìn)行監(jiān)測和修復(fù)是必要的。

2 地震對水利工程的危害

由于地震烈度、地震形態(tài)以及水庫本身工程構(gòu)造的不同,地震對于水利工程的危害也有所區(qū)別。水庫壩體險(xiǎn)情主要可分為3級:1級為一般性破壞,不產(chǎn)生滲漏;2級為嚴(yán)重性破壞,壩體開裂滲漏;3級將垮壩(崩塌),庫水全部流失。我國因地震引起的水庫垮壩并不多見?？偨Y(jié)國內(nèi)外地震對水利工程的危害,主要有以下幾種形式:

2.1 壩體裂縫

地震作為外力荷載將會(huì)導(dǎo)致大壩尤其是土石壩整體性能降低,防滲結(jié)構(gòu)破壞,引起大量裂縫。地震會(huì)產(chǎn)生水平和垂直兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng),并使周期性荷載增大,壩體和壩基中可能會(huì)形成過高的孔隙水壓力,從而降低抗剪強(qiáng)度與變形模量,引起永久性(塑性)變形的累積,進(jìn)而導(dǎo)致壩體沉降與防滲結(jié)構(gòu)開裂。

獅子坪水電站大壩位于理縣境內(nèi),壩高136m,汶川大地震后,壩基灌漿廊道出現(xiàn)多處不同長度的斷續(xù)裂縫,局部錯(cuò)動(dòng)約2cm;大壩心墻混凝土蓋板區(qū)出現(xiàn)多處不同長度的表面裂縫和深層裂縫。這些裂縫在壩體漏水、自然降水和溫度作用下,又將產(chǎn)生新的凍融、凍脹破壞,影響大壩的整體性和穩(wěn)定。

同時(shí),沿線料場山體出現(xiàn)滑坡,形成長條帶及凹陷,滑坡長30m～55m,凹陷坑深2.5m～3m寬7m左右,凹陷處上部山體有多條斜向裂縫,縫寬20cm左右。

2.2 壩體失穩(wěn)

地震可能引起壩基液化,導(dǎo)致大壩失穩(wěn)。地震還會(huì)造成土石壩體脫落或堆石體沉陷,從而引起壩體失穩(wěn)。地震時(shí),受周期性或波動(dòng)性荷載作用,土石壩內(nèi)土體將產(chǎn)生遞增的孔隙水壓力和變形,當(dāng)達(dá)到危險(xiǎn)應(yīng)力水平時(shí),土體在周期性荷載作用下將出現(xiàn)極大的變形位移,壩內(nèi)土體發(fā)生液化,導(dǎo)致壩體失穩(wěn)。

美國加州的Sheffield壩,1917年建成,壩高7.63m,壩頂寬6.1m,長219.6m,水庫庫容17萬m3。1925年6月,距壩11.2km處發(fā)生里氏6.3級地震,長約128m的壩中段突然整體滑向下游。事后經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn),壩體潰決的主要原因是地震使飽和土內(nèi)的孔隙水壓力增大,造成壩下部和壩基內(nèi)的細(xì)顆料無凝聚性土液化。

2.3 岸坡坍塌

若水庫兩岸有高邊坡和危巖、松散的風(fēng)化物質(zhì)存在,地震發(fā)生后將造成巖體松動(dòng),誘發(fā)崩塌、滑坡和泥石流災(zāi)害,甚至形成堰塞湖等現(xiàn)象。5.12汶川大地震造成四川多處山體滑坡,堵塞河道,形成34處堰塞湖。其中,唐家山堰塞湖蓄水過1億m3,另外水量在300萬m3以上的大型堰塞湖有8處,對下游地區(qū)造成嚴(yán)重威脅。

3 震災(zāi)受損水利工程的修復(fù)技術(shù)

地震后受損水利工程修復(fù)措施主要包括以下幾個(gè)方面:

