水利工程震害中土工結構低應力破壞實例分析

李冰

摘 要：在實際的工程活動中，土工結構的低應力與之密切相關，該文以以往的地震現象導致的山體滑坡等問題為研究內容，對與低應力相關的各種工程活動進行了分析，多組地震液化數據告訴我們，山地液化發生的多數原因都是其上覆蓋的低應力低于100 kPa所引起的，認為當山體的坡度小于7 m的時候，其上的低應力應該被控制在100 kPa以上，因此，在今后的研究中應該重新探討地應力的土料參數的計算方法，重新考慮目前的參數取值方法的合理性與實用性。

關鍵詞：水利工程 震害 土工結構低應力破壞 實例分析

中圖分類號：TU411.93 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（c）-0234-01

在實際的施工過程中，對于地基或者土工結構的安全性的評價標準是其抗滑穩定性、液化的概率等指標，這些指標與土料的強度、變形和動力的變化都有很大的關系，有關報道指出，現階段對于水利工程的土料性質和相關計算參數的選擇方面的關注度并不高，使得地應力的設置缺少了更加科學的指導，筆者通過對各方面的資料的研究和分析，地應力有關的水利工程中因地震災害帶來的土工結構低應力的破壞實例做了分析，指出地震中的大多數滑坡或液化現象都發生在低應力小于100 kPa的情況下，認為低應力條件下的土料的性質應該得到廣泛的關注。

1 和低應力有關的工程活動分析

在工程實踐中，三角洲的開發與利用、鐵路碎石路基的設計與實施、堤壩的防護、乃至月球資源的開采都與土料在低應力環境中的性質有著密切的關系，這些年，原位實驗正在逐步受到人們的關注，尤其是在水利工程方面，對于大粒徑材料的性質的測定方法也得到了跟進，除了通過常規的現場采樣外還按照材料的密度的不同重新完成制樣，然后再在實驗室中進行模擬實驗，由此可見原位現場實驗已經得到了很廣泛的應用。與此同時，對地基進行原位實驗判斷時必須以地應力條件下的土料的性質的理解和把握為前提，在抗震方面，對邊坡實驗的進行和石壩破壞形態以及關鍵性的影響因素的了解的主要途徑還是邊坡和石壩震臺模擬實驗，不過除了尺寸上的差別，原型材料和模型所處的低應力也是非常不同的，所以為了使模型可以充分的反映原型材料的性質，就需要了解原型在實際工程中的低應力條件下的土料性質，然后再把實驗結果推廣到實際的工程中。

2 水利工程震害中土工結構低應力破壞實例

筆者在文中主要以堤壩滑坡和壩體滑坡兩種震中土工結構低應力破壞案例為例進行說明和闡述。

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5 m、6 m的樣子，所以，堤防本身以及其地基都是出于相對較低的低應力狀態下的，當發生地震時，非常容易出現裂縫、塌陷、滑坡等問題，另外，還可能因為地基的液化導致塌陷和滑坡一起發生，帶來的災害更大。比如：2003年發生在日本的震級為8.1級的Tokachi-oki地震中，在距離震中將近13 km的Tokachi堤壩發生了大規模的滑坡現象，導致堤身發生了將近3.7 km的橫向位移，并下沉了2 m，后經了解，Tokachi堤壩的高度為6 m。比如：發生在1996年的邢臺地震，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重的破壞，事后經過相關專家的煙具分析認為主要原因是堤防的河岸和地基中有大量的容易發生液化的砂層和軟泥，只要受到水的沖擊就會迅速瓦解。

2.2 壩體滑坡災害

壩體受到地震嚴重影響的案例以Kitayama類型的壩體為代表，這是一個處于風化的花崗巖地基上、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，壩體的壓實度超過了100%以上，比如1995年發生在日本的震級為7.1級的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，造成了水庫庫上游嚴重的壩體滑坡災害，地震過程中，滑坡頂部被淹沒在水庫的水位以下1～1.5 m的地方，軸向滑坡體的長度達到100 m之長，滑坡的深度達到1.5～2 m之間。

另外，還有密云水庫的白云主壩，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，壩體的長度達到960 m，在1976年的唐山大地震中，在與震中距離為150 km白河主壩的上游發生了黏土墻和砂礫的嚴重液化，致使壩體的保護層發生了進1000 km的滑坡災害，不過防護墻體基本是完好的，只是受到了輕微的淺層損傷，經事后的分析，發現白云主壩的保護層砂礫的配料不連續，沒有粒徑為1～5 mm的砂礫，大于5 mm的粗料的含量高達62%，小于5 mm的砂礫的平均粒徑只有0.29 mm左右，不均衡系數為3.8，在設計的過程中沒有提出相應的對于密度的嚴格的要求，從其原有設計來看，設計師對于重密度土料的關注度更高，根據最大和最小孔隙換算得到的相對密度僅為0.6。

3 結語

通過本文的說明，我們有理由相信，在工程的建設過程中，三角洲地區的合理開發、鐵路碎石路基的設計與實施、堤壩的防護和月球資源的開采都與低應力前提下的土石料的性質密切相關，地震中的提防的穩定性遭到破壞以及滑坡的發生給人們的生命財產安全帶來了極大的威脅，而實踐表明，大多數山體滑坡的深度在7 m以上的地方，其低應力都是小于100 kPa的，地震中的液化災害也都發生在100 kPa以下的低應力條件下，只有少數的災害出現在150 kPa以內，因此，相關專家應該改變以往的思路，對低應力下的土料的性質予以更多的關注，重新探討低應力條件下的土料的性質，改變涂料參數的取值方法，使低應力在工程設計的安全性方面發揮更大的作用。

參考文獻

[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研究[J].水力發電，2009（15）：60-62，89.

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

[3] 趙奎，何文，熊良宵，等.尾砂膠結充填體蠕變模型及在FLAC3D二次開發中的實驗研究[J].巖土力學，2012（S1）：112-116.