土石壩的震害類型研究

陳正

【摘 要】統計以往國內外土石壩的震害資料，分析地震對土石壩的破壞類型主要有滑坡、水平位移、滲漏、震陷、裂縫，面板與河谷接縫發生變位，面板間的施工縫錯臺、脫空及被擠壓，壩頂防浪墻開裂和被擠壓等。得到在地震荷載作用下，土石壩的震害類型主要有永久變形、滑坡失穩、液化、防滲體破壞和次生破壞等，而且這些震害常常不是單獨出現，其機理也相互耦合。

【關鍵詞】震害；土石壩；破壞

中圖分類號： TU411 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）34-0196-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.34.081

Study on seismic damage types of earth rockfill dams

CHEN Zheng

（Zhenjiang source building design Consulting Co.， Ltd.， Jiangsu Zhenjiang 212000， China）

【Abstract】The seismic damage data of earth and rockfill dams at home and abroad are analyzed， and the damage types of earth and rock dams are mainly landslides， horizontal displacement， leakage， seismic subsidence and cracks， and the joints between the panels and the valley are changed， the construction joints between the panels， the dislocation and the extrusion， the crack and the extrusion of the top of the dam， and so on. Under the action of seismic load， the earthquake damage types of earth rockfill dams mainly include permanent deformation， landslide instability， liquefaction， seepage prevention and secondary destruction， and these earthquake damage often do not appear separately， and their mechanism is coupled with each other.

【Key words】Earthquake damage； Earth rock dam； Destruction

統計以往國內外土石壩的震害資料、分析大壩的震害類型和機理，不僅可以檢驗以往的抗震設計理論的合理性，而且也是推動土石壩抗震新理論、新數值分析方法和新抗震加固措施發展的基礎，對我國的高土石壩建設是一項有重大實際意義的基礎性工作。

1 地震對土石壩的破壞

國內外有較多的土石壩遭受地震的考驗。有些出現了明顯的震害甚至失事，如美國的謝菲爾德壩、下圣費南多壩、柯爾曼壩、羅吉斯壩等都因地震造成嚴重破壞，甚至喪失使用功能；我國的密云白河土壩、陡河土壩、荒山土壩、石門土壩等都曾因地震而發生滑坡、滲漏、震陷、裂縫等震害[1]。1999年臺灣發生了震級為7.3級的地震，震中附近的石岡水壩右岸在地震中發生較大的垂直錯動，致使大壩三道溢洪道閘門結構嚴重毀損，從而使水壩喪失蓄水調節及引水功能，影響到中部地區兩百萬人口的用水。2008年5月12日，我國四川汶川發生了里氏8.0級的大地震，震中烈度Ⅺ度，地震震動時間80秒，這次地震持續時間長，是新中國成立以來強度最大、影響最廣的大地震。在這次地震中，共有2666座水庫受損，其中有69座大壩有潰壩險情的，均為土石壩。紫坪鋪面板堆石壩是世界上經歷過超強地震考驗的最高面板堆石壩，經過有關部門震后調查，大壩受到局部損傷，其主要震害有：大壩發生明顯震陷和發生較大的水平位移；面板與河谷接縫發生變位；部分面板間的施工縫錯臺、脫空及被擠壓破壞；壩頂防浪墻有部分開裂和擠壓破壞現象；大壩的下游坡面堆石料松動并向下滑移；大壩的滲漏量較地震前有所增加[2-5]。

2 土石壩的震害類型

總結國內外土石壩震害資料，在地震荷載作用下，土石壩的震害類型主要有永久變形、滑坡失穩、液化、防滲體破壞和次生破壞等，這些震害常常不是單獨出現，其機理也相互耦合，如大壩的水平永久變形和豎向永久變形（震陷）如果過大，壩體會產生水平和縱向裂縫，橫縫的發展往往會成為滲漏的通道，縱縫的發展往往是滑坡的先兆。大壩的滑坡可能會導致潰壩，又會引起次生災害水災。

