水利工程震害中土工結(jié)構(gòu)低應(yīng)力破壞實(shí)例分析

李冰

摘 要：在實(shí)際的工程活動(dòng)中，土工結(jié)構(gòu)的低應(yīng)力與之密切相關(guān)，該文以以往的地震現(xiàn)象導(dǎo)致的山體滑坡等問(wèn)題為研究?jī)?nèi)容，對(duì)與低應(yīng)力相關(guān)的各種工程活動(dòng)進(jìn)行了分析，多組地震液化數(shù)據(jù)告訴我們，山地液化發(fā)生的多數(shù)原因都是其上覆蓋的低應(yīng)力低于100 kPa所引起的，認(rèn)為當(dāng)山體的坡度小于7 m的時(shí)候，其上的低應(yīng)力應(yīng)該被控制在100 kPa以上，因此，在今后的研究中應(yīng)該重新探討地應(yīng)力的土料參數(shù)的計(jì)算方法，重新考慮目前的參數(shù)取值方法的合理性與實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：水利工程 震害 土工結(jié)構(gòu)低應(yīng)力破壞 實(shí)例分析

中圖分類號(hào)：TU411.93 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）03（c）-0234-01

在實(shí)際的施工過(guò)程中，對(duì)于地基或者土工結(jié)構(gòu)的安全性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是其抗滑穩(wěn)定性、液化的概率等指標(biāo)，這些指標(biāo)與土料的強(qiáng)度、變形和動(dòng)力的變化都有很大的關(guān)系，有關(guān)報(bào)道指出，現(xiàn)階段對(duì)于水利工程的土料性質(zhì)和相關(guān)計(jì)算參數(shù)的選擇方面的關(guān)注度并不高，使得地應(yīng)力的設(shè)置缺少了更加科學(xué)的指導(dǎo)，筆者通過(guò)對(duì)各方面的資料的研究和分析，地應(yīng)力有關(guān)的水利工程中因地震災(zāi)害帶來(lái)的土工結(jié)構(gòu)低應(yīng)力的破壞實(shí)例做了分析，指出地震中的大多數(shù)滑坡或液化現(xiàn)象都發(fā)生在低應(yīng)力小于100 kPa的情況下，認(rèn)為低應(yīng)力條件下的土料的性質(zhì)應(yīng)該得到廣泛的關(guān)注。

1 和低應(yīng)力有關(guān)的工程活動(dòng)分析

在工程實(shí)踐中，三角洲的開(kāi)發(fā)與利用、鐵路碎石路基的設(shè)計(jì)與實(shí)施、堤壩的防護(hù)、乃至月球資源的開(kāi)采都與土料在低應(yīng)力環(huán)境中的性質(zhì)有著密切的關(guān)系，這些年，原位實(shí)驗(yàn)正在逐步受到人們的關(guān)注，尤其是在水利工程方面，對(duì)于大粒徑材料的性質(zhì)的測(cè)定方法也得到了跟進(jìn)，除了通過(guò)常規(guī)的現(xiàn)場(chǎng)采樣外還按照材料的密度的不同重新完成制樣，然后再在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，由此可見(jiàn)原位現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)得到了很廣泛的應(yīng)用。與此同時(shí)，對(duì)地基進(jìn)行原位實(shí)驗(yàn)判斷時(shí)必須以地應(yīng)力條件下的土料的性質(zhì)的理解和把握為前提，在抗震方面，對(duì)邊坡實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行和石壩破壞形態(tài)以及關(guān)鍵性的影響因素的了解的主要途徑還是邊坡和石壩震臺(tái)模擬實(shí)驗(yàn)，不過(guò)除了尺寸上的差別，原型材料和模型所處的低應(yīng)力也是非常不同的，所以為了使模型可以充分的反映原型材料的性質(zhì)，就需要了解原型在實(shí)際工程中的低應(yīng)力條件下的土料性質(zhì)，然后再把實(shí)驗(yàn)結(jié)果推廣到實(shí)際的工程中。

