新疆高土石壩抗震措施研究綜述

李紅梅，王建新,2，呂彥源

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 新疆水利工程與水旱災(zāi)害防治實驗室，新疆 烏魯木齊 830052)

1 概述

我國水資源豐富，但總體分布不均勻，80%的水能資源分布在西部地區(qū)。要充分利用好這部分水資源，避免不必要的浪費，需修建大量水庫大壩來調(diào)節(jié)汛期洪水及上游來水，解決干旱和洪澇災(zāi)害，從而促進當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展。我國西部地區(qū)地勢遼闊，相比于其他地區(qū)，更適合建設(shè)高壩大庫，但其地形復(fù)雜多樣，多山地、高原，而且很多壩址處存在深厚覆蓋層，選擇合適的壩形顯得尤為重要。土石壩對地質(zhì)條件要求較低，能適應(yīng)各種復(fù)雜地質(zhì)條件，施工方便，可就地取材，抗震性能好，基于這些優(yōu)點，土石壩成為了高壩建設(shè)的主流壩形。近年來，我國修建的高壩更多地選擇采用土石壩壩型，如長河壩心墻堆石壩(最大壩高240m)、阿爾塔什面板堆石壩(最大壩高164.8m)、糯扎渡心墻堆石壩(最大壩高261.5m)等，為響應(yīng)國家號召，推進發(fā)展西部大開發(fā)的國家戰(zhàn)略，我國將建設(shè)一批200m級以上的高土石壩工程，如兩河口心墻堆石壩(最大壩高295m)、雙江口心墻土石壩(最大壩高315m)、新疆大石峽混凝土面板砂礫石壩(最大壩高247m)、新疆玉龍喀什混凝土面板堆石壩(最大壩高229.5m)等。

由于水資源空間分布的限制，這些高土石壩的建設(shè)及運行條件更加復(fù)雜，它們大多修建在我國西部地區(qū)，而西部地區(qū)地震頻發(fā)、強度大、覆蓋層深厚、氣候條件惡劣。這些高壩大庫一旦遭遇強震，將會帶來一系列次生災(zāi)害，后果也將是災(zāi)難性的。近幾十年來，我國已發(fā)生了多次大地震，由此造成了重大災(zāi)害。

新疆地處歐亞大陸腹地，青藏高原地震帶，屬于地質(zhì)構(gòu)造運動相對活躍的地區(qū)，其地震活動頻度高、強度大、分布廣。據(jù)統(tǒng)計，20世紀(jì)新疆發(fā)生6級以上地震102次，其中7級地震14次，8級地震2次，因此我們應(yīng)重視新疆高土石壩的抗震安全以及抗震措施等方面的研究[1-2]。

本文以新疆吉林臺一級水電站大壩為例，分析其抗震設(shè)計以及在經(jīng)歷“8·9精河”地震后的運行情況?？偨Y(jié)國內(nèi)外高土石壩在地震荷載作用下常見的幾種破壞形式，以此為基礎(chǔ)研究新疆大壩工程抗震設(shè)計特色及抗震措施，為新疆高土石壩抗震設(shè)計研究和工程建設(shè)實踐提供理論和技術(shù)支撐。

2 工程概況

新疆吉林臺一級水電站位于新疆伊犁喀什河上，距尼勒克縣城32km，交通便利。此工程以發(fā)電為主，兼顧灌溉和防洪等綜合效益。電站樞紐建筑物主要由混凝土面板砂礫石壩、泄洪隧洞、開敞式溢洪道、發(fā)電引水隧洞和廠房組成，為大(Ⅰ)型水利樞紐工程。其中吉林臺一級面板壩的最大壩高為157m，壩頂高程1427m，壩頂長度445m，壩頂寬度12m，上游壩坡1∶1.7，下游馬道間壩坡1∶1.5，平均壩坡1∶1.96[3]。

電站機組于2006年全部投產(chǎn)發(fā)電。2017年8月9日在博爾塔拉蒙古自治州精河縣發(fā)生了6.6級地震，震源深度達11km，震后還發(fā)生了多次3級到4級不等的余震，據(jù)分析震后大壩結(jié)構(gòu)完好，后續(xù)仍能正常運行。

