新疆喀什西克爾水庫震后除險加固設計

尹舒倩

(新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

1 工程概況

西克爾水庫位于新疆喀什噶爾流域克孜勒河下游，喀什地區伽師縣東北部西克爾鎮境內，距喀什市約160 km，距伽師縣城70 km，總庫容10 041萬m3，死庫容1 450萬m3，控制灌溉面積1.73萬hm2，是一座兼灌溉、養殖同時還承擔滯洪、調洪的大(2)型注入式平原水庫[1]。水庫工程主要由主壩、副壩、溢洪道、泄洪閘、放水涵洞及小放水閘等建筑物組成。主壩為均質土壩，壩長4 546.0 m，壩頂寬度8.5 m，最大壩高7.0 m;副壩為均質土壩，壩長8 768.0 m，最大壩高4.4 m。

根據GB 18306-2015《中國地震動參數區劃圖》中1∶400萬：工程區50年超越概率10%的地震動峰值加速度為0.20g，對應的地震基本烈度為Ⅷ度，屬區域構造穩定性差地區。

水庫始建于1958年4月，1959年初投入運行，后經1986、1996、1999—2000年和2005—2006年多次加固達到現狀規模。

2 “1·19”震后水庫震損情況

2020年1月19日21時27分，喀什地區伽師縣發生6.4級地震(39°49′48″N，72°12′36″E)，對水庫大壩及其他建筑物造成一定程度的破壞。

2.1 主壩震損情況分析

2.1.1壩體開裂

主壩0+507.00 m～2+133.00 m壩段，在“1·19”震后壩體壩頂、壩前坡、壩后坡出現10段不連續的縱向裂縫，裂縫最大寬度5 cm，見圖1，裂縫最大深度達4.3 m，見圖2，裂縫兩側呈鋸齒狀，未見錯動，為張性裂縫。其成因主要是由于在壩的橫斷面上壩身、壩基各部位變形的不協調所引起。

圖1 主壩壩頂裂縫縱向長度圖

圖2 壩頂裂縫尖滅深度圖

2.1.2壩基液化

據鉆孔資料，主壩壩基地層巖性主要為第四系低液限黏土、低液限粉土和粉土質砂。其中厚度5 m以上粉土質砂主要以薄層狀或透鏡體狀分布，地基土深度0.2～0.8 m以下處于飽和狀態，地震時細粒土排水不暢，粉土及粉質砂層產生地震液化(見圖3)。通過現場調查，“1·19”地震后在主壩壩后共發現4處地震液化冒水噴砂現象。

2.1.3壩后蓋重開裂

主壩0+507.00 m～0+890.00 m段壩后鋪有寬12～15 m、高1.0～1.5 m、邊坡坡比1∶1.5～1∶1.75的含礫粉土蓋重，蓋重坡腳處連續分布有取土坑，坑深0.5～0.8 m，坑內多有積水，“1·19”地震后蓋重邊坡產生了變形拉裂，導致下游坡腳處蓋重在2～5 m范圍內產生了拉裂縫，見圖4。

圖3 壩基地震液化現象圖

圖4 滑坡拉裂縫圖

2.1.4壩后滲水

主壩0+510.00 m～0+890.00 m段、1+100.00 m～2+340.00 m段、2+520.00 m～4+330.00 m段，壩后植被茂盛，多處低洼處有積水現象，見圖5。

圖5 壩后滲水圖

3 “1·19”震后水庫除險加固設計方案比選

本文針對壩體裂縫、抗震能力差、基礎地震液化和滲水等問題進行了多方案比選，并確定了最終推薦方案如下。

3.1 壩體裂縫處理措施比選

壩體裂縫處理的主要措施有開挖回填、灌漿處理、開完回填與灌漿處理相結合的3種裂縫處理方法。

(1) 開挖回填：即挖除裂縫周邊土體至裂縫底部后，再進行回填碾壓處理。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。該方法適用于裂縫深度較淺的情況，可有效改善壩體填筑質量，提高壩體整體穩定性。但對于裂縫深度較深的情況，開挖回填工程投資較高，需斟酌采用。

