水利工程震害中土工結(jié)構(gòu)低應(yīng)力破壞實例分析

楊玉生 ，溫彥鋒 ，劉小生 ，趙劍明 ，劉啟旺

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100048；2.中國水利水電科學(xué)研究院 水利部水工程建設(shè)與安全重點實驗室，北京 100048）

1 引 言

在工程實踐中，對地基或土工構(gòu)筑物大多從抗滑穩(wěn)定性、容許變形量和液化可能性等方面來評價其安全性。這些評價與材料的強度、變形和動力液化性質(zhì)密切相關(guān)。在相關(guān)的研究中，通常人們更多地重視中、高應(yīng)力狀態(tài)下土石料的力學(xué)性質(zhì)和土石料計算參數(shù)的取值，而很少關(guān)注低應(yīng)力條件下土石料的性質(zhì)和相應(yīng)的計算參數(shù)取值。筆者廣泛查閱了中文、英文和日文資料（國家科技文獻中心中文、英文和日文數(shù)據(jù)庫），發(fā)現(xiàn)研究低應(yīng)力下土石料工程性質(zhì)的資料十分有限。因此，低應(yīng)力條件下土石料的工程性質(zhì)研究是長期以來被忽視的問題。

本文總結(jié)了與低應(yīng)力條件相關(guān)的工程活動、地震中發(fā)生滑坡的堤防和土石壩工程案例以及地基液化案例，在對發(fā)生滑坡和液化案例的應(yīng)力條件分析的基礎(chǔ)上，指出地震中土工構(gòu)筑物的滑坡和地基液化大多發(fā)生在較低的應(yīng)力條件下，結(jié)合目前土石料工程性質(zhì)研究及應(yīng)用中存在的問題，闡述開展低應(yīng)力下土石料工程性質(zhì)研究的意義，以期拋磚引玉，引起研究者對低應(yīng)力下土石料工程性質(zhì)研究的重視。

2 與低應(yīng)力條件相關(guān)的工程活動

實際的工程問題，如河口三角洲開發(fā)、列車振動作用下鐵路碎石路基的變形和穩(wěn)定、土石壩邊坡淺層和堤防的穩(wěn)定性以及地基淺層土體在地震作用下的反應(yīng)，均與土石料在低應(yīng)力條件下的性質(zhì)密切相關(guān)。近年來，原位試驗日益受到重視，尤其是在土石壩工程領(lǐng)域，覆蓋層和大粒徑壩料工程性質(zhì)的測定，除采用常規(guī)在現(xiàn)場取散裝樣運至實驗室，并按密度（干密度或相對密度）控制重新制樣進行室內(nèi)模擬試驗的方法來確定外，將越來越多地依賴原位現(xiàn)場試驗。同時，壩體或地基淺層原位現(xiàn)場試驗成果的判識，也離不開對低應(yīng)力下土石料工程性質(zhì)的把握。另外，在土工抗震領(lǐng)域，1g下的邊坡和土石壩振動臺模型試驗，依然是了解和評價邊坡和高土石壩地震破壞形態(tài)及主要影響因素的重要手段。但除了尺寸上的顯著差別外，模型與原型材料所處應(yīng)力狀態(tài)差異顯著是最根本的不同。要了解模型試驗成果在多大程度上能夠反映原型的性質(zhì)，不僅需要了解原型在實際的中、高應(yīng)力條件下的工程性質(zhì)，也需要把握低應(yīng)力條件下模型土石料的工程性質(zhì)，以作為模型試驗結(jié)果推廣應(yīng)用到實際壩的推廣依據(jù)。目前大多數(shù)地震動力反應(yīng)計算程序的驗證，所依據(jù)的試驗手段依然主要是1g下的振動臺模型試驗，這種對計算程序的驗證所需的計算參數(shù)也應(yīng)與模型土石料的低應(yīng)力條件相匹配。此外，未來的月球開發(fā)也面臨低應(yīng)力下月壤[1]的工程性質(zhì)問題。

