土石壩震害與抗震安全

【摘要】土石壩指的是由石料、土料、混合料等經過碾壓拋填等方法筑成的水壩，對于水能資源的利用具有重要意義，但我國的水能資源主要集中在西部強震區(qū)，土石壩面臨隨時可能發(fā)生的地震災害威脅，因此，為防止出現(xiàn)災難性后果，做好土石壩抗震安全工作非常重要。本文分析了土石壩震害的主要類型，介紹了相關案例，此外也對如何增強土石壩的抗震性進行了探討，包括合理選址、控制施工質量、按照標準施工等。

【關鍵詞】土石壩;震害;類型;抗震措施

1.前言

土石壩指由石料、土料、混合料等經過碾壓拋填等方法筑成的水壩，是歷史最悠久的壩型，以砂礫和土為壩體主材料時叫做土壩，以卵石、爆破石料、石渣為主材料時叫做石壩，兩種材料各占較大比例時，叫做土石混合壩。自從上世紀五十年代后，近代土石壩技術獲得了快速發(fā)現(xiàn)，也催生出了一大批高壩建設項目。與其他類型的建筑一樣，土石壩也會面臨各種各樣的地質災害，由于地理位置的緣故，地震就是土石壩十分常見的災害類型，若遭遇較大震害，容易導致潰壩等嚴重后果。

2.土石壩震害分析

2.1土石壩震害主要形式。土石壩在地震中比較容易出現(xiàn)問題，尤其是一些早期的小壩，震害主要形式包括裂縫、滑坡及滲漏三種。地震變形是土石壩的震害基礎，當土石壩不均勻變形明顯的時候會導致裂縫現(xiàn)象，裂縫災害十分常見，可分橫向及縱向兩類，縱縫不斷發(fā)展可能導致壩坡出現(xiàn)失穩(wěn)滑動，是謂滑坡。如果防滲體開裂則會導致滲漏。另外，土石壩的震害類型也取決于壩型差異，心墻壩和面板壩的震害傾向存在一定差異。心墻壩主要有裂縫、滑坡、變形、滲漏現(xiàn)象，面板壩則會出現(xiàn)震陷、結構性喪失、壩坡史料坍塌、面板脫空、止水破壞等，以震陷來說，指的是壩體朝內收縮，顆粒性破碎剪縮，再如止水破壞，則是面板相對運動使伸縮縫出現(xiàn)拉伸、擠壓、錯動所導致。

2.2土石壩震害實例。我國發(fā)生于2008年的汶川5·12大地震是至今仍讓人難以釋懷，在我們緬懷逝者的同時，也不能忽視地震暴露出來的一些客觀問題。據(jù)統(tǒng)計，汶川地震共造成全國2380座水庫出險，其中四川水庫1803座，潰壩險情69座，高危與次高危分別達到310座、1424座，而且百分之九十六屬于不到五百萬方的小工程，潰壩風險的土石壩多數(shù)為均質土壩[1]。其中紫坪鋪震害十分典型。它的位置離震中只有十七公里，大壩屬于鋼筋混凝土所制的面板壩，最大壩高為一百五十八米，庫容為十一點一二億立方米。大壩震害表現(xiàn)為：壩體變形、落陷、開裂、部分護坡松動、護欄倒塌、部分面板脫空、豎縫壓碎隆起、施工縫錯臺等。所幸大壩主體尚好，但此問題已經足夠引起人們對土石壩抗震安全的重視，一旦抗震設計不到位，除了會造成潰壩災害及財產損失外，重建及修補的過程也都要耗費大量人力、物力、財力，因此，預先在設計及施工環(huán)節(jié)做好土石壩抗震非常重要。

3.做好土石壩抗震工作的幾點措施

3.1抗震計算應科學、準確。土石壩抗震性及安全性與地基、壩體中土石料密實程度、特性、防滲結構、連接牢固性等因素密切相關[2]。我們在進行土石壩抗震設計時，應首先保障土石壩地基、土石壩壩體結構、工程質量符合抗震要求，并輔以穩(wěn)定計算、抗?jié)B透計算、變形計算，與標準進行對比，以便對其抗震安全做出綜合分析與評價，從而幫助土石壩增強抗震性。舉例來說，穩(wěn)定計算方面，一般通過擬靜力法計算，但若設計烈度達到八、九度，壩高在七十米以上，或是地基中有可液化土，要同時采用有限元法對壩基與壩體做出動力分析。再如，抗?jié)B透問題要關注不同壩型，土質心墻壩重點關注心墻、心墻與壩殼相接部位，面板壩關注重點在于面板、接縫止水等。另外，土體的液化可能性也是我們不能忽視的問題，嚴重的土體液化會導致噴砂冒水，不容忽視，目前主要的判斷方法包括依據(jù)過去經驗及資料判斷，依據(jù)測定的地震總應力抗剪強度判斷，剪應力對比法及孔壓比法等。