(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黏土漿和黏土水泥漿。該方法可有效充填壩體內部裂隙，尤其是裂縫深度較深并擴散的裂縫。

(3) 另外還可將兩者方法結合使用。2種方法結合使用適用于裂縫深度大，壩坡本身未產生滑動的情況。

“1·19”震后主壩壩體產生裂縫，裂縫主要發生在最大壩高7.0 m(0+507.00 m～2+133.00 m壩段)處，其他壩段無裂縫出現，裂縫最深尖滅深度為4.3 m。本次主要對0+507.00 m～2+133.00 m壩段裂縫處理采用3種方案進行比選設計。方案1為壩頂挖除4.3m后重新填筑碾壓；方案2為壩頂裂縫處采取黏土漿灌漿的處理方法；方案3為壩頂挖除1.8 m+黏土漿灌漿的處理方法。

主壩段0+507.00 m～2+133.00 m主要為張性裂縫，局部壩段裂縫連通性較好，大部分壩段裂縫連通性一般。1+065.00～1+480.00壩段裂縫尖滅深度最深，根據探坑揭露，其深度達4.3 m，裂縫張開度也最寬，達2～5 cm。其他壩段裂縫深度較淺，寬度較窄。方案1設計思想為主壩段樁號0+507.00 m～2+133.00 m主要為張性裂縫，壩頂一定深度范圍內的土體在地震后抗剪能力降低，壩體整體穩定性變差，為提高壩體整體抗震穩定性，對出現裂縫的壩段(主壩0+507.00 m～2+133.00 m)4.3 m深度范圍內全部挖除，重新填筑碾壓。方案2設計思想為對主壩段0+507.00 m～2+133.00 m范圍內的裂縫進行黏土漿灌漿處理，淺層裂縫在壩頂布置鉆機進行鉆灌，深層裂縫在壩坡布置鉆機先鉆孔達裂縫處，再開始灌漿。方案3設計思想為根據裂縫張開情況，對主壩段全段壩頂裂縫密度較高的上部1.8 m進行全部挖出，重新填筑碾壓。對1.8 m以下局部裂縫采取黏土漿灌漿，對深度較深、較擴散的裂縫進行充填，以提高壩體整體性。

方案1對0+507.00 m～2+133.00 m的裂縫范圍進行4.3 m深度的挖除重新填筑，對提高壩體填筑質量，增加壩體整體抗滑穩定性、防止壩體出現裂縫行之有效，是一種簡單易行又徹底可靠的方法。但其處理范圍大、深度深，工程投資較大，工程投資6 355.82萬元。方案2對0+507.00 m～2+133.00 m的裂縫范圍黏土漿灌漿處理，灌漿深度難以把握、灌漿工藝難以控制、灌漿效果難以評價，工程投資5 212.32萬元。方案3設計是將挖除回填和灌漿2種方法結合起來的一種方法，即壩頂挖除1.8 m并進行黏土漿灌漿壩體加固處理。該方法是可將表層較集中的張性裂縫挖除，但深層裂縫通過灌漿方法施工質量難以控制，灌注漿液和原壩體存在“兩層皮”的情況，灌漿效果難以評價，工程投資5 876.53萬元。

從可操作性、可靠性、經濟性等方面對3種裂縫處理方法進行了比較分析，通過分析可知，方案1雖然工程投資高，但其裂縫處理方法和效果簡單有效。方案2和方案3雖然工程投資低，但其灌漿效果、整體穩定性的提高情況都難以判定和評價。因此，為使壩體填筑效果得到有效改善，徹底解決壩體填筑碾壓不合格問題，消除再次出現裂縫的可能性，本次推薦采用方案1的裂縫處理方案，即挖除頂部4.3 m深度后重新填筑、碾壓。

3.2 壩體抗震措施比選

地震荷載作用下，土石壩壩體初始破壞一般為壩頂附近的壩坡面滑動，壩頂是抗震的關鍵部位。因此，應注重對壩頂的抗震加固。接近壩頂范圍(一般為1/5壩高)為抗震的關鍵部位，采取必要的工程措施有利于壩頂抗震。如在該范圍內可鋪設土工格柵、鋼筋網片、錨梁、錨墩等工程措施。

