土石壩抗震加固措施研究

陳小妮 馬雅慧

（1.扶風縣城關鎮水務管理站 陜西 扶風 722200；2.扶風縣官務水庫管理站 陜西 扶風 722200）

我國是世界上地震較多的國家之一，地震活動的分布范圍十分廣泛，基本地震烈度在Ⅵ度以上的地區占全國的60%以上。同時我國也是世界上修建水庫大壩最多的國家，這些水庫大壩有相當部分位于地震區，一旦發生地震將對水庫大壩造成不同程度的損害，嚴重者甚至出現潰壩，對下游人民的生命財產產生嚴重的危害。典型的如1975年我國海城發生7.3級地震，距震中約12km的王家坎水庫出現了多處縱橫向裂縫，壩頂沉降24.5cm，下游壩腳多處出現冒渾水；2008年汶川發生8.0級地震，各地區震損水庫達2000余座，高危震損水庫達400余座。從這些事例中可以看出，當前我們應該高度重視水庫大壩的抗震安全，重視水庫大壩的抗震加固技術的研究，以便對新修水庫采用合理可行的抗震設計方案、對已受震損的水庫大壩及時進行抗震加固處理。

1 土石壩震害類型及特點

通過國內外統計資料分析顯示，在強地震作用下土石壩經常出現的震損類型有：壩體塌陷、裂縫、滲漏、滑坡、土體液化、壩體附屬結構破壞等。

（1）壩體沉降與塌陷。壩體在地震作用下，由于土體的塑性區擴大，壩體強度降低，使得地震后壩頂及壩面出現不同程度的下沉，嚴重者可能出現塌陷與壩體滑坡等情況。

（2）壩體裂縫。地震后出現壩體裂縫是最常見的一種地震危害。震后裂縫按照裂縫的走向可分為縱向裂縫、橫向裂縫、水平裂縫。各種裂縫中以縱向裂縫最多，水平裂縫出現幾率最小。

（3）滲漏。滲漏是與壩體裂縫息息相關的，當壩體出現貫穿性裂縫或者壩基節理裂隙，由于地震作用被激活后會出現張開或錯動情況，這些都會引起壩體或壩基的滲漏，表現為土石壩的下游壩坡浸水、浸潤線抬高或壩基壩肩漏水等，情況嚴重者還會出現管涌、流土等。

（4）滑坡。在地震作用時，由于壩體受到地震慣性力的作用以及地震作用下壩內出現較大的超孔隙水壓力，使得壩體抗剪切強度急劇下降，從而使原穩定壩坡出現滑動失穩。滑坡多發生在土石壩壩體上游側壩坡上，若水庫水位較高時可導致壩體潰決。

（5）土體液化。在地震作用下，土體的孔隙水壓力會突然地升高，土顆粒之間的有效壓力會急劇下降，更甚者可能接近于零，這時土體完全喪失其抗剪強度，出現土體的液化現象。

（6）壩體附屬結構破壞。壩體附屬結構如防浪墻、護坡等可能由于地震出現斷裂、擠壓破壞、傾覆、沉陷、隆起、局部滑塌等。

2 土石壩抗震加固措施

對于土石壩而言，抗震加固的內容主要包括裂縫的處理、滲漏問題的處理、滑坡問題的處理以及土體液化的處理等，各種加固措施詳述如下：

（1）震損裂縫處理方法。一般而言，對裂縫的處理方法主要有：①開挖回填：即挖除裂縫周邊土體，至裂縫底部厚再進行回填處理，這是一種簡單易行又徹底可靠的方法，對于縱橫縫均可以使用。此方法適用于裂縫深度較淺的情況。②灌漿處理：當裂縫較深或裂縫處于壩體內部時，可采用灌漿處理的方法，常采用的灌漿材料有粘土漿和粘土水泥漿。另外，還可將兩種方法結合使用。兩種方法結合使用適用于裂縫深度很大，壩坡本身未產生滑動的情況。

（2）震損滲漏處理方法。震損滲漏也是土石壩地震破壞后常見的病害類型，主要的處理方法有：混凝土防滲墻、劈裂灌漿、膏狀穩定漿液灌漿、高壓噴射灌漿以及土工膜等。①混凝土防滲墻：此方法安全可靠，耐久性好，防滲性能高，是當前應用最廣泛的方法。②劈裂灌漿：劈裂灌漿不但能夠起到防滲的作用，而且能夠加密壩體，施工較方便。③土工膜防滲：防滲性能好，能夠很好的適應壩體的變形，施工速度、造價等均具有優勢。④高壓噴射灌漿：高壓噴射灌漿的施工速度較塊，但是它只能在土體中，不能進入巖層。

（3）震損滑坡處理方法。滑坡問題處理的方法一般有放緩壩坡、壓重固腳、導滲排水、加密壩體、置換材料或使用加筋結構等方法。地震導致壩體滑坡的主要原因是由于壩坡過陡，故可采用放緩壩坡的方法。同時滑坡體滑出壩趾以外，可采用在壩趾位置增加壓重的方法，以增大抗滑力。影響壩坡穩定性的還有壩體的滲透水流，地震時會產生超孔隙水壓力，這將導致壩體材料之間的有效壓力下降，壩體土料處于液化狀態，壩坡穩定性急劇下降，故加強排水、加密壩體、采用加筋結構、降低浸潤線等都是行之有效的方法。