3.1 壩體監(jiān)測

地震后,受損水利工程應(yīng)及時(shí)降低水庫運(yùn)行水位,并進(jìn)行充分的壩體探測。對于土石壩,可根據(jù)埋設(shè)的監(jiān)測儀器或開挖土坑檢測;對混凝土壩,則可用無損探傷檢測。包括使用地震波法、地質(zhì)雷達(dá)、水下聲納法檢測侵蝕程度,必要時(shí)采取槽探、鉆孔、孔內(nèi)地球物理等方法檢測。根據(jù)地震前后大壩監(jiān)測結(jié)果的對比分析,判明是否存在普遍的結(jié)構(gòu)損傷跡象。尤其需要加強(qiáng)對壩體變形和滲透的觀測,防止裂縫前后貫通,內(nèi)部發(fā)育,產(chǎn)生滲漏通道。

在震后壩體探測中,作為一種非破壞性的探測技術(shù),地質(zhì)雷達(dá)具有探測效率高、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),可以快捷、安全地運(yùn)用于壩體現(xiàn)狀檢測和隱患探查。

3.2 裂縫修復(fù)

對于已經(jīng)出現(xiàn)的裂縫,要定時(shí)觀測和檢測裂縫的分布、走向、長度和開度等。在大壩和壩基主裂縫部位設(shè)置標(biāo)志,同時(shí)防止外部水流入加速其惡化。裂縫的修補(bǔ)應(yīng)從實(shí)際出發(fā),在安全可靠的基礎(chǔ)上,同時(shí)考慮技術(shù)和施工條件的可行性,力求施工及時(shí)、簡單易行、經(jīng)濟(jì)合理。常用的有以下幾種處理方法:

3.2.1 表面處理法。主要適用于對結(jié)構(gòu)承載能力沒有影響或者影響很小的表面裂縫及深層裂縫,同時(shí)還可以處理大面積細(xì)裂縫的滲漏。常用的有表面涂抹水泥砂漿、表面涂抹環(huán)氧樹脂和新型賽博思等防腐材料,從而達(dá)到封閉裂縫和防水的作用。防護(hù)時(shí)應(yīng)采取措施,對表面裂縫,應(yīng)鑿穿裂縫位置,縫內(nèi)灌注材料;對深層裂縫,要采用相應(yīng)的灌漿處理。這樣,可以防止混凝土在各種作用下繼續(xù)開裂。

3.2.2 灌漿法。主要應(yīng)用于修復(fù)對結(jié)構(gòu)整體有影響或有防水防滲要求的混凝土裂縫。經(jīng)修補(bǔ)后,能恢復(fù)結(jié)構(gòu)的整體性和使用功能,提高結(jié)構(gòu)的耐久性。

灌漿法分水泥灌漿和化學(xué)灌漿。水泥灌漿適用于裂縫寬度達(dá)到1mm以上時(shí)的情況;裂縫較窄的情況下宜采用化學(xué)灌漿。此外工程經(jīng)驗(yàn)表明,水泥漿適于穩(wěn)定裂縫的灌漿處理,不適用于活縫或伸縮縫的處理?；瘜W(xué)灌漿也存在類似問題,應(yīng)用最廣的環(huán)氧樹脂漿固結(jié)體是脆性材料,因此對活縫應(yīng)選用賽博思等新型彈性材料。大量實(shí)踐證明,灌漿法是目前最有效的裂縫修補(bǔ)處理方法。

3.2.3 結(jié)構(gòu)加固法。危及結(jié)構(gòu)安全的混凝土裂縫都需進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)。結(jié)構(gòu)加固法適用于對整體性、承載能力有較大影響的較深裂縫及貫穿性裂縫的加固處理。比如獅子坪電站的基礎(chǔ)灌漿廊道處理。混凝土結(jié)構(gòu)的加固,應(yīng)在結(jié)構(gòu)評定的基礎(chǔ)上進(jìn)行,以達(dá)到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度加固、穩(wěn)定性加固、剛度加固或抗裂性加固的目的。結(jié)構(gòu)加固中,常用的主要有以下幾種方法:加大混凝土結(jié)構(gòu)的截面面積;在構(gòu)件的角部外包型鋼;采用預(yù)應(yīng)力法加固,粘貼鋼板加固,增設(shè)支點(diǎn)加固以及澆筑混凝土補(bǔ)強(qiáng)加固。結(jié)構(gòu)加固法還適用于處理對結(jié)構(gòu)的承載能力、整體性、耐久性有較大影響的不均勻沉陷裂縫和較為嚴(yán)重的張拉裂縫。

