西克爾水庫(kù)大壩震損特性及抗震安全分析

劉洪濱

（新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊，830049）

1 概述

西克爾水庫(kù)位于新疆喀什地區(qū)伽師縣西克爾鎮(zhèn)，距喀什市160 km[1]。工程始建于1958年初，1958年12月竣工，1959年初投入使用，是典型的三邊工程。水庫(kù)大壩為均質(zhì)土壩，全長(zhǎng)13 km，其中主壩段長(zhǎng)4.5 km，最大壩高7 m，壩頂寬8.5 m；副壩段長(zhǎng)8.7 km，最大壩高4.4 m，壩頂寬5 m。設(shè)兩座放水涵洞和一座溢洪道（開敞式與有閘控制相結(jié)合）。2020年核定水庫(kù)總庫(kù)容為10 041萬(wàn)m3，工程等別為大（2）型，水庫(kù)主要承擔(dān)灌溉任務(wù)。工程區(qū)位于塔里木地臺(tái)二級(jí)構(gòu)造單元柯坪斷塊隆起和塔里木坳陷接壤處，在塔里木西南坳陷的麥蓋提斜坡構(gòu)造單元內(nèi)。近場(chǎng)區(qū)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，地震發(fā)生頻繁，震中主要位于柯坪斷裂帶中部，尤其以柯坪斷裂（F1）與普昌斷裂（F3）交匯處最為集中。工程區(qū)50年超越概率10%的地震動(dòng)峰值加速度為0.2g，對(duì)應(yīng)的地震基本烈度為Ⅷ度，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性差。

我國(guó)許多學(xué)者基于水庫(kù)震害資料分析了不同類型大壩的破壞特性[2-6]，特別是2008年汶川地震后，用較詳實(shí)震害資料分析了地震對(duì)水庫(kù)大壩安全的影響[7-10]，但上述研究主要針對(duì)單次地震情況下的大壩安全分析，鮮見多次強(qiáng)震作用下大壩震損特性及抗震安全分析的研究資料。而西克爾水庫(kù)建成后，經(jīng)1961年、1971年、1977年、1996年、2011年和2020年6次較強(qiáng)地震[1-2]，每次地震對(duì)水庫(kù)工程均有不同程度的破壞，震后修復(fù)和除險(xiǎn)加固的方案各有特點(diǎn)。筆者總結(jié)了歷次地震對(duì)水庫(kù)大壩的破壞情況，以及震后除險(xiǎn)加固措施，分析研究了水庫(kù)大壩抗震安全性，為今后強(qiáng)震區(qū)水工建筑物的設(shè)計(jì)提供參考。

2 歷次震損特性分析及加固措施

西克爾水庫(kù)大壩歷次震損情況及加固措施見表1。由表1可知：

表1 西克爾水庫(kù)大壩歷次震損情況及加固措施Table 1 Previous earthquake damage and reinforcement measures for Xikeer reservoir dam

（1）水庫(kù)位于地震多發(fā)區(qū)，建成后約每10年經(jīng)受一次地震，地震震級(jí)5.8～6.9級(jí)，水庫(kù)地面烈度Ⅶ～Ⅷ度。

（2）每次地震均造成水庫(kù)大壩不同程度破壞，歷次震損均出現(xiàn)壩體裂縫和噴水冒砂，特別是第一次地震出現(xiàn)了局部潰決，第六次地震出現(xiàn)了局部砂土液化。

（3）第一次地震壩體出現(xiàn)縱向裂縫和橫向裂縫，以橫向裂縫為主；其余幾次地震壩體裂縫主要為縱向裂縫，最大縫寬50 cm（第四次地震，且震級(jí)最大，為6.9 級(jí)），最長(zhǎng)縫1 000 m（第二次地震），最深縫4.3 m（第六次地震）。

（4）第一次地震壩體震損最嚴(yán)重，這與該水庫(kù)前期施工質(zhì)量差、壩體碾壓不密實(shí)有關(guān)。震損還與震級(jí)密切相關(guān)，震級(jí)越高，震損越嚴(yán)重。