壩頂地震破壞主要是剪切破壞，為了防止壩頂的剪切破壞，通常在壩頂碾壓過程中加入土工格柵或鋼筋網片進行加固處理。土工格柵具有一定的彈性，剛度差；鋼筋網片剛度較好，抗震效果較好。新疆近年來土石壩抗震設計取得了較為顯著的成效。大石門水庫工程[2-5]、努爾水庫工程[6]采用土工格柵加筋的抗震處理措施，阿爾塔什[7]、卡拉貝利[8]、采用鋼筋網片的抗震處理措施[9-10]。吉林臺水庫工程采用的錨梁的抗震處理措施。

根據本工程的實際情況，通過參考類似工程，西克爾水庫壩頂抗震措施通過對土工格柵加筋、玻纖土工格柵和鋼筋網片3種常用的抗震措施進行比選。

方案1采用土工格柵加筋或玻纖土工格柵的抗震處理措施[11]。壩頂1.8 m范圍內壩體厚度薄，地震易產生滑移，因此壩頂1.8 m范圍內，由壩頂向下40、60、80 cm布置3層土工格柵加筋或玻纖土工格柵，每層土工格柵加筋或玻纖土工格柵間用原壩體拆除料回填，填筑標準以壓實度≥98%控制。土工格柵加筋或玻纖土工格柵插入護坡板鋼筋網片中，與鋼筋綁扎連接。

方案2采用鋼筋網片的抗震處理措施。鋼筋采用直徑?22 mm的鋼筋，鋼筋間排距500 mm，成網片鋪設。但西克爾水庫壩體填筑料氯離子較高，對鋼筋具有腐蝕性，該方案不合適。

從經濟、施工、合理性等方面進行比較。本工程土工格柵加筋工程造價659.87萬元，璃纖土工格柵工程投資649.99萬元，鋼筋網片工程投資584.07萬元。鋼筋網片雖然剛度強，抗震效果好，但其施工困難、周期長、抗腐蝕性差、層距大(一般大于5.0 m)。西克爾水庫壩體填筑料氯離子較高，對鋼筋具有腐蝕性。土工格柵加筋或玻纖土工格柵外部有一層保護材料可防止鋼筋被腐蝕。土工格柵加筋和璃纖土工格柵工程造價相差不大，參考類似工程(大石門水庫工程、努爾水庫工程、雅礱江水庫工程)經驗，本次推薦采用土工格柵加筋的抗震處理措施。

3.3 上下游護坡形式比選

上游壩坡采用20 cm厚鋼筋混凝土護坡。主要對下游護坡形式進行鋼筋混凝土護坡和鋼筋混凝土網格梁護坡2種方案進行比選。方案1：下游護坡采用20 cm厚鋼筋混凝土護坡；方案2：下游采用間距1.0 m、排距以土工格柵層距控制，網格橫斷面300 mm×300 mm鋼筋混凝土網格梁護坡。2種方案在該地區均適用。主要從經濟性、抗震穩定性上進行比較。

表1 上下游護坡形式比選表

方案1上下游均采用鋼筋混凝土板護坡，其工程造價為695.03萬元；方案2上游鋼筋混凝土板護坡+下游網格梁護坡，其工程造價578.66萬元，方案1較方案2貴116.36萬元。方案1的上下游均采用鋼筋混凝土板護坡，可將壩體填筑材料封閉在一個整體內，可有效提高壩體整體穩定性[12]，有利于壩頂抗震；方案2的上游鋼筋混凝土板護坡+下游網格梁護坡，由于下游網格梁中間存在空間，無法將壩體填筑材料封閉起來，壩坡整體穩定性較差，不利于壩頂整體抗震。本次設計推薦采用上下游鋼筋混凝土護坡板的護坡的形式。

上下游壩坡1 168.28 m高程以上采用20 cm厚高抗硫酸鹽現澆鋼筋混凝土護坡，護坡底部設置500 mm×500 mm的高抗硫酸鹽防滑齒墻，混凝土強度為C35F200W4。護坡混凝土中間布置鋼筋直徑?12 mm(HPB300)、間排距200 mm×200 mm的限裂鋼筋網片。鋼筋網片與土工格柵綁扎連接。