3 地震中的滑坡和液化案例分析

土石壩振動臺模型試驗表明，壩坡頂部和壩體表層是抗震的薄弱環(huán)節(jié)，其一般的破壞形式為壩坡土體的淺層滑動[2]。震害調(diào)查也表明，淺層滑坡是土壩、土堤和土石壩震害的主要表現(xiàn)形式之一[3]。因此，堤防和土石壩的安全與低應(yīng)力下土的工程性質(zhì)密切相關(guān)。在已有的地震震害調(diào)查中，液化發(fā)生的深度大多在15 m以內(nèi)，得到確認(rèn)的液化深度在20 m以上的深層液化案例很少。

3.1 堤防滑坡

一般來說，堤防的的高度較小，大多在地面以上2～3 m，高的也不過5～6 m。因此，堤身土體和地基一般處于較低的應(yīng)力狀態(tài)下。在遭遇地震時，堤身往往容易出現(xiàn)裂縫、滑坡、塌陷等震害，或者由于地基液化而導(dǎo)致滑坡和塌陷同時出現(xiàn)，引起堤身下陷。如 1966年邢臺地震、1993年 Hokkaido-Nansei-oki地震、1995年的Hyogoken-Nambu地震和2003年的Tokachi-oki中，很多3～6 m高的堤防由于地基液化而發(fā)生了嚴(yán)重震害。

1966年3月8日和22日河北邢臺地震中，地震烈度Ⅷ度和Ⅷ度以上地區(qū)內(nèi)的滏陽河系堤防和河岸遭到了嚴(yán)重破壞，這主要是由于河岸和堤基中存在易液化砂層（如渾河、太子河和遼河堤防）或軟弱黏土（如澧河堤防）[4]。圖 1(a)為Ⅸ度區(qū)內(nèi)左堤岸由于飽和砂層透鏡體液化引起的震害破壞情況示例，圖1(b)為Ⅷ度區(qū)內(nèi)澧河堤岸由于薄砂層下軟弱黏土薄層滑動引起的震害示例。

圖1 1966年邢臺地震中的堤防震害示例[4]Fig.1 Damage to levees during Xingtai earthquake in 1966

2003年9月26日的日本Tokachi-oki地震（震級M=8.1級）中，距震中125 km（實測最大地震加速度為0.4g）的Tokachi河堤（高6 m）出現(xiàn)大面積滑坡，滑坡體橫向位移為 3.65 km，豎向沉陷為2 m（見圖2）[5]。1993年Kushiro-oki地震中，該地區(qū)的河堤也發(fā)生了類似的震害。

圖2 Tokachi河堤滑坡（右岸，距河口3.5 km）[5]Fig.2 Collapse of slope of Tokachi river dike(right bank, 3.5 km from river mouth)

3.2 壩體滑坡

3.2.1 Kitayama壩[6]

Kitayama壩為坐落在風(fēng)化花崗巖地基上的心墻堆石壩，壩高為25 m。壩殼料主要由粉碎的花崗巖料構(gòu)成，壩體上游區(qū)壩殼料的最大粒徑為9.5 mm，不均勻系數(shù)為300，粉粒和黏粒的過篩率約為20%。壩體壓實度超過100%。1995年日本Kobe地震（震級M=7.1級）中，Kitayama壩距震中33 km，壩址基巖加速度為0.3g。地震引起庫上游坡發(fā)生滑坡，滑坡體頂部在地震時庫水位以下1.0～1.5 m，滑坡體長為100 m（沿壩軸向），滑坡深度為1.5～2.0 m。圖3為Kobe地震中Kitayama壩震損情況。圖4為壩體橫斷面試坑開挖確定的滑動面。

圖4 壩體橫斷面試坑開挖確定的滑動面[6]Fig.4 Cross-section of sliding failure by pit excavation investigation

3.2.2 密云水庫白河主壩[3,7]