3.3 滑坡處理

料場滑坡有剪切破壞、塑流破壞、液化破壞三種形式?？刹捎谩吧喜繙p載”與“噴錨灌漿”法來處理?！吧喜繙p載”就是在滑坡體上部的裂縫上側(cè)削坡,以保持穩(wěn)定;“噴錨灌漿”就是固定下部邊坡。

3.3.1 庫岸巖體加固

對于地震中松動(dòng)的庫岸巖體,應(yīng)采取工程措施加固。地震后,首先需要對庫岸巖石情況進(jìn)行重新評估,選擇加固方式。庫岸加固通常采取錨固、支擋、排水相結(jié)合的方式。錨固措施是利用預(yù)應(yīng)力錨索和錨桿固定不穩(wěn)定巖層,適用于震后加固巖體滑坡和不穩(wěn)定的局部巖體。通過一端與建筑物結(jié)構(gòu)相連,一端打入巖體內(nèi)部,在增強(qiáng)巖體抗拉強(qiáng)度的同時(shí),改善庫岸巖體的完整性。該方法在高邊坡中被廣泛應(yīng)用。支擋方法是通過支擋體來平衡滑坡體的下滑力,確?；麦w的穩(wěn)定安全。支擋結(jié)構(gòu)能有效地改善滑坡體的力學(xué)平衡條件,阻止滑坡、泥石流等。常用的方法有重力式擋墻、拉釘擋墻、加筋土擋墻、抗滑樁等。

此外,由于地震過后經(jīng)常伴隨暴雨,更易在松動(dòng)巖石處產(chǎn)生滑坡、泥石流等災(zāi)害,因此需及時(shí)排水,包括地表水和地下水。

3.4 滲漏修復(fù)

應(yīng)根據(jù)具體情況降低庫水位,徹底修復(fù)防滲體。對由于浸潤線過高而逸出坡面或者大面積散浸引起的滑坡,除結(jié)合下游導(dǎo)滲設(shè)施外,還應(yīng)考慮加強(qiáng)防滲。

3.4.1 劈裂灌漿。對于土石壩較嚴(yán)重的滲漏破壞,可以采取劈裂灌漿或加強(qiáng)防滲斜墻等方式解決。劈裂灌漿是指在垂直滲流的方向沿壩軸線劈開壩體,灌入稠泥或水泥砂漿,截?cái)酀B流通道,可以在短時(shí)間內(nèi)降低壩體內(nèi)的滲流,使大壩轉(zhuǎn)危為安。

3.4.2 開挖置換。置換技術(shù)是土石壩震后修復(fù)中的一種重要手段,尤其對于心墻開裂的土石壩具有重要意義。首先需要通過探測技術(shù)檢測到侵蝕的區(qū)域,然后在心墻的下游側(cè)補(bǔ)填塑性混凝土,并用顆粒反濾層加以支持。最后,使用水泥膨潤土混合物進(jìn)行灌漿。置換技術(shù)可以有效阻止土石壩心墻的進(jìn)一步破壞,達(dá)到防滲漏的目的。

3.4.3 排水設(shè)施。在阻止?jié)B流發(fā)生的同時(shí),需要做好排水工作。通過設(shè)置寬敞的排水帶,使?jié)B流能順利排走,同時(shí)降低壩體內(nèi)的浸潤線,減小孔隙水壓力。

4 典型水利工程抗震搶險(xiǎn)及修復(fù)實(shí)例

4.1 美國Hebgen壩

Hebgen土石壩位于美國Montana州,1915年建成,1959年8月遭受里氏7.1級的強(qiáng)烈地震,壩和水庫所在處變形并整體下沉約3.1m,右岸溢洪道嚴(yán)重?fù)p壞,壩體沉陷開裂,水庫岸坡坍塌,庫水震蕩并漫溢壩頂。當(dāng)時(shí)此壩并無抗震設(shè)計(jì),承受了地震的各種危害而未垮壩,其破壞模式和耐震經(jīng)驗(yàn)極有借鑒意義。當(dāng)時(shí)業(yè)主Montana電力公司采取的以下緊急搶救措施:

