陡河水庫土壩壩基抗震分析

王桂青

（唐山市陡河水庫管理處，河北 唐山 063021）

1 工程概況

陡河水庫建于1956年，位于唐山市區(qū)東北約15 km的陡河上，由土壩、輸水洞、溢洪道等建筑物組成。水庫大壩為均質(zhì)土壩，最大壩高25 m，全長7 364 m，抗震設(shè)計烈度8度。大壩壩基包括三部分，主壩全長1 700 m，樁號0+000-0+200段坐落在河床段、0+200-1+700段坐落在一級臺地；副壩全長5664m，坐落在二級臺地上。壩基表層為黏土和壤土，厚約7～10 m，下為厚約20 m的中、細砂層，并含有礫石和卵石，分布極其廣泛。在壩基表面的黏性土層中，斷續(xù)存在含有機質(zhì)較高的土層，呈灰色或黑色，共有5段，其中以河床附近及靠近二級臺地部分較軟。

1976年7月28日，唐山地區(qū)發(fā)生了9度以上的強烈地震，大壩發(fā)生了裂縫、沉陷、位移、冒砂、滑坡、壩后排水溝隆起及防浪墻沉陷、倒塌等情況，土壩遭到了嚴重破壞。一般情況下，水工建筑物的破壞，地基條件是一個主要因素。針對這些情況，對陡河水庫土壩壩基進行了抗震分析。

2 壩基液化

2.1 可液化土壤范圍

壩基液化是地震時某些土層中的孔隙水壓力顯著增加，抗剪強度急劇下降，導致地基失穩(wěn)和建筑物的破壞現(xiàn)象。產(chǎn)生液化的條件與土層的天然結(jié)構(gòu)、埋藏深度、顆粒組成、松密程度等有關(guān)。對壩基噴出的土料進行分析：有細砂、中砂，含有細砂較多的砂礫石或砂卵石，砂壤土以及輕壤土等。在砂壤土和輕壤土中，粉質(zhì)砂壤土和輕粉質(zhì)砂壤土較多，表明其較中、重砂壤土更容易液化。通過對土料的分析發(fā)現(xiàn)，陡河水庫壩基可液化的土壤包括的范圍很大。

2.2 土層的埋深對液化的影響

砂層以上覆蓋土的厚度和地下水位對土層液化的綜合影響用有效覆蓋壓力（σv）表示，其計算公式如下：

式中：σv為有效覆蓋壓力；dS為地表至第一層砂層頂板的厚度；dW為地表至地下水位的深度；γ2為地下水位以上土壤的自然容重；γ1為地下水位以上土壤的浮容重。

從式（1）可知，可液化的土層埋藏越深，有效覆蓋壓力越大，抗液化的能力就越高。為了判斷噴砂的埋藏深度，在陡河水庫下游9～10度地震區(qū)打了27個鉆孔。從噴砂深度看，埋藏深度小于8m的孔都有冒水噴砂現(xiàn)象，大于8 m的孔沒有冒水噴砂現(xiàn)象，界限十分明顯。這表明陡河水庫壩基遇到強震時，大于8 m的土層才有抗液化能力。

2.3 土壤的密實性對液化的影響

從有效覆蓋壓力（σv）計算公式可見，可液化的土壤容重越大，土壤越密實，有效覆蓋壓力就越大，抗液化的能力就越高。陡河水庫壩基中細砂層頂部埋藏深度為5～10 m，建庫前所作的標準貫入試驗擊數(shù)為10～20擊，已知砂的相對密度Dr為0.6～0.75，其密實度屬中密上限或密實下限，遇到9～10度地震時仍然發(fā)生液化。這表明陡河水庫壩基在高烈度區(qū)，對比較密實的中、細砂，也可能發(fā)生液化。

2.4 壩基排水對液化的影響

主壩一級臺地段設(shè)有排水溝，可以排出部分壩基滲水，減輕了附近壩基的液化程度，這是主壩的滑坡僅發(fā)生在壩頭河床段的原因之一。所以，搞好壩基排水，可以避免或者減輕壩基的液化。

2.5 液化的“隔震”作用

陡河水庫主壩段地下水位較高，地震時普遍有液化現(xiàn)象，土壩的主要震害是寬而深的縱向裂縫和壩頂沉陷，只在左壩頭有一處滑坡，情況并不嚴重。副壩段長5 664 m，地下水位較低，并無液化問題，卻發(fā)生了很多處嚴重的滑坡。這表明壩基液化以后，地震剪切不易通過液化層傳到地表，使壩體所承受的地震慣性力相對地減小了，對地面上的建筑物可以起到一定的“隔震”作用。副壩由于砂層埋藏較深，壩基沒有液化，壩體承受的地震力較大，再加上施工質(zhì)量比較差，因而引起嚴重的滑坡破壞。

3 壩基塑流

3.1 壩基軟弱土層分布情況

主壩壩底寬度105.72 m，其中壩中至上、下游壩趾分別寬56.72、49 m。土壩軟弱土層分布情況，見表1。壩基如果塑流區(qū)范圍不大，土壩不會產(chǎn)生塌滑；如果塑流區(qū)范圍較大，則可能發(fā)生壩坡連同壩基滑坡。根據(jù)顧淦臣教授穩(wěn)定計算分析后規(guī)定，壩體趾部地基容許塑流開展區(qū)寬度不超過B/4，B為壩底寬度。如果壩中部地基發(fā)生塑流，對土壩危害較小，并規(guī)定容許塑流區(qū)寬度不超過3B/4。如果超過，則可能發(fā)生塑流區(qū)連同整個壩底被擠出，使大壩塌陷破壞。

