蘆山7.0級地震天生堰水庫震損成因分析與處理

李茂華 朱振彪 房艷國 吳世澤

(長江三峽勘測研究院有限公司，湖北 武漢 430074)

蘆山7.0級地震天生堰水庫震損成因分析與處理

李茂華 朱振彪 房艷國 吳世澤

(長江三峽勘測研究院有限公司，湖北 武漢 430074)

2013年4.20蘆山7.0級地震后，通過實地調查和收集四川彭山縣天生堰水庫地理位置、壩體填筑材料、防滲型式，工程處理措施、震損特征等資料，分析了防沖面板和防浪墻震損成因，認為該水庫壩頂防浪墻和防沖面板在地震作用下，壩體中間部位震損最嚴重，向壩體兩端逐漸減弱，與壩體自重沉降變形規律基本一致，提出了處置措施，建議在強震頻發地區防沖面板尺寸應設計合理，為防震抗震奠定基礎。

蘆山地震；天生堰水庫；震損成因；抗震設計

1 地震地質環境

1.1 區域地質背景

研究區位于四川盆地的北西邊緣，其總體地勢為北西高，南東低，河流水系十分發育。大地構造部位為揚子準地臺的龍門山－大巴山臺緣褶皺帶，發震構造為北東向龍門山斷裂帶，該斷裂帶主要由平武－茂汶斷裂、北川－映秀斷裂、江油－灌縣斷裂組成，是一個連發式地震帶[1，2]，歷史上多次發生中強地震，是中國中部南北構造帶中非常活躍的斷裂之一。

1.2 地震簡介

2013年4月20日8時02分，在四川省雅安市蘆山縣（北緯30.3°，東經103.0°）發生7.0級地震（以下簡稱蘆山強烈地震），震中烈度為9°。該次地震震中位置大體在龍門山斷裂帶南段前山斷裂上；主震區房屋、道路、通訊及水利水電工程等遭到不同程度的破壞。截至2013年4月24日10時，共發生余震4045次，3級以上余震103次，最大余震5.7級，受災人口152萬，受災面積達12500km2。據中國地震局網站消息，截至24日14時30分，地震共計造成196人死亡，失蹤21人，萬余人受傷。

2 工程概述

地震發生后，筆者參加了國家防總組織的蘆山強烈地震水利水電工程震損情況現場排查工作，對地震核心區域的多個水利水電工程進行了現場震損調查和評估。

排查的水庫以灌溉、養殖為主的中、小型水庫，大多數為當地材料壩，有90%的水庫是20世紀60~70年代興建，防滲心墻為粘土，人工夯實；其中彭山縣天生堰水庫位于成都南側，距蘆山強烈地震震中約95km。天生堰水庫位于蘆山縣北東東錦江鄉天庫村境內，大壩軸線方向為北東8°與龍門山斷裂帶呈小銳角相交，是都江堰東風渠的結瓜工程，水庫距縣城14km，屬岷江水系府河龍頭溝，是一座具有多年調節性能，引蓄結合，以農業灌溉為主，兼鄉鎮供水、防洪為一體的小（一）型水庫；水庫為一狹長的J字形，距震中約 95km。壩體為當地材料填筑，主要為紫紅色粉質粘土，均質粘土防滲。迎水側設有防浪混凝土面板，坡比為1∶1.225。背水側為干砌塊石，塊石規整，自重沉降變形量相對小，坡比約為1∶0.37。壩頂設有條石防護欄和防浪墻。水庫集雨面積1.65km3，總庫容216萬mm3，正常蓄水位459.43m，，相應庫容188萬m3，死水位447.50m，相應庫容25.4萬m3。設計灌面0.49萬畝，有效灌面0.35萬畝，修建干渠1條長0.3km，支渠3條共3.5km。

大壩為土石混合壩，由主壩和左右副壩組成，壩頂高程為461.66m，壩頂寬4.6m，壩頂全長278m，其中主壩長103m，左副壩長91m，右副壩長84m。主壩分兩期建成，1955年11月動工，1956年春建成小（二）型水庫，1975年擴建時加高了主壩，最大壩高達23.66m，1977年12月建成小（一）型水庫，2010年對水庫加固加高處理，迎水側延伸了防沖混凝土面板（圖1）。

圖1 天生堰壩體最大處剖面圖

壩基為中粒厚層砂巖，巖層面傾角較緩，一般5°~10°，小型褶皺發育，巖體較破碎；作為土石壩來說壩基條件相對好，建壩時清除壩基范圍河床表層1～2m的沖積、洪積層,左右壩肩清除表層坡積物、風化砂土、樹根雜草等，，壩體基本上是建于基巖上，無殘留淤積粉細砂和淤泥，地震時未出現液化現象。

3 工程震損成因

3.1 工程震損特征

壩體及防浪墻地震震損情況總體上可分為如下幾種。

（1）壩體裂縫：大壩背水側為干砌砂巖塊石，壩石多為人工雕琢規整長方體，塊石與塊石之間咬合緊密，縫隙小，在地震時受地震波的影響，無明顯變形和折婁現象。大壩迎水側為碎石土填筑，人工夯實，上面被混凝土防浪面板所蓋，地震時不均勻沉陷形成的裂縫短小，分布部位主要是2010年加固加高后的新壩體。