3 抗震設(shè)計及震后運行情況

大壩壩址地震基本烈度為8度，設(shè)防烈度為9度[4]。

3.1 壩坡設(shè)計

上游壩坡1∶1.7，下游馬道間壩坡1∶1.5，并在下游設(shè)置5條“之”字型上壩公路，公路路面寬設(shè)為12m，這樣的設(shè)計使得壩體下游平均壩坡放緩，并且在下游形成了壓重區(qū)，可以防止在地震作用下下游壩坡上部塊石松動滾落、壩面產(chǎn)生滑坡或者產(chǎn)生較大的水平位移。壩體下游壩坡鋪設(shè)了鋼筋混凝土板和鋼筋混凝土網(wǎng)格梁，增強下游壩坡穩(wěn)定性，保持壩坡的整體性，從而增強壩體抗震性能。

3.2 壩頂設(shè)計

壩頂設(shè)置4m的地震安全超高和6m的防浪墻，以防止地震時庫水發(fā)生涌浪或壩體下陷導(dǎo)致庫水漫壩。設(shè)置壩頂寬度為12m，若壩坡發(fā)生淺層滑動，此時壩頂仍能具備支承上游防浪墻和面板的作用，避免發(fā)生大的坍塌事故。

3.3 震后運行情況

根據(jù)綜合檢查分析，地震導(dǎo)致壩體產(chǎn)生了2.65mm的震陷，還造成大壩上游壩頂產(chǎn)生水平位移，方向指向下游，最大水平位移為2.48mm，壩頂未出現(xiàn)明顯的沉陷、錯動現(xiàn)象。地震前后面板周邊縫和垂直縫變化較小。周邊縫面板滲壓和壩基滲壓總體上處于穩(wěn)定狀態(tài)。大壩浸潤線沒有發(fā)生明顯變化，震后1h內(nèi)大壩庫水位也沒有發(fā)生明顯變化，但經(jīng)過檢查，發(fā)現(xiàn)大壩滲漏量突增，最大滲漏量達到了144L/s，震后約12h后滲漏量趨于穩(wěn)定水平，最后又恢復(fù)到震前水平，綜合分析大壩震后情況可知，吉林臺大壩經(jīng)歷“8·9精河”6.6級地震，其抗震設(shè)計及抗震措施經(jīng)受住了此次地震的考驗，吉林臺一級大壩結(jié)構(gòu)完好[5]。

4 高土石壩震害破壞形式

根據(jù)對大量震害資料的調(diào)查研究，可以將高土石壩典型震害的破壞形式分為永久變形、滑坡、防滲體破壞、液化、次生災(zāi)害等5種類型。無論是哪種破壞形式，都會對壩體安全產(chǎn)生影響，威脅到人民生命安全，理應(yīng)同等重視。

4.1 永久變形

壩體永久變形是指壩體在發(fā)生地震時，在地震作用下產(chǎn)生沉降和水平位移變形，且此種變形不可恢復(fù)。壩體在地震作用下，強度降低，各個部位受力發(fā)生變化，震后壩體各部位變形不一致，壩體產(chǎn)生不同程度的沉降，潰壩風(fēng)險增加，對大壩安全產(chǎn)生威脅[6]。紫坪鋪面板壩在經(jīng)歷汶川地震后，大壩產(chǎn)生明顯變形，壩體變形整體向內(nèi)收縮，大壩二、三期混凝土面板施工縫發(fā)生了錯臺，縫間的鋼筋被折彎成“Z”字型[7]，地震還造成混凝土面板周邊縫發(fā)生沉陷、張開、剪切變形，這些變形都是不可恢復(fù)的，壩體產(chǎn)生了永久變形，其震后變形破壞情況如圖1所示。

圖1 紫坪鋪面板堆石壩震后變形破壞情況[8]