（5）對(duì)大裂縫采用挖槽回填壤土并分層壓實(shí)，對(duì)小裂縫采用泥漿或壤土充填，后續(xù)運(yùn)行情況表明，對(duì)不同震損情況采用不同的加固措施效果較好。

3 抗震安全分析

西克爾水庫(kù)位于多地震帶，特別是1990年以來(lái)，柯坪斷裂帶共發(fā)生20 多次震級(jí)大于4 級(jí)的地震，震中主要位于柯坪斷裂帶中部，尤其以兩大斷裂帶交匯處最為集中。水庫(kù)距普昌斷層垂直距離50 km，距柯坪斷層垂直距離2 km，距兩斷層交點(diǎn)25 km。水庫(kù)處于構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的強(qiáng)震區(qū)，地震頻繁，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性差。據(jù)史料記載，庫(kù)區(qū)在1802年發(fā)生過(guò)一次7 級(jí)以上地震，水庫(kù)建成后，1961—2020年共發(fā)生6 次對(duì)水庫(kù)有較大破壞的地震。因此，分析水庫(kù)抗震安全性對(duì)確保工程安全和采取應(yīng)對(duì)措施具有重要的技術(shù)支撐作用。

3.1 壩基液化分析

主壩和副壩壩基標(biāo)貫試驗(yàn)結(jié)果及液化可能性評(píng)判見表2～3，從中可看出：（1）主壩壩基局部有地震液化可能性，液化土多為低液限粉土和粉土質(zhì)砂。其中0+200～1+500 m段壩基7～9 m以上以低液限黏土和低液限粉土為主，夾粉土質(zhì)砂和粉細(xì)砂層，厚度一般為0.5～1.5 m，局部厚可達(dá)3.8 m，該層粉細(xì)砂有液化可能性；壩基7～9 m以下以粉細(xì)砂為主，局部夾低液限粉土透鏡體，該層粉細(xì)砂7～15 m范圍內(nèi)有液化可能性。（2）副壩壩基局部有地震液化可能性，其中0+000～2+685 m段主要分布于壩基4 m 以上粉土質(zhì)砂透鏡體中，2+685～8+767 m 段主要分布于壩基8 m 以上低液限粉土及粉土質(zhì)砂層中。

表2 主壩壩基標(biāo)貫試驗(yàn)結(jié)果及液化可能性評(píng)判Table 2 Standard penetration test results and evaluation of liquefaction possibility of the main dam foundation

表3 副壩壩基標(biāo)貫試驗(yàn)結(jié)果及液化可能性評(píng)判Table 3 Standard penetration test results and evaluation of liquefaction possibility of the auxiliary dam foundation

3.2 壩體裂縫分析

西克爾水庫(kù)壩體為低液限黏土和低液限粉土為主的均質(zhì)壩。其中低液限粉土黏粒（d＜0.005 mm）顆粒含量小于15%，飽和動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)c=25 kPa、Φ=10°，約為1/3靜強(qiáng)度。該類飽和土在周期性動(dòng)應(yīng)力作用下，孔隙水壓力隨震次的增加而增加。在往復(fù)的震動(dòng)作用下，土體的孔隙水壓力增長(zhǎng)加劇，土骨架的體變迅速增長(zhǎng)，土的強(qiáng)度降低，出現(xiàn)類似砂土液化的斷裂破壞（εf=15%）現(xiàn)象。特別是垂直于壩軸線的地震橫波震動(dòng)，導(dǎo)致壩體加速產(chǎn)生縱向裂縫。

西克爾水庫(kù)原設(shè)計(jì)未考慮抗震因素，建庫(kù)時(shí)未采取任何抗震工程措施。壩體填筑為人工夯填，壩體壓實(shí)度較低，1996年壩體探坑資料反映壓實(shí)度僅為0.92，2020年探坑資料反映壩體壓實(shí)度為0.97～0.99，說(shuō)明在多次地震作用下，壩體土顆粒有變緊密的趨勢(shì)。