（4）液化抗震加固方法。地震時土體液化加固的方法一般有振沖加密法、置換法、強夯發、拋石壓重以及排水等方法。一般對于可液化土層不厚的可以采用挖除置換，可液化土層較厚的采用振沖加密、強夯等方法。

3 土石壩抗震加固實例分析

3.1 工程概況

花涼亭水庫位于安徽省太湖縣境內的皖河支流長河上游，是一座以防洪、灌溉為主要任務的大（1）型水庫。工程地理位置為東經116°15′，北緯30°27′。水庫樞紐工程由攔河壩、溢洪道、泄洪隧洞、發電引水隧洞及發電站廠房組成。大壩為粘土心墻砂殼壩，最大壩高58 m，壩頂高程99.25 m，壩頂寬度6.7 m。上游壩坡分5級組成，壩坡坡比從上往下依次為1∶1.7、1∶2.5、1∶3.5和1∶3.5；下游壩坡也分5級組成，壩坡坡比從上往下依次為1∶2.1、1∶2.5、1∶3.0、1∶3.75和1∶1.8。依據《中國地震動參數區劃圖》（GB18306-2001），該工程區地震動反應譜特征周期為0.35 s，地震動峰值加速度為0.05 g，相應的基本地震烈度為Ⅵ度。

3.2 工程抗震隱患分析

花涼亭水庫大壩為一級壅水建筑物，其抗震設防類別為甲類，對整個樞紐工程的重要性較大，設計烈度取值比基本烈度高1度。同時花涼亭水庫總庫容達23.98億m3，庫容巨大，但是壩體又為抗震性能較差的粘土心墻砂殼壩，大壩一旦遭遇地震受損，將對下游人口、城鎮、公共設置產生重大影響，故必須嚴格做好花涼亭水庫的抗震安全問題。針對花涼亭水庫大壩現狀，確定其存在的抗震方面的主要問題如下：

（1）花涼亭水庫上游壩坡局部1∶1.7、下游壩坡局部1∶1.8、1∶2.1較陡，在地震工況下可能發生局部的失穩、塌陷破壞。

（2）花涼亭水庫大壩為粘土心墻砂殼壩，其相對密度較低，特別是上游壩坡部分在水位較高時，壩體大部分位于水下，處于飽和狀態，在地震作用下可能發生沙土液化的現象。

（3）花涼亭水庫大壩為粘土心墻砂殼壩，壩殼料主要為砂，在地震情況下極易產生液化現象，若不加以適當的處理加固，則會對整個壩體的穩定安全不利。

（4）花涼亭水庫大壩壩殼料為砂，但上下游壩坡均較陡，砂石料本身的穩定邊坡較緩，抵抗外荷載的能力較弱，故需對壩坡穩定性進行研究處理。

3.3 抗震加固措施

通過分析研究，確定對花涼亭水庫上游壩坡進行加固處理，參考水庫大壩抗震加固實例及方法，確定了兩個方案對花涼亭水庫上游壩坡進行加固，具體方案如下：

方案一：壩體材料置換與放緩壩坡相結合。考慮原粘土心墻砂殼壩壩殼料為砂土，地震易液化，故將上游壩坡一定范圍內的沙土置換，換為抗震性能好碎石料。同時考慮到上游坡較陡，可能產生滑坡的危險，故結合壩坡的局部穩定要求，將上游坡放緩。

方案二：壓重與放緩壩坡相結合。對于砂土壩殼，易產生液化現象，同時也存在自身的穩定性的問題，故將壩坡范圍內采用壓重方法增加穩定性，同時結合壓重將壩坡放緩，以此來提高水下沙土的抗液化能力。

兩方案從工程目的上來說均能夠滿足加固的要求，但是考慮該水庫的實際功效，在方案一實施施工過程中需要將水庫放空，形成干地施工條件，而花涼亭水庫的主要任務之一是給周圍城鎮供水，若放空水庫則周圍城鎮的供水問題難以解決。同時，為形成干地施工條件，抵抗施工期汛期洪水，還需做圍堰擋水，工程量較大。同時該水庫還有發電任務，若放空水庫發電損失也較大，故最終綜合考慮選擇了方案二作為最終的加固方案。

4 展望

我國的水庫大壩中有95%為土石壩，這其中又有許多位于地震區，研究土石壩的抗震加固措施，探討各種抗震加固方法的適用性、合理性具有重要的意義。當前，我國在結構抗震設計、抗震加固方法、抗震分析理論的方面有了長足的發展，但限于地震問題本身的復雜性，這些理論方法還有待于進一步的發展。

［1］薄景山，徐國棟，景立平.土邊坡地震反應及其動力穩定性分析述［J］．地震工程與工程振動，2001，21(2):116-110.

［2］李海波,肖克強,劉亞群.地震荷載作用下順層巖質邊坡安全系數分析[J].巖石力學與工程學報,2007,26(12):2385-2394.

［3］許春雷.高土石壩壩坡穩定的可靠性研究［D］.大連理工大學學位論文，2010．