4.2 滑坡

滑坡指地震作用下壩坡發(fā)生整體或局部的順坡向滑動。在地震力作用下，壩坡承受的慣性力改變，表面形成裂縫，壩體的各項力學(xué)強度指標(biāo)降低，壩體內(nèi)部超孔隙水壓力增大，地下水位上升，使得壩體的抗剪切強度下降，從而使原來穩(wěn)定的壩坡失穩(wěn)，發(fā)生滑動。2003年2月24日，新疆喀什巴楚縣發(fā)生里氏6.8級地震，小海子水庫位于巴楚縣境內(nèi)，此次地震造成小海子水庫的北庫大壩——永安壩發(fā)生了30m滑坡，致使大量人員傷亡、建筑物倒塌。土石壩上游一側(cè)易發(fā)生滑坡，造成傷亡事故。面板堆石壩上游有面板，且面板有堆石支撐，不容易發(fā)生整體塌滑。但在地震作用下，壩頂?shù)牡卣鹚较蚣铀俣确磻?yīng)比壩底部位大的多，壩頂強烈的地震反應(yīng)可能造成上部壩頂局部失去平衡，使得壩頂區(qū)結(jié)構(gòu)松動、滑塌[9]。

4.3 防滲體破壞

土石壩防滲的核心結(jié)構(gòu)是防滲體，由于填筑壩體材料不同，土石壩有土壩和堆石壩2種類型，根據(jù)土石壩的分類，防滲體破壞有面板的破壞和心墻的破壞。發(fā)生地震時，壩體會產(chǎn)生變形，防滲心墻或混凝土面板的變形與壩體變形不相協(xié)調(diào)，從而使防滲心墻或混凝土面板產(chǎn)生破壞。防滲體破壞會形成裂縫，裂縫會造成壩體產(chǎn)生滲漏，當(dāng)壩體存在貫穿性裂縫或者壩基節(jié)理裂隙時，受地震作用影響，這種裂縫會進一步發(fā)展成更長、更深的裂縫，有時裂縫與裂縫之間會產(chǎn)生錯動現(xiàn)象，最終引起滲漏。滲漏的主要表現(xiàn)形式有壩體下游壩坡坡腳處出現(xiàn)漏水、浸潤線抬高等，嚴(yán)重時出現(xiàn)管涌、流土等。因此防滲體破壞的危害不容小覷。

4.4 液化

土體液化是指發(fā)生地震時，地震的振動將砂土及粉土進行振實，使其更加密實，從而造成孔隙水壓力增加，驟然增加的孔隙土壓力來不及消散，使有效應(yīng)力減小，土體的抗剪強度趨于零，砂土顆粒局部或全部處于懸浮狀態(tài)，形成“液體”[10]。液化包括壩基液化和反濾料液化。如果土石壩壩基含有易液化的砂土層或壩基防滲措施不當(dāng)，正常運行時就已漏水，使下游壩坡和壩基處于飽和狀態(tài)，那么地震時就會發(fā)生噴水冒砂等液化現(xiàn)象。陡河土壩地基為弱粘性土和砂層，在唐山大地震中，地基產(chǎn)生液化、壩腳出現(xiàn)噴水冒砂的現(xiàn)象。

4.5 次生災(zāi)害

地震可能引發(fā)的次生災(zāi)害有滑坡、塌方、火災(zāi)、凍災(zāi)、毒氣污染、細(xì)菌污染、放射性污染、瘟疫等，沿海地區(qū)可能遭受海嘯。這些災(zāi)害又對人們的日常生活和社會經(jīng)濟產(chǎn)生不同程度的破壞和損傷，尤其是會危害到人們的生命安全，因此我們對于次生災(zāi)害的關(guān)注應(yīng)同其他震害形式一樣重視。

5 高土石壩抗震措施

新疆高土石壩的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計主要體現(xiàn)了“穩(wěn)、控、防、排”抗震理念[11]。新疆已建高土石壩和在建高土石壩的抗震設(shè)計大多遵循這一抗震理念。表1所列是綜合總結(jié)的新疆典型高土石壩工程抗震措施。通過分析新疆典型高土石壩的抗震措施，可以將其分為壩體抗震措施和壩基抗震措施。