4 處理措施建議

西克爾水庫(kù)建于地震多發(fā)區(qū)，工程條件先天不足，壩體碾壓不密實(shí)，壩基位于易液化的粉土質(zhì)砂和粉細(xì)砂地層上，且原設(shè)計(jì)未考慮抗震措施，導(dǎo)致水庫(kù)自建成后一直處于地震高風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)行狀態(tài)。約每10年一次的震損使下游1.5萬(wàn)人民生命財(cái)產(chǎn)安全和17 333萬(wàn)m2耕地灌溉用水受到嚴(yán)重影響，因此對(duì)水庫(kù)進(jìn)行一次系統(tǒng)的除險(xiǎn)加固非常必要。根據(jù)水庫(kù)大壩歷次震損情況及抗震安全分析結(jié)論，建議采取如下主要處理措施：

（1）因壩基及主要建筑物基礎(chǔ)7～9 m 以上以低液限黏土和低液限粉土為主，夾粉土質(zhì)砂和粉細(xì)砂層，為防止壩基局部淺層液化，以及壩體因地震產(chǎn)生裂縫，建議對(duì)壩體與壩基采用高壓旋噴注漿處理，對(duì)主要建筑物基礎(chǔ)采用高壓旋噴注漿圍封處理，同時(shí)對(duì)壩體增加排水減壓措施。

（2）壩后排水和蓋重。歷次震損后加固措施均以增加壩后蓋重為主，且只對(duì)出現(xiàn)破壞或液化部分增設(shè)排水和蓋重，未形成全壩段壩后排水系統(tǒng)，未形成整體壩后蓋重且段面偏小，未統(tǒng)一回填壩后取土坑，導(dǎo)致形成了基礎(chǔ)液化后的溢出通道，建議重新設(shè)計(jì)壩后排水和蓋重系統(tǒng)。

（3）建議加高局部壩體，通過(guò)設(shè)置合理的壩頂超高補(bǔ)償動(dòng)態(tài)沉陷值，防止壩體因地震沉陷導(dǎo)致漫頂破壞。

（4）適度放緩坡度。建議對(duì)壩體進(jìn)行抗震穩(wěn)定計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果及抗震安全評(píng)價(jià)，采取針對(duì)性措施處理壩坡抗震穩(wěn)定問(wèn)題，如：將校核洪水位以上的上下游壩坡適當(dāng)放緩，在校核洪水位位置設(shè)置馬道平臺(tái)，以抗擊動(dòng)荷載；上游防浪護(hù)坡可采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，適度加大板厚；壩后坡可采用砂礫石網(wǎng)格護(hù)坡。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）西克爾水庫(kù)位于地震多發(fā)區(qū)，建成后約每10年經(jīng)受一次地震，地震震級(jí)5.8～6.9級(jí)，水庫(kù)地面烈度Ⅶ～Ⅷ度。

（2）水庫(kù)工程條件先天不足，壩體施工質(zhì)量差，碾壓不密實(shí)。每次地震均造成水庫(kù)大壩不同程度破壞，歷次震損均出現(xiàn)壩體裂縫和噴水冒砂，第一次地震出現(xiàn)了局部潰決，第六次地震出現(xiàn)了局部砂土液化。壩體震損與震級(jí)密切相關(guān)，震級(jí)越高，震損越嚴(yán)重。

（3）抗震安全分析表明，主壩和副壩壩基局部有地震液化可能性，液化土多為低液限粉土和粉土質(zhì)砂。地震使壩體易產(chǎn)生裂縫，特別是地震橫波，易導(dǎo)致壩體產(chǎn)生縱向裂縫。

（4）原設(shè)計(jì)未考慮抗震措施，歷次震損后加固措施均以增加壩后蓋重為主，未形成系統(tǒng)加固措施，導(dǎo)致水庫(kù)自建成后一直處于地震高風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)下游1.5萬(wàn)人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大威脅，因此對(duì)水庫(kù)進(jìn)行系統(tǒng)的除險(xiǎn)加固非常必要。