3.2合理選擇壩址，控制施工質量。選擇壩址前，應進行專業(yè)化的地質勘查并進行科學、充分的地質研究，在對構造活動性、場地地基條件及邊坡穩(wěn)定性等條件進行綜合評價的基礎上，將目標區(qū)域劃分成有利地段、不利地段、危險地段等。施工應選擇抗震有利地段、錯過不利地段、不在危險地段開展建設。施工環(huán)節(jié)中的質量控制對土石壩的抗震性能影響非常大，一般情況下，偷工減料、以次充好、技術落后、不按工序操作等，都是施工環(huán)節(jié)容易出現(xiàn)的問題。千里之堤潰于蟻穴，這個道理人人明白，換句話說，只要有一段工程用次料代替了標準用料，就很有可能因此導致整座大壩經不起地震沖擊出現(xiàn)潰壩等危險后果。對此可以通過加強監(jiān)理、規(guī)范招標等加以控制。

3.3具體抗震措施。以面板堆土石壩為例，如設計烈度為八度、九度，應對壩頂結構及壩坡采取如下抗震措施：首先，應適當增加壩頂寬度，放緩壩坡，盡量采用下陡上緩的壩坡，在變化處設計馬道。其次，應在下游坡面的上部設計坡面防護及壩坡加固措施，并使用漿砌石護坡，在其表面鋪設鋼筋網用于加固。第三，盡量選用低防浪墻，并增強防浪墻抗震穩(wěn)定性;如果確認地震區(qū)壩安全超高，要提升地震涌浪高度;提升大墊層區(qū)寬度，加強與地基、岸坡之間連接，若岸坡較陡，應適當增加墊層料和基巖的接觸長度，并使用更細一些的墊層料;強震區(qū)的面板垂直縫中應填充瀝青浸漬的橡膠片、木板等強度較好的填充材料;增強河谷上部、施工縫及周邊縫附近的面板配筋率;對于強震區(qū)，分期面板的水平施工縫應做成垂直于面板的施工縫，還要布置一些擠壓鋼筋;應增加壩體堆中石料壓實密度，尤其是地形突變位置的壓實密度，此外還要對大壩地震變形及殘余變形不均勻性加以控制，另做好壩料的選擇與分區(qū);若壩體使用砂礫石料進行填筑，要注意增加排水區(qū)排水能力，下游坡壩一定范圍最好采用堆石填筑。

3.4按照一定的抗震設防標準施工。首先，在動強度上，要考慮上游反濾料與覆蓋層中砂層的液化可能，其標準為：等壓固結試樣，孔壓應等于圍壓或是動應變的百分之五，對于不等壓固結試樣，應以動應變的百分之十作為土體的動力破壞標準。評價單元孔壓的相對值時，應考慮液化度單元孔壓值和靜豎向的有效應力之比。各單元抗液化安全系數(shù)小于一點三的區(qū)域可判作液化區(qū)，大于一點三、小于一點五的區(qū)域可判作破壞區(qū)?？蓪訌姸劝踩禂?shù)等于一作為心墻動強度的判斷標準;其次，在土石壩的地震永久變形問題上，根據(jù)相關研究結論，我們認為，對于一百米以下的土石壩，可將壩高的百分之二作為允許震陷量，對于一百米以上的土石壩，可以適當降低為百分之一點五?？稍试S壩體出現(xiàn)裂縫，前提是不造成潛在滑坡。另外還有一些數(shù)據(jù)可供參考：調查表明，當壩頂?shù)淖畲筘Q向位移在壩高的百分之一以下時，土石壩都不會出現(xiàn)裂縫，這個值大于百分之三時，土石壩都出現(xiàn)了裂縫，百分之一到百分之三之間，裂縫與否則由土料性質及其他因素決定;當壩體不均勻沉降傾度大于百分之一時，壩體就會產生裂縫，小于百分之一，一般無裂縫;不均勻震陷傾度在百分之一點二之內時，壩體能夠承受;水平方向的地震變形比豎向的地震變形小。

4.結語

我國的水能資源在世界范圍內相對豐富，只是分布上存在不均現(xiàn)象，多數(shù)水電基地位于大渡河、雅礱江、瀾滄江、金沙江中游、黃河上游區(qū)域，但這些區(qū)域卻都屬于西部強震區(qū)，一旦因地震發(fā)生土石壩震害，很可能導致災難性后果。汶川5·12大地震就給我們的研究提供了案例，其土石壩震害所造成的各項損失是令人痛心的。因此，研究土石壩震害并探討加強抗震安全的措施應成為我們不斷關注與思考的問題。

參考文獻

[1]朱晟.土石壩震害與抗震安全[J].水力發(fā)電學報，2011，（6）：99-100.

[2]陳生水，方緒順，錢亞俊.高土石壩地震安全評價及抗震設計思考[J].水利水運工程學報，2011，（1）：174-175.