（2）壩壩體震陷：從表面裂縫分布特征分析，震陷主要在大壩體的中部，其高度也是新壩體的中上部較為明顯，1977年建成的壩體部分無明顯的震陷和破壞。

（3）防浪面板裂縫：單塊防浪面板寬6m，自馬道至壩頂長18m無分縫，在不同的高程分布有老裂縫和地震震損新裂縫（圖2），地震形成的裂縫近似與壩軸線平行展布，呈鋸齒狀，全長22 m，平面上分布在面板的中間部位，不同的高程處裂縫在面板分縫處錯開，最大錯開距離 1.66 m，最小錯距只有7cm，鋸齒狀拉開寬度3～4 mm。迎水側壩坡混凝土防浪面板多沿結構分縫處擠裂、裂縫短小，一般幾十厘米，兩分縫線之間裂縫走向與壩軸線近平行，具典型的折斷、拉張性質，單條裂縫長度一般1～3m，沿裂縫邊緣有明顯的擠壓破碎混凝土屑分布,各塊防浪面板之間的裂縫沒有一條是互相貫通的。

（4）防浪墻及護欄：壩頂防浪墻為漿砌條石，混凝土勾縫，防浪墻變形范圍與面板裂縫部位相同，基本上在壩體上部和頂部，全長22m。天生堰防浪墻破壞與所有水庫震損情況不一樣，防浪墻為人工雕琢的規整砂巖長方體條石，漿砌用水泥勾縫，其破壞部位主要在壩體中部，主要為墻體條石錯位，條石擠破，勾縫水泥漿脫落，破壞程度自壩體中央向兩端逐漸減弱；最大水平位移30mm，最大縱向位移 15mm，并有斜擦痕和近水平擦痕，具有擠壓變形特征；垂直位移較小，最大處只有3～4mm；混凝土勾縫脫落，條石與條石之間張開，寬有 15mm左右；背水側壩頂護欄安全無恙，無掉水泥塊和裂縫跡象。

圖2 彭山縣天生堰水庫面板裂縫平面特征

（5）放水臥管和涵洞、背水側干砌塊石在調查的水庫中，沒有發現震損破壞嚴重的現象，也未發現干砌塊石研條錯位和振斷的情況。

3.2 震損成因

震損特征表明：無論是防浪面板,還是壩頂防浪墻,破壞嚴重的部位都在壩體中間和最高處，裂縫延伸長度長，出現的裂縫最多；同一高程壩頂迎水側和背水側防浪墻和防護欄震損特征差別很大。

3.2.1 壩體沉陷差異

壩體分分期建成，壩體填料特質結構不同，老壩體修建時間長，自然沉降量小，新壩體建成才33年時間，背水側壩坡為干砌條石，雕琢規整，條石與條石間水平方向有間隙，沉降變形量相對小，縱向條石間無間隙，向下沉降量小，因此，防浪墻和防護欄僅相隔4.6m，裂縫都分布在新壩體內（圖3），防浪墻在新壩體的頂部，在上下，左右振動和推拉作用下，反復振動使土體更加密實，壩體下沉量不一致，使防浪墻和防護欄出現了損程度很大的差異；迎水側壩坡表層為混凝土面板，為剛性材料，也容易振斷[3]。分析防浪混凝土面板裂縫的原因，除上述因素外，還與設計幾何尺寸有關，經量測迎水側防浪面板長約18m，無分縫，寬6m，未地震前面板上就分布有裂縫，相對短小，面板在壩體自重下沉過程中就有折斷現象，表明面板上下無分縫，上下長度太長，新壩體下沉時，面板在自重的作用下跟隨下沉，加上面板厚度小，產生裂縫是必然的。

圖3 防浪面板處理措施設計形態

3.2.2 擠壓與拉張變形

壩頂同一處兩塊條石接觸部位都留下斜擦痕和近水平擦痕，很明顯是擠壓所致，，但最終留下的是兩塊條石呈張開狀，分析其成因主要有以下方面。

（1）地震開始時，兩條石之間結合緊密，上下，左右振動磨擦，使條石接觸部位互相磨擦、擠壓形成近水平和斜向擦痕，條石破碎。

（2）隨著反復持續的振動，使新填筑的土壩體產生不均勻沉陷，壩體最大壩高處沉陷量最大，向壩體兩逐漸減弱，最中間的條石表現為下沉，條石一端下沉，另一端向上抬，使整個防浪墻沿壩軸線方向呈波浪狀，導致兩條石呈張開狀。

4 處理方案與建議

2001年昆侖山口8.1級地震后，我國西南地區地震進入地震高峰期，汶川5.12地震后,小、中型水利水電工程抗震設防有很多經驗值得借鑒和進一步研究。

就天生堰水庫壩體迎水側防浪面板而言，在設計時，除了考慮土壩體不均勻沉陷導致的防浪面板斷裂外，還應注意以下幾點。

（1）在西南高烈度區，剛性材料用于水庫壩坡防浪沖刷，應采用預制的小塊徑(如六邊形預制塊)較為合適。

（2）若采用大面混凝土作為防浪面板，則水平向和縱向均應設置分縫填充瀝青，其水平方向的分縫間距盡量比縱向分縫間距小。

（3）面板各塊不要平行呈方格狀，設計為品字形（圖3）。

因此，建議天生堰大壩先處理好迎水壩坡面板上的震損裂縫，灌漿補強，分縫線沿新老裂縫切縫，切割成品字形。在切割過程中，如發現壩坡上有陷坑和凸凹不平的地方，應填足土或碎石并夯實， 切害縫寬 1～2cm，灌瀝青防滲，以防護風浪掏蝕壩體。為了不使滲水在壩體壩坡浸泡壩體，在不同的高程上設置排水孔，其間距依各塊面板的尺寸而定。

[1] 付承義.地球十講[M].科學出版社,1976.

[2] 胡聿賢.地震安全性評價技術教程[M].地震出版社2003∶185-187.

[3] 吳世澤,滿作武,梅應堂.汶川地震水利水電工程震損特征及規律分析.長江科學院院報[J],2010(5)∶64-66.

10.3969/j.issn.1008-1305.2014.06.016

P315；TV697

A

1008-1305（2014）06-0050-03

李茂華（1971年-），男，高級工程師。