（1）永久變形。包括震陷和水平永久變形，以及由它們產生的壩體裂縫和滲漏。壩體在地震作用下，筑壩材料的強度降低，塑性區擴大，導致壩頂的水平位移較大及壩面出現不同程度的下沉，壩體產生縱橫向裂縫，嚴重時可能出現塌陷與壩體滑坡等情況。如唐山地震中的高22m陡河陡河水庫土壩，地震造成大壩出現遍布壩體的100多條寬大的縱、橫向裂縫，且壩體發生大幅度沉陷和位移，防浪墻倒塌[6]。2008年紫坪鋪面板堆石壩受汶川大地震的影響出現明顯地震陷，其中最大震陷達744.3mm，占壩高的0.47%，壩頂最大的水平位移達到199.9mm。1976年唐山大地震中邱莊、洋河等土壩出現弧形裂縫，易引起滑坡。1973年日本北海道地震中Niwa-ikumin壩的最大沉降達到1.5～2m[7]。

（2）滑坡失穩。包括壩體滑坡及壩面淺層滑坡。當大壩在地震慣性力作用下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如滑動力大于抗滑力的時候，大壩整體或局部就會出現滑坡或崩塌等震害1971年唐山大地震中，我國壩高66m的密云水庫白河主壩，震后上游壩坡砂礫石保護層大規模坍滑。如1971年美國San Fernando 6.6級地震，造成San Fernando壩整個壩體發生大規模坍塌。1995年日本神戶地震中的kitayama壩，2001年印度布吉地震中的Shivlakha壩[8]。

（3）液化。包括壩基液化和反濾料液化。當土石壩的壩基含有易液化的砂土層以及壩基滲漏導致下游壩坡和壩基經常處于飽和狀態，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，甚至可能接近于零，這時土體完全喪失其抗剪強度，出現土體的液化現象。如唐山大地震中， 陡河土壩的壩腳出現噴水冒砂等液化現象

（4）防滲體破壞。包括混凝土面板破壞和防滲心墻破壞。大壩在地震作用下面板和心墻與壩體其它部位變形不協調，會使混凝土面板和防滲心墻產生破壞。如紫坪鋪面板堆石壩在地震作用下面板脫空，施工縫發生明顯錯臺，大壩防滲系統受到損傷。

（5）其它破壞。包括堰塞湖、潰壩引起的水災、壩體附屬結構破壞等。如1925年美國sheffield壩因地震發生潰壩[9]。2008年汶川大地震引起多處山體滑坡，在四川境內形成了具有一定規模的堰塞湖34座，其中有處于極高危險級的唐家山堰塞湖。海城、唐山和邢臺等地震造成較多水閘出現基礎變形、底板裂縫、啟閉機排架斷裂等震害。2002年阿富汗發生里氏7.1級地震， 造成新疆西克爾水庫水庫副壩段潰壩。此次水庫潰壩造成下游農戶受災、農田淹沒、渠道和道路損壞，沖壞橋涵和閘口兩座，共造成直接經濟損失756.82萬元。

3 結論

（1）地震對土石壩的破壞主要有滑坡、水平位移、滲漏、震陷、裂縫，面板與河谷接縫發生變位，面板間的施工縫錯臺、脫空及被擠壓，壩頂防浪墻開裂和被擠壓等。

（2）在地震荷載作用下，土石壩的震害類型主要有永久變形、滑坡失穩、液化、防滲體破壞和次生破壞等，這些震害常常不是單獨出現，其機理也相互耦合。

【參考文獻】

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[4]陳厚群，徐澤平，李敏.汶川大地震和大壩抗震安全[J]. 水利學報，2008（10）：1158-1167.

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[6]劉恢先.唐山大地震震害（第三冊）[M].北京：地震出版社，1986.

[7]日本電力土木技術協會編，陳慧遠，等譯.最新土石壩工程學[M].北京：水利水電出版社，1983.

[8]曹學興.深厚覆蓋層地基高土質心墻堆石壩抗震安全性研究[D].武漢：武漢大學博士畢業論文，2013.

[9]United States Committee on Large Dams. Observed Performance of Dams During Earthquakes， Volume Ⅱ[M].The United States of America： 2000.

[10]庫爾班.阿西木.地震對西克爾水庫大壩工程的影響和抗震加固[J].大壩與安全，2006，6：64-67.