2 水利工程震害中土工結(jié)構(gòu)低應(yīng)力破壞實(shí)例

筆者在文中主要以堤壩滑坡和壩體滑坡兩種震中土工結(jié)構(gòu)低應(yīng)力破壞案例為例進(jìn)行說(shuō)明和闡述。

2.1 堤防滑坡

一般情況下，堤防的高度都比較小，基本上位于高出地面2、3 m的位置處，最高也不過(guò)5 m、6 m的樣子，所以，堤防本身以及其地基都是出于相對(duì)較低的低應(yīng)力狀態(tài)下的，當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，非常容易出現(xiàn)裂縫、塌陷、滑坡等問(wèn)題，另外，還可能因?yàn)榈鼗囊夯瘜?dǎo)致塌陷和滑坡一起發(fā)生，帶來(lái)的災(zāi)害更大。比如：2003年發(fā)生在日本的震級(jí)為8.1級(jí)的Tokachi-oki地震中，在距離震中將近13 km的Tokachi堤壩發(fā)生了大規(guī)模的滑坡現(xiàn)象，導(dǎo)致堤身發(fā)生了將近3.7 km的橫向位移，并下沉了2 m，后經(jīng)了解，Tokachi堤壩的高度為6 m。比如：發(fā)生在1996年的邢臺(tái)地震，遭受了8度以及8度以上地震影響的堤防幾乎都受到了嚴(yán)重的破壞，事后經(jīng)過(guò)相關(guān)專家的煙具分析認(rèn)為主要原因是堤防的河岸和地基中有大量的容易發(fā)生液化的砂層和軟泥，只要受到水的沖擊就會(huì)迅速瓦解。

2.2 壩體滑坡災(zāi)害

壩體受到地震嚴(yán)重影響的案例以Kitayama類型的壩體為代表，這是一個(gè)處于風(fēng)化的花崗巖地基上、高度大約25 m左右的心墻堆石壩，壩殼的只要成分是花崗石碎屑，在壩體的上游中找到的最大的顆粒的粒徑僅為0.95公分，不均勻程度也非常高，壩體的壓實(shí)度超過(guò)了100%以上，比如1995年發(fā)生在日本的震級(jí)為7.1級(jí)的Kobe地震，在距離震中約33 km的Kitayama的壩體的基巖獲得了0.3 g的加速度，造成了水庫(kù)庫(kù)上游嚴(yán)重的壩體滑坡災(zāi)害，地震過(guò)程中，滑坡頂部被淹沒(méi)在水庫(kù)的水位以下1～1.5 m的地方，軸向滑坡體的長(zhǎng)度達(dá)到100 m之長(zhǎng)，滑坡的深度達(dá)到1.5～2 m之間。

另外，還有密云水庫(kù)的白云主壩，其壩基的高度為66.5 m，主要是由砂卵石以及黏土墊成的厚度約40 m的地基層，壩體的長(zhǎng)度達(dá)到960 m，在1976年的唐山大地震中，在與震中距離為150 km白河主壩的上游發(fā)生了黏土墻和砂礫的嚴(yán)重液化，致使壩體的保護(hù)層發(fā)生了進(jìn)1000 km的滑坡災(zāi)害，不過(guò)防護(hù)墻體基本是完好的，只是受到了輕微的淺層損傷，經(jīng)事后的分析，發(fā)現(xiàn)白云主壩的保護(hù)層砂礫的配料不連續(xù)，沒(méi)有粒徑為1～5 mm的砂礫，大于5 mm的粗料的含量高達(dá)62%，小于5 mm的砂礫的平均粒徑只有0.29 mm左右，不均衡系數(shù)為3.8，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中沒(méi)有提出相應(yīng)的對(duì)于密度的嚴(yán)格的要求，從其原有設(shè)計(jì)來(lái)看，設(shè)計(jì)師對(duì)于重密度土料的關(guān)注度更高，根據(jù)最大和最小孔隙換算得到的相對(duì)密度僅為0.6。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文的說(shuō)明，我們有理由相信，在工程的建設(shè)過(guò)程中，三角洲地區(qū)的合理開(kāi)發(fā)、鐵路碎石路基的設(shè)計(jì)與實(shí)施、堤壩的防護(hù)和月球資源的開(kāi)采都與低應(yīng)力前提下的土石料的性質(zhì)密切相關(guān)，地震中的提防的穩(wěn)定性遭到破壞以及滑坡的發(fā)生給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了極大的威脅，而實(shí)踐表明，大多數(shù)山體滑坡的深度在7 m以上的地方，其低應(yīng)力都是小于100 kPa的，地震中的液化災(zāi)害也都發(fā)生在100 kPa以下的低應(yīng)力條件下，只有少數(shù)的災(zāi)害出現(xiàn)在150 kPa以內(nèi)，因此，相關(guān)專家應(yīng)該改變以往的思路，對(duì)低應(yīng)力下的土料的性質(zhì)予以更多的關(guān)注，重新探討低應(yīng)力條件下的土料的性質(zhì)，改變涂料參數(shù)的取值方法，使低應(yīng)力在工程設(shè)計(jì)的安全性方面發(fā)揮更大的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉啟旺，劉小生，陳寧，等.高心墻堆石壩地震殘余變形和破壞模式的試驗(yàn)研究[J].水力發(fā)電，2009（15）：60-62，89.

[2] 支樂(lè)鵬，許金余，劉志群，等.高溫后花崗巖巴西劈裂抗拉實(shí)驗(yàn)及超聲特性研究[J].巖土力學(xué)，2009（S1）：61-66.

[3] 趙奎，何文，熊良宵，等.尾砂膠結(jié)充填體蠕變模型及在FLAC3D二次開(kāi)發(fā)中的實(shí)驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2012（S1）：112-116.