白河主壩壩基為40 m厚的砂卵石及卵石覆蓋層，為黏土斜墻砂礫石壩，壩高為66.4 m，壩長為960.2 m。1976年7月28日唐山7.8級地震中，距震中150 km，處于Ⅵ度區(qū)的白河主壩上游黏土斜墻砂礫料保護層發(fā)生液化，導(dǎo)致保護層砂礫料發(fā)生了近于全壩長的滑坡，但防滲斜墻基本完好，只受到小面積的淺層擦傷破壞，破壞較嚴(yán)重地段的起點高程為138～142 m，在地震時庫水位附近（138.4 m），破壞輕微地段滑坡滑動起點高程在庫水位以下的130～133 m高程附近，見圖5所示。白河主壩保護層砂礫料級配不連續(xù)，缺少1～5 mm的中間粒徑，實際上是均勻卵石與中細砂混合料，大于5 mm的粗料平均含量為61.3%，小于5 mm的細料的平均粒徑d50為0.285 mm，有效粒徑d10為0.096 mm，不均勻系數(shù)為3.73。設(shè)計時未提出相對密度要求，按設(shè)計干重度依據(jù)最大、最小孔隙比換算相對密度僅為0.6。

圖5 唐山地震中白河主壩震害示意圖[3]Fig.5 Damage to Baihe earth dam due to Tangshan earthquake

3.2.3 石門土壩[3]

石門土壩為黏土心墻砂礫石壩，坐落在厚 3～5 m的砂礫石層上，壩高為46 m，壩長為338 m。石門水庫砂礫料壩殼施工時未經(jīng)專門碾壓，礫質(zhì)砂處于相對疏松狀態(tài)。1976年海城地震中，石門土壩距震中33 km，地震中上游發(fā)生較大滑坡，壩高35 m以下普遍滑動，滑動面積達 15×104m2，體積為3×104m3，滑坡最大深度為4.7 m。石門土壩震害如圖6所示。

圖6 海城地震中石門土壩震害示意圖[3]Fig.6 Damage to Shimen earth dam during Haicheng earthquake

3.2.4 Bhuj地震中的壩體滑坡[8]

Chang壩建于1959年，為寬心墻土壩，壩高為15.5 m，壩長為370 m。壩基沖積覆蓋層為松散到中密狀態(tài)的砂和淤泥的混合物，在最初設(shè)計時未考慮覆蓋層可能液化的問題。Bhuj地震時基本上處于空庫狀態(tài)，但壩基覆蓋層基本上處于飽和狀態(tài)。地震中壩基覆蓋層液化，幾乎導(dǎo)致整個壩體滑坡塌陷（見圖7）。

圖7 Bhuj 地震中Chang壩震害示意圖[8]Fig.7 Damage to Chang dam during Bhuj earthquake

Fatehgadh壩建于 1979年，為心墻土壩，最大壩高為11.6 m，壩長為4 050 m。壩基覆蓋層為松散到中密狀態(tài)的粉土和砂的混合物，厚度為2～5 m，標(biāo)貫擊數(shù)N為13～19擊。地震時水庫基本上處于空庫狀態(tài)，但壩體上游下可液化覆蓋層處于飽和狀態(tài)。地震引起上游坡坡腳處和下游坡頂部發(fā)生滑坡，滑坡最大深度分別約為1.0 m和1.5 m，如圖8所示。

圖8 Bhuj 地震中Fatehgadh壩震害[8]Fig.8 Damage to Fatehgadh dam during Bhuj earthquake

Kaswati壩建于1973年，為心墻土壩，壩高為8.8 m，壩長為1 455 m。壩基為松散到中密狀態(tài)的砂和淤泥混合物沖積層。壩址處有2～5 m厚的粗粒土覆蓋層（N=13～19擊），其下為相對較密實的粗粒土（N=25擊以上）。地震時水庫接近空庫，但上游壩殼下沖積層處于飽和狀態(tài)，地震引起上游坡下部發(fā)生淺層滑坡，滑坡深度約為 0.8 m，壩腳處隆起，如圖9所示。

圖9 Bhuj地震中Kaswati壩震害[8]Fig.9 Damage to Kaswati dam during Bhuj earthquake

Shivlakha壩為分區(qū)土壩，壩高為18 m，建于1954年，壩基為砂和粉土混合物。地震中上游壩殼下壩基液化，導(dǎo)致上游發(fā)生滑坡，滑坡深度約5.5 m，如圖10所示。