(1)立即將泄水底孔進(jìn)水口原用迭梁封閉的二個(gè)孔口開啟,以80m3/s的流量泄水降低庫水位。

(2)對半角沉陷區(qū)和被水流沖蝕的壩下游面填土修復(fù)。檢查表明,心墻與溢洪道連接處的漏水并非通過心墻上的裂縫而是從被破壞的溢洪道流出。

(3)在心墻的大裂縫處下游,打豎井檢查和修補(bǔ)。同時(shí)修整下游河岸坍方區(qū)。此后于1960年4月開始,對溢洪道、壩體心墻和上游面進(jìn)行了全面的修復(fù)和加固工作。至今運(yùn)行完好。

4.2 美國Lower San Fernando壩

Lower San Fernando壩位于美國加州洛杉磯市北,1912年動(dòng)工,最大壩高43.2m,壩頂寬6m,長634m。1971年2月在壩東北12.9km處發(fā)生里氏6.6級地震,致使主壩發(fā)生巨大滑坡,壩的上游部分帶動(dòng)壩上部9.2m高的壩體和壩頂一起坍落滑向水庫20多m遠(yuǎn)。

事故發(fā)生后,救援人員立即采取了如下措施:一方面立即運(yùn)來砂袋加固筑高壩的低陷部位;另一方面緊急撤離壩下游地區(qū)8萬居民;此外通過2條泄水道和3條引水管排放庫水。

經(jīng)初步調(diào)查和后期進(jìn)一步挖槽、鉆孔取樣研究得出:壩內(nèi)有大范圍砂土在地震后液化,但液化區(qū)被外圍強(qiáng)度較高的非液化土約束,直到液化區(qū)內(nèi)有足夠擴(kuò)張力后,才促使外圍土向外和向下移動(dòng),出現(xiàn)大規(guī)?；瑒?dòng)。

4.3 北京密云水庫

密云水庫位于北京密云縣城北13km處,庫容43.8億m3,是北京市民用和工業(yè)用水的主要水源。水庫始建于1958年9月,分白河、潮河、內(nèi)湖三個(gè)庫區(qū),主要建筑有白河主壩(高66m,長1100m)、潮河主壩(高56m,長960m)和5道副壩等。

1976年7月28日,河北唐山發(fā)生里氏7.8級強(qiáng)烈地震,白河主壩強(qiáng)烈扭動(dòng),水面以下6萬m2的塊石坡和砂礫保護(hù)層滑落,受損嚴(yán)重。地震后,采取的主要措施有:

(1)及時(shí)探測大壩裂縫,并派潛水員進(jìn)行水下探測;

(2)通過筑堰建閘,把密云水庫分隔成兩個(gè)庫區(qū),放空庫水后,進(jìn)行全面檢查加固。清除白河主壩上的砂礫保護(hù)層,加厚鋪蓋粘土斜墻,改用碴石保護(hù)層,往水下填粘土及砂石達(dá)20萬m2。隨后,打通白河廊道、削坡清基進(jìn)行壩體加固;

(3)加固了3座副壩,并增建了3條泄水隧洞和1座溢洪道等。

白河主壩加固工程于1977年11月21日完成,達(dá)到了國家一級工程標(biāo)準(zhǔn),至今完好。

5 小結(jié)

5.1 地震發(fā)生后,各級水行政主管部門應(yīng)該對境內(nèi)的水利工程,尤其是堤防、水庫大壩、水閘等工程進(jìn)行排查,及時(shí)掌握工程破壞情況及其隱患,有針對性地制定搶修方案。對地位重要、關(guān)系重大、危險(xiǎn)性高的受損水利工程,要抓緊修復(fù),確保度汛安全。

5.2 壩和地基土料的液化,是導(dǎo)致垮壩或嚴(yán)重破壞的主要原因。此外,較普遍的震害有滑坡、開裂、沉陷和位移。

5.3 盡可能保證水壩順利泄水,降低蓄水位,避免出現(xiàn)垮壩事故。

5.4 目前對于水利工程一般都有相應(yīng)的突發(fā)事故(如地震、洪水等)預(yù)警機(jī)制,但對于如何應(yīng)對出現(xiàn)的險(xiǎn)情及采取的工程措施,尚是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié),宜提高認(rèn)識(shí),加強(qiáng)必要的工作。

5.5 對山區(qū)河流因沿岸崩山、泥石流等形成的堰塞湖,應(yīng)當(dāng)機(jī)力斷主動(dòng)盡早清除,以避免水位升高,堰塞湖潰決而形成洪災(zāi)。