表1 土壩軟弱土層分布情況

3.2 塑流對陡河水庫壩基的危害

地基內(nèi)的軟弱土層，由于形成時期及埋藏條件的不同，在性質(zhì)上差異較大。顆粒較粗、排水條件好的，其物理力學性質(zhì)較好。其中，樁號1+340-1+675段的淤泥質(zhì)土面積廣而厚，物理力學性質(zhì)最壞。在這次地震中，由于軟弱土層抗剪強度低，產(chǎn)生塑性流動，引起建筑物破壞，大壩壩腳處產(chǎn)生很大的變形和隆起，下游排水溝被擠窄。

3.3 壩基抗塑流能力

在這次地震中，排水溝溝底抬高最大的幾個壩段分別是：樁號0+100、0+167、1+300、1+400、0+200、0+700、0+500、1+200、1+500，分別抬高2.02、1.30、0.89、0.79、0.67、0.54、0.46、0.31、0.31 m。河床附近的壩段溝底抬高最大，溝身被擠壓，并且0+167段壩頂沉陷最大，下游發(fā)生滑坡。這表明河床段的壩基軟土層埋藏條件差，在強震中抵抗塑流能力最差。

壩基樁號1+340-1+675段，1955年水庫施工以前，該層淤泥的干容重只有1.25～1.47g/cm3。施工時進行了預壓，完工后又經(jīng)過了長時期的固結(jié)，到1964年其干容重已提高到1.43～1.52 g/cm3。經(jīng)過這次地震，該段壩體未發(fā)生滑坡，壩腳附近地基和排水溝的變形也較河床段為輕，證明該段淤泥已具有較高的抗震能力。這表明陡河水庫壩基的軟弱土層經(jīng)過預壓固結(jié)后，能夠起到抗塑流的作用。

其他含有軟弱土層的壩段，由于埋藏較深，物理力學性質(zhì)較好，在這次地震中破壞程度較小，具有抗塑流的能力。

4 壩基沉陷和抬升

4.1 壩基升降情況

受地震的影響，壩基都有不同程度的沉陷和抬升，一般抬升量較小而沉陷量則較大，對建筑物的影響也較大。大面積的升降一般不致造成建筑物的破壞。地震時局部沉陷是很普遍的，對建筑物的影響也比較大，尤其是不均勻沉陷常常造成建筑物的破壞或失穩(wěn)。在這次地震中，陡河水庫土壩的主要震害是寬而深的縱向裂縫和壩頂沉陷。主壩壩頂一般下沉1.0 m左右，減少了水庫的容積。其中，壩基的沉陷量達0.43～1.02 m，樁號0+100段下沉0.43 m、0+500段下沉0.73 m、1+300段下沉1.02 m。副壩段沉陷量較小，最大沉陷僅為0.15 m。

4.2 壩基升降原因分析

局部沉陷的原因是很多的，除了液化和塑流可能引起壩基的局部升降以外，由于地震引起壩基土壤的壓密也是造成局部沉陷的一個重要因素?，F(xiàn)對陡河水庫地震前后壩基的密實性進行分析，建庫前與地震后壩基砂層標準貫入試驗結(jié)果對比見表2。

表2 建庫前與地震后壩基砂層標準貫入試驗結(jié)果對比

從表2可知，地震以后，砂層的密實度有了顯著的增加。這是壩基和壩頂大量下沉的重要原因之一。有的不均勻沉陷，是由于壩基的軟硬不均造成的。如主壩壩基存在軟弱夾層的樁號1+340-1+675段，經(jīng)過預壓固結(jié)，干容重已提高到1.43～1.52 g/cm3,仍小于周圍壩基的干容重1.65～1.78 g/cm3，在這次地震中沉陷量較大，且與相鄰壩段沉陷量差值較大，破壞比較嚴重。河床段與一級臺地交界處、一級臺地與二級臺地交界處壩頂橫縫較多，都屬于壩基軟硬不均造成的不均勻沉陷。可見，陡河水庫主壩段壩基砂壤土較厚且位于表層，壓縮量很大，多種因素導致主壩段壩基地震時很容易產(chǎn)生升降變形。

5 結(jié)語

由于陡河水庫壩基覆蓋層較薄，可液化土壤包括范圍較大，在強震時壩基砂層埋藏深度小于8 m，容易引起地基液化，通過在主壩壩趾處修建排水溝，再加上地基液化以后對上游壩體產(chǎn)生“隔震”作用，可以減小液化對土壩的危害。對于存在軟弱土層的河床段，壩基抵抗塑流能力最差，樁號1+340-1+675段壩基經(jīng)過預壓固結(jié)后，經(jīng)強震檢驗能夠起到抗塑流的作用，但由于壩基土的軟硬不均，壩基抵抗升降變形的能力較弱，使不均勻沉陷成為地震時對土壩的主要危害。