表1 新疆典型高土石壩工程抗震措施

5.1 壩體抗震措施

壩體抗震措施有放緩壩坡、加大壩寬、改善壩料、壓重固腳或使用加筋結(jié)構(gòu)等。

5.1.1放緩壩坡

對于強震區(qū)高土石壩，一般宜在頂部約1/5～1/4壩高范圍內(nèi)適當(dāng)放緩壩坡，必要時設(shè)置馬道。如果壩坡過于陡峭，壩體上部塊石容易滾落，壩體下部壓重不足，更容易發(fā)生滑坡。

5.1.2加大壩寬

地震作用下，壩頂加速度反應(yīng)尤其劇烈，壩頂區(qū)域可能發(fā)生滑動。為保證壩頂區(qū)安全，壩頂應(yīng)設(shè)置有足夠的寬度，并在強震區(qū)域適當(dāng)加寬[18]，使得在發(fā)生強震后壩頂區(qū)域發(fā)生塌滑時，剩余的壩頂部分堆石體仍能對整個壩體起到支撐作用，不至于產(chǎn)生潰壩。

5.1.3改善壩料

壩體填筑料選用抗剪強度高的材料，并相應(yīng)地提高壓實標(biāo)準(zhǔn)，有利于提高壩體和壩坡的抗震性能。壩體材料合理分區(qū)也是需要注重的一點，壩體各部位受力不同，所具備的工作條件不同，對填筑材料的各項性能指標(biāo)要求不同，在適當(dāng)?shù)牟课贿x用相應(yīng)合適的壩料，既節(jié)省材料又能有效地發(fā)揮特定作用。具體如何分區(qū)，需根據(jù)所給工程進一步進行相關(guān)試驗研究。壩體材料填筑順序也尤為重要，現(xiàn)場施工時應(yīng)注意。

5.1.4加重固腳

為了防止滑坡體發(fā)生滑動，可在壩趾位置采用大塊石壓重，從而增大此部位的抗滑穩(wěn)定性，還可在壩體下游壩面設(shè)置干砌石護坡，避免地震時大的塊石滾落。壩體邊坡大多存在潛在的滑動面，為了有效控制邊坡滑動面的整體穩(wěn)定，需在壩腳處設(shè)置大塊石壓重。

5.1.5使用加筋結(jié)構(gòu)

在壩體和壩坡內(nèi)設(shè)置加筋結(jié)構(gòu)有助于保證壩體的完整性，還有利于壩體穩(wěn)定?？梢愿鶕?jù)工程的具體情況決定是否采用加筋結(jié)構(gòu)或者選擇怎樣的加筋結(jié)構(gòu)才能起到最大作用?？蛇x用的加筋措施有埋設(shè)土工格柵、鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)、邊坡釘結(jié)、壩面釘結(jié)等。

在進行壩體抗震設(shè)計時還應(yīng)該考慮足夠的地震涌浪高度和地震附加沉陷[19]；加強心墻與基座或面板與壩體各分區(qū)間及其與壩基和岸坡的連接。防止在地震作用下產(chǎn)生較大裂縫進而發(fā)生破壞。

5.2 壩基抗震措施

壩基是壩體的根基，壩基的修建往往需要滿足諸多要求，由此可看出其重要性。若壩基中存在軟弱土層，尤其是存在可液化土層時，需將這層土層挖除，也可進行振動加密或采用土釘、堆石柱體等措施。

6 結(jié)論

近年來我國修建的高土石壩也分布在西部地區(qū)，而在西部地區(qū)地震頻繁發(fā)生，必然會對壩體產(chǎn)生影響，因此抗震安全問題是高土石壩建設(shè)的關(guān)鍵問題之一。新疆地理位置特殊，大大小小的地震頻發(fā)，近年來新疆新一批高壩大庫正在修建中，高壩大庫遭遇高強度地震的工程實例太少，無法保障今后此類高土石壩的抗震安全，所以應(yīng)加快推進對新疆高土石壩抗震安全問題的研究

本文根據(jù)新疆在建及已建高土石壩工程的抗震措施設(shè)計，總結(jié)出新疆地區(qū)高土石壩工程普遍采用的抗震措施，為今后高土石壩抗震實踐提供了科學(xué)有效的解決方案。