此外，在地震中，Rudramata，Suvi和Tapar等幾座分區(qū)土壩上游壩趾附近的壩基覆蓋層可能發(fā)生了液化，上游壩坡也發(fā)生淺層滑坡。

圖10 Bhuj 地震中Shivlakha壩震害[8]Fig.10 Damage to Shivlakha dam during Bhuj earthquake

3.2.5 西克爾水庫土壩滑坡[3]

西克爾土壩建于1959年，全長為13 km，壩高為1.0～7.1 m。壩基為表層較松的砂土、粉質(zhì)土及黏性土互層（距地表 2 m 以內(nèi)干重度約 12.0～14.0 kN/m3），壩身為砂壤土碾壓均質(zhì)土壩（干重度為15.6～17.5 kN/m3）。在1961年4月13日新疆巴楚6.8級地震中，距震中35 km位于Ⅷ度區(qū)的西克爾土壩發(fā)生了221 m壩段的嚴(yán)重沉陷和滑坡，壩頂中部下陷約1.0 m以上，壩肩下陷0.3 m，下游坡緩，地基隆起破裂，并普遍向下游推移35～50 m，上游坡亦有向水庫內(nèi)推移的跡象，該段壩高在地震破壞前約4 m，水深1.5 m。

3.2.6 1969年渤海灣地震中黏土心墻砂殼壩的滑坡[3]

1969年7月18日山東省渤海灣內(nèi)發(fā)生7.2級地震，山東省Ⅵ度區(qū)內(nèi)幾座土壩的上游坡發(fā)生了流動性滑坡，其中比較典型的是王屋水庫、冶源水庫和黃山水庫等幾座黏土心墻砂殼壩。

王屋水庫為黏土寬心墻砂殼壩，最大壩高為26.5 m，壩頂長761 m。黏土心墻是經(jīng)過碾壓的，但沒有嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn)，砂殼僅由人工拋倒松砂而成。震前王屋水庫大壩主河槽附近由于蓄水先后發(fā)生過4次滑坡，每次滑坡后都采用松砂回填并拋少量塊石修復(fù)。1969年渤海灣地震中，在上游砂殼原來的滑坡部位，發(fā)生了兩個更大規(guī)模的流動性滑坡，最大滑坡深度約5 m，滑坡頂距壩頂分別為3 m和10 m，滑脫方量各為39 000 m3和3 000 m3，如圖11所示。

圖11 渤海灣地震中王屋水庫震害[3]Fig.11 Damage to Wangwu reservoir during Bohaiwan earthquake

圖12 渤海灣地震中冶源土壩震害[3]Fig.12 Damage to Yeyuan dam during Bohaiwan earthquake

冶源土壩最大壩高為25.7 m，壩頂長為615 m。黏土心墻曾被碾壓至干重度為16.5 kN/m3，砂殼用松砂拋填。地震中主壩上游在砂殼壩頂下6 m處發(fā)生滑坡，滑坡長度為104 m，面積為3 328 m2，方量為9 400 m3，滑坡面距原壩坡平面平均深約3 m，最大深度為4.9 m，如圖12所示。

黃山水庫為黏土寬心墻砂殼壩，最大壩高為16.69 m，壩頂長860 m。施工中心墻分層碾壓，砂殼未予壓實。地震中上游壩殼發(fā)生了3個大小不等的滑坡段，后開閘放水，水位降低后又發(fā)現(xiàn)了1個小滑坡。每段滑坡長18～20 m，深5～6 m。

3.3 地基液化

歷次大地震中，嚴(yán)重的震害很多都與土體液化密切相關(guān)。考察這些液化案例的應(yīng)力條件，在搜集整理歷次大地震中的液化數(shù)據(jù)資料基礎(chǔ)上，繪制液化砂層中點上覆有效應(yīng)力與中心點距地下水位深度圖，如圖13所示。

圖13中共包含106組地震液化數(shù)據(jù)。由圖可見，液化砂層的上覆有效應(yīng)力大多在100 kPa以內(nèi)，共97組，100～150 kPa之間的僅有8組，而超過150 kPa的僅有1組。對液化深度的統(tǒng)計分析表明，液化發(fā)生的深度絕大部分在10 m以內(nèi)，少數(shù)在10～15 m之間。由此可知，液化大多發(fā)生在上覆有效應(yīng)力小于150 kPa，尤其是小于100 kPa的地基淺層。為進一步說明上覆有效應(yīng)力對液化的影響，以1964年Nigata地震液化數(shù)據(jù)和1976年唐山地震陡河水庫地基砂層液化數(shù)據(jù)為例進行分析。

