土石壩抗震加固措施研究

陳小妮 馬雅慧

（1.扶風縣城關鎮(zhèn)水務管理站 陜西 扶風 722200；2.扶風縣官務水庫管理站 陜西 扶風 722200）

我國是世界上地震較多的國家之一，地震活動的分布范圍十分廣泛，基本地震烈度在Ⅵ度以上的地區(qū)占全國的60%以上。同時我國也是世界上修建水庫大壩最多的國家，這些水庫大壩有相當部分位于地震區(qū)，一旦發(fā)生地震將對水庫大壩造成不同程度的損害，嚴重者甚至出現(xiàn)潰壩，對下游人民的生命財產產生嚴重的危害。典型的如1975年我國海城發(fā)生7.3級地震，距震中約12km的王家坎水庫出現(xiàn)了多處縱橫向裂縫，壩頂沉降24.5cm，下游壩腳多處出現(xiàn)冒渾水；2008年汶川發(fā)生8.0級地震，各地區(qū)震損水庫達2000余座，高危震損水庫達400余座。從這些事例中可以看出，當前我們應該高度重視水庫大壩的抗震安全，重視水庫大壩的抗震加固技術的研究，以便對新修水庫采用合理可行的抗震設計方案、對已受震損的水庫大壩及時進行抗震加固處理。

1 土石壩震害類型及特點

通過國內外統(tǒng)計資料分析顯示，在強地震作用下土石壩經(jīng)常出現(xiàn)的震損類型有：壩體塌陷、裂縫、滲漏、滑坡、土體液化、壩體附屬結構破壞等。

（1）壩體沉降與塌陷。壩體在地震作用下，由于土體的塑性區(qū)擴大，壩體強度降低，使得地震后壩頂及壩面出現(xiàn)不同程度的下沉，嚴重者可能出現(xiàn)塌陷與壩體滑坡等情況。

（2）壩體裂縫。地震后出現(xiàn)壩體裂縫是最常見的一種地震危害。震后裂縫按照裂縫的走向可分為縱向裂縫、橫向裂縫、水平裂縫。各種裂縫中以縱向裂縫最多，水平裂縫出現(xiàn)幾率最小。

（3）滲漏。滲漏是與壩體裂縫息息相關的，當壩體出現(xiàn)貫穿性裂縫或者壩基節(jié)理裂隙，由于地震作用被激活后會出現(xiàn)張開或錯動情況，這些都會引起壩體或壩基的滲漏，表現(xiàn)為土石壩的下游壩坡浸水、浸潤線抬高或壩基壩肩漏水等，情況嚴重者還會出現(xiàn)管涌、流土等。

（4）滑坡。在地震作用時，由于壩體受到地震慣性力的作用以及地震作用下壩內出現(xiàn)較大的超孔隙水壓力，使得壩體抗剪切強度急劇下降，從而使原穩(wěn)定壩坡出現(xiàn)滑動失穩(wěn)?；露喟l(fā)生在土石壩壩體上游側壩坡上，若水庫水位較高時可導致壩體潰決。

（5）土體液化。在地震作用下，土體的孔隙水壓力會突然地升高，土顆粒之間的有效壓力會急劇下降，更甚者可能接近于零，這時土體完全喪失其抗剪強度，出現(xiàn)土體的液化現(xiàn)象。

（6）壩體附屬結構破壞。壩體附屬結構如防浪墻、護坡等可能由于地震出現(xiàn)斷裂、擠壓破壞、傾覆、沉陷、隆起、局部滑塌等。

2 土石壩抗震加固措施

對于土石壩而言，抗震加固的內容主要包括裂縫的處理、滲漏問題的處理、滑坡問題的處理以及土體液化的處理等，各種加固措施詳述如下：

（1）震損裂縫處理方法。一般而言，對裂縫的處理方法主要有：①開挖回填：即挖除裂縫周邊土體，至裂縫底部厚再進行回填處理，這是一種簡單易行又徹底可靠的方法，對于縱橫縫均可以使用。此方法適用于裂縫深度較淺的情況。②灌漿處理：當裂縫較深或裂縫處于壩體內部時，可采用灌漿處理的方法，常采用的灌漿材料有粘土漿和粘土水泥漿。另外，還可將兩種方法結合使用。兩種方法結合使用適用于裂縫深度很大，壩坡本身未產生滑動的情況。

（2）震損滲漏處理方法。震損滲漏也是土石壩地震破壞后常見的病害類型，主要的處理方法有：混凝土防滲墻、劈裂灌漿、膏狀穩(wěn)定漿液灌漿、高壓噴射灌漿以及土工膜等。①混凝土防滲墻：此方法安全可靠，耐久性好，防滲性能高，是當前應用最廣泛的方法。②劈裂灌漿：劈裂灌漿不但能夠起到防滲的作用，而且能夠加密壩體，施工較方便。③土工膜防滲：防滲性能好，能夠很好的適應壩體的變形，施工速度、造價等均具有優(yōu)勢。④高壓噴射灌漿：高壓噴射灌漿的施工速度較塊，但是它只能在土體中，不能進入巖層。