圖6 主壩段除險加固典型橫斷面圖 單位：高程，m;尺寸，mm

圖7 主壩段壩頂除險加固細部結構圖 單位：高程，m;尺寸，mm

4 大壩震后修復方案設計

主壩壩長4 546.0 m，自左向右樁號為0+000.00 m～4+546.00 m，“1.19”地震后，主壩壩體產生縱向裂縫、局部壩基發現地震液化現象，其中壩體縱向裂縫主要發生在0+507.00 m～2+133.00 m壩段，其他壩段無裂縫出現。

(1) 主壩0+000.00 m～0+500.00 m、2+150.00 m～4+546.00 m段本次現場檢查壩頂部位雖未見裂縫，但2005年除險加固實施的主壩上游坡上部干砌石護坡經過近幾年的地震影響，已經發生干砌石松動和出現裂縫的情況。本壩段最大壩高也達到了7 m，局部壩段填筑質量也不滿足要求。該壩段本次加固將2005年除險加固實施的松動、裂損的干砌石護坡拆除，將壩體重新填筑，上下游護坡采用混凝土板將填筑料包封加固，以達到對下部土體壓實蓋重的作用。該段的設計方案為主壩0+000.00 m～0+500.00 m段校核水位1 168.28 m高程以上上游壩坡1∶2.5，下游壩坡按1∶3.0延伸至壩坡腳；主壩2+150.00 m～4+546.00 m段恢復原有壩頂輪廓，即校核水位1 168.28 m高程以上上游壩坡1∶2.5，下游壩坡1∶3.0。壩體填筑料分層碾壓回填厚度由下至上分別為40、60、80 cm。填筑標準以壓實度≥98%控制。

主壩0+507.00 m～2+133.00 m段為深層縱、橫向裂縫，裂縫最深處為4.3 m，為徹底可靠地提高壩體安全度，將該1.626 km壩段挖除4.3 m，挖除后用拆除的原狀土分層碾壓回填。主壩0+500.00 m～0+980.00 m段校核水位1 168.28 m高程以上上游壩坡1∶2.5，下游壩坡按1∶3.0延伸至壩坡腳；主壩0+980.00 m～2+150.00 m段恢復原有壩頂輪廓，即校核水位1 168.28 m高程以上上游壩坡1∶2.5，下游壩坡1∶3.0。壩體填筑料分層碾壓回填厚度由下至上分別為40、60、80、230 cm。填筑標準以壓實度≥98%控制。

(2) 為提高壩體抗震性能，限制由地震等原因產生的裂縫發展[13-14]，壩體內分3層鋪設土工格柵，每層土工格柵層距為40、60、80 cm。

(3) 重新填筑的壩體上下游壩坡設置20 cm厚鋼筋混凝土護坡板，單層鋼筋網片(鋼筋直徑?12 mm，間距200 mm)位于混凝土板中部并與分層鋪設的土工格柵綁扎連接。上下游壩坡鋼筋混凝土護坡板下部設40 cm砂礫石防凍層。

(4) 壩頂設置20 cm厚碎石土路面。

(5) 為了限制壩基部分土料地震液化，主壩全壩段(主壩0+000.00 m～4+546.00 m)及副壩0+875.00 m～1+965.00 m、2+300.00 m～3+900.00 m下游壩坡腳設置砂礫石排水和蓋重，排水體厚60 cm，蓋重厚1.4 m，向下游延伸20.0 m。

5 結 論

本文針對西克爾水庫“1·19”地震后發生的壩體震損破壞情況，對除險加固措施進行了比較論證，選擇了安全合理的除險加固措施，并對壩體進行了除險加固方案設計：① 為消除壩體裂縫，對壩體存在的壩坡裂縫先挖除后重新進行填筑，分層碾壓；② 為提高壩體抗抗震能力，分3層鋪設土工格柵，每層土工格柵層距為40、60、80 cm；③ 為解決壩后地震液化問題，采取排水+蓋重相結合的方式進行抗液化處理措施。