圖13 液化砂層的上覆有效應(yīng)力統(tǒng)計Fig.13 Statistics on overburden effective stress of liquefied sand layer

表1給出了1964年Nigata地震（M=7.5級）中不同地點砂層上覆有效應(yīng)力與是否液化的對照情況，并繪于圖14。由表1、圖14可見，當(dāng)上覆有效應(yīng)力小于60 kPa時，砂層均發(fā)生液化。在原始數(shù)據(jù)中，Rail Road-2不能確定是否液化，但從本次地震中其他點的上覆有效應(yīng)力情況看，該點應(yīng)該是沒有發(fā)生液化的。

表1 1964年Nigata地震（M=7.5）砂層上覆有效應(yīng)力與液化情況對照表[9]Table 1 Situation of liquefaction and the values of overburden effective stress during Nigata earthquake (M=7.5)in 1964

圖14 Nigata地震中砂層的液化情況Fig.14 Liquefaction in Nigata earthquake

1976年唐山發(fā)生7.8級地震，陡河水庫壩址距震中20 km，壩址區(qū)地震烈度為Ⅸ度強。地震中陡河壩坡腳及下游地段較大范圍內(nèi)出現(xiàn)噴水冒砂[10]。震后在噴水冒砂比較集中的地區(qū)和未噴水冒砂的地區(qū)進行了勘探試驗。據(jù)此獲得的有效上覆壓力與噴水冒砂情況如表2和圖15所示。

由表2、圖15可知，當(dāng)砂層上覆有效應(yīng)力σv′≥93 kPa時，砂層未液化；當(dāng)砂層上覆有效應(yīng)力σv′≤88 kPa時，砂層均發(fā)生液化。

通過對圖13～15和表1、2的分析可獲得如下認(rèn)識：

（1）液化大多發(fā)生在上覆有效應(yīng)力小于100 kPa的低應(yīng)力條件下，已有的液化案例中很少有上覆有效應(yīng)力超過200 kPa的情形出現(xiàn)。

（2）地震動條件相近、土性相近的土層，當(dāng)上覆應(yīng)力較小時發(fā)生液化，而上覆應(yīng)力達到一定值時，就不會發(fā)生液化。

表2 唐山地震中陡河水庫主壩坡腳地基砂層上覆有效應(yīng)力及冒水噴砂情況對照表[10]Table 2 Situation of sand boil and the values of effective overburden stress for the foundation of Douhe reservoir’s foundation in Tangshan earthquake

圖15 陡河水庫地基砂層的液化情況Fig.15 Liquefaction of Douhe reservoir’s foundation in Tangshan earthquake

4 研究和應(yīng)用中存在的問題

伴隨著高土石壩工程的建設(shè)，目前對土石料在中、高應(yīng)力條件下工程性質(zhì)的研究資料很多，但對低應(yīng)力條件下土石料工程性質(zhì)的研究資料很少。不同研究者對土石料在低應(yīng)力條件下的靜、動力強度和變形性質(zhì)的研究結(jié)論也不盡一致。如Ponce等[11]和Yoshikazu等[12]的研究表明，低圍壓下砂土內(nèi)摩擦角隨圍壓的減小顯著增大。而Tatsuoka等[13]通過扭剪試驗研究表明，在30～100 kPa范圍內(nèi)，圍壓對砂土峰值內(nèi)摩擦角的影響很小，甚至可以忽略。Agustian等[14]通過排水三軸壓縮試驗對礦渣的變形和強度特性的研究表明，在10～80 kPa約束應(yīng)力范圍內(nèi)，圍壓對內(nèi)摩擦角的影響很小。Sayeed等[15]采用三維離散元程序?qū)α畈牧系难芯勘砻鳎诩s束應(yīng)力為5～20 kPa的范圍內(nèi)，內(nèi)摩擦角受約束應(yīng)力的影響很小；當(dāng)約束應(yīng)力超過50 kPa時，內(nèi)摩擦角隨約束應(yīng)力的增大而降低，詹傳妮等[16]對礫石土的試驗研究也得到了相同的結(jié)論。此外，不同研究者對低圍壓下圍壓對應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和剪脹性的影響的結(jié)論也不盡一致。這些研究表明：高、中、低應(yīng)力條件下土石料的強度和應(yīng)力、應(yīng)變、剪脹性質(zhì)是不同的；低應(yīng)力下有關(guān)土石料強度和變形性質(zhì)的研究還很不充分，一些問題還未達成共識。