（3）震損滑坡處理方法。滑坡問題處理的方法一般有放緩壩坡、壓重固腳、導滲排水、加密壩體、置換材料或使用加筋結構等方法。地震導致壩體滑坡的主要原因是由于壩坡過陡，故可采用放緩壩坡的方法。同時滑坡體滑出壩趾以外，可采用在壩趾位置增加壓重的方法，以增大抗滑力。影響壩坡穩(wěn)定性的還有壩體的滲透水流，地震時會產生超孔隙水壓力，這將導致壩體材料之間的有效壓力下降，壩體土料處于液化狀態(tài)，壩坡穩(wěn)定性急劇下降，故加強排水、加密壩體、采用加筋結構、降低浸潤線等都是行之有效的方法。

（4）液化抗震加固方法。地震時土體液化加固的方法一般有振沖加密法、置換法、強夯發(fā)、拋石壓重以及排水等方法。一般對于可液化土層不厚的可以采用挖除置換，可液化土層較厚的采用振沖加密、強夯等方法。

3 土石壩抗震加固實例分析

3.1 工程概況

花涼亭水庫位于安徽省太湖縣境內的皖河支流長河上游，是一座以防洪、灌溉為主要任務的大（1）型水庫。工程地理位置為東經(jīng)116°15′，北緯30°27′。水庫樞紐工程由攔河壩、溢洪道、泄洪隧洞、發(fā)電引水隧洞及發(fā)電站廠房組成。大壩為粘土心墻砂殼壩，最大壩高58 m，壩頂高程99.25 m，壩頂寬度6.7 m。上游壩坡分5級組成，壩坡坡比從上往下依次為1∶1.7、1∶2.5、1∶3.5和1∶3.5；下游壩坡也分5級組成，壩坡坡比從上往下依次為1∶2.1、1∶2.5、1∶3.0、1∶3.75和1∶1.8。依據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2001），該工程區(qū)地震動反應譜特征周期為0.35 s，地震動峰值加速度為0.05 g，相應的基本地震烈度為Ⅵ度。

3.2 工程抗震隱患分析

花涼亭水庫大壩為一級壅水建筑物，其抗震設防類別為甲類，對整個樞紐工程的重要性較大，設計烈度取值比基本烈度高1度。同時花涼亭水庫總庫容達23.98億m3，庫容巨大，但是壩體又為抗震性能較差的粘土心墻砂殼壩，大壩一旦遭遇地震受損，將對下游人口、城鎮(zhèn)、公共設置產生重大影響，故必須嚴格做好花涼亭水庫的抗震安全問題。針對花涼亭水庫大壩現(xiàn)狀，確定其存在的抗震方面的主要問題如下：

（1）花涼亭水庫上游壩坡局部1∶1.7、下游壩坡局部1∶1.8、1∶2.1較陡，在地震工況下可能發(fā)生局部的失穩(wěn)、塌陷破壞。

（2）花涼亭水庫大壩為粘土心墻砂殼壩，其相對密度較低，特別是上游壩坡部分在水位較高時，壩體大部分位于水下，處于飽和狀態(tài)，在地震作用下可能發(fā)生沙土液化的現(xiàn)象。

（3）花涼亭水庫大壩為粘土心墻砂殼壩，壩殼料主要為砂，在地震情況下極易產生液化現(xiàn)象，若不加以適當?shù)奶幚砑庸?，則會對整個壩體的穩(wěn)定安全不利。

（4）花涼亭水庫大壩壩殼料為砂，但上下游壩坡均較陡，砂石料本身的穩(wěn)定邊坡較緩，抵抗外荷載的能力較弱，故需對壩坡穩(wěn)定性進行研究處理。

3.3 抗震加固措施

通過分析研究，確定對花涼亭水庫上游壩坡進行加固處理，參考水庫大壩抗震加固實例及方法，確定了兩個方案對花涼亭水庫上游壩坡進行加固，具體方案如下：

方案一：壩體材料置換與放緩壩坡相結合?？紤]原粘土心墻砂殼壩壩殼料為砂土，地震易液化，故將上游壩坡一定范圍內的沙土置換，換為抗震性能好碎石料。同時考慮到上游坡較陡，可能產生滑坡的危險，故結合壩坡的局部穩(wěn)定要求，將上游坡放緩。

方案二：壓重與放緩壩坡相結合。對于砂土壩殼，易產生液化現(xiàn)象，同時也存在自身的穩(wěn)定性的問題，故將壩坡范圍內采用壓重方法增加穩(wěn)定性，同時結合壓重將壩坡放緩，以此來提高水下沙土的抗液化能力。

兩方案從工程目的上來說均能夠滿足加固的要求，但是考慮該水庫的實際功效，在方案一實施施工過程中需要將水庫放空，形成干地施工條件，而花涼亭水庫的主要任務之一是給周圍城鎮(zhèn)供水，若放空水庫則周圍城鎮(zhèn)的供水問題難以解決。同時，為形成干地施工條件，抵抗施工期汛期洪水，還需做圍堰擋水，工程量較大。同時該水庫還有發(fā)電任務，若放空水庫發(fā)電損失也較大，故最終綜合考慮選擇了方案二作為最終的加固方案。

4 展望

我國的水庫大壩中有95%為土石壩，這其中又有許多位于地震區(qū)，研究土石壩的抗震加固措施，探討各種抗震加固方法的適用性、合理性具有重要的意義。當前，我國在結構抗震設計、抗震加固方法、抗震分析理論的方面有了長足的發(fā)展，但限于地震問題本身的復雜性，這些理論方法還有待于進一步的發(fā)展。

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