目前，在處理工程問題時，通常只進行中、高應(yīng)力條件下的試驗，并據(jù)此確定數(shù)值計算中的計算參數(shù)。在數(shù)值計算中，基本上依據(jù)室內(nèi)中、高應(yīng)力下土的強度和變形試驗結(jié)果進行土工構(gòu)筑物和地基的變形和穩(wěn)定分析，對處于土工構(gòu)筑物表層或地基淺層的土體，也均以中、高應(yīng)力條件下獲得的試驗參數(shù)作為計算參數(shù)，這與實際應(yīng)力條件是不相符的。而高、低應(yīng)力-應(yīng)變條件下土石料的強度和變形變性特性差異較大，因此，這種取值方法的適用性存在疑慮。對地震液化數(shù)據(jù)的分析和地震中堤防、土石壩工程破壞實例的分析表明，地震引起的液化和堤防、土石壩的嚴(yán)重震害，基本上都是在100 kPa以內(nèi)的低應(yīng)力條件下。因此，只關(guān)注中、高應(yīng)力條件下土石料的工程性質(zhì)，忽略低應(yīng)力條件下土石料的工程性質(zhì)研究的現(xiàn)狀，與地基和土工構(gòu)筑物的破壞大多發(fā)生在100 kPa以下的低應(yīng)力條件下的情況不相適應(yīng)。

5 結(jié) 論

（1）在工程建設(shè)中，河口三角洲的開發(fā)和近海工程建設(shè)、鐵路碎石路基的設(shè)計和維護、堤防和土石壩工程建設(shè)、未來月球資源開發(fā)等均與低應(yīng)力條件下土石料的工程性質(zhì)密切相關(guān)。對邊坡與土石壩等土工構(gòu)筑物的振動臺模型試驗成果和地基淺層原位試驗成果的的判釋和應(yīng)用，也離不開對低應(yīng)力條件下土石料工程性質(zhì)的把握。

（2）地震中堤防的失穩(wěn)與滑坡和土石壩的滑坡等嚴(yán)重震害，滑坡深度大多在7 m以內(nèi)，基本上都是發(fā)生在100 kPa以內(nèi)的低應(yīng)力條件下。地震中的地基液化大多發(fā)生在上覆有效應(yīng)力不超過 100 kPa的低應(yīng)力條件下，少量發(fā)生在100～150 kPa范圍內(nèi)，當(dāng)上覆有效應(yīng)力超過150 kPa時，很少有液化發(fā)生。

（3）目前在研究中通常只關(guān)注中、高應(yīng)力條件下土石料的工程性質(zhì)，往往忽略了低應(yīng)力條件下土石料的工程性質(zhì)，這與地基和土工構(gòu)筑物的破壞大多發(fā)生在100 kPa以內(nèi)的低應(yīng)力條件不相適應(yīng)。

（4）高、中、低應(yīng)力條件下土石料的強度和變性特性是不同的，實際工程中處于低應(yīng)力區(qū)土石料所處狀態(tài)與試驗條件差異較大。在應(yīng)用中，低應(yīng)力區(qū)的土石料計算參數(shù)取值通常與中、高應(yīng)力條件下獲得的強度和變形參數(shù)一致，這種計算參數(shù)取值的適用性存在疑慮。

因此，研究低應(yīng)力條件下土石料的工程性質(zhì)，探討低應(yīng)力條件下土石料計算參數(shù)的取值方法，可以為低應(yīng)力條件下的相關(guān)工程的設(shè)計和安全評價提供支持，具有重要的工程意義和科學(xué)價值。

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