新疆高土石壩抗震措施研究綜述

李紅梅，王建新,2，呂彥源

(1.新疆農業大學 水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆農業大學 新疆水利工程與水旱災害防治實驗室，新疆 烏魯木齊 830052)

1 概述

我國水資源豐富，但總體分布不均勻，80%的水能資源分布在西部地區。要充分利用好這部分水資源，避免不必要的浪費，需修建大量水庫大壩來調節汛期洪水及上游來水，解決干旱和洪澇災害，從而促進當地社會經濟發展。我國西部地區地勢遼闊，相比于其他地區，更適合建設高壩大庫，但其地形復雜多樣，多山地、高原，而且很多壩址處存在深厚覆蓋層，選擇合適的壩形顯得尤為重要。土石壩對地質條件要求較低，能適應各種復雜地質條件，施工方便，可就地取材，抗震性能好，基于這些優點，土石壩成為了高壩建設的主流壩形。近年來，我國修建的高壩更多地選擇采用土石壩壩型，如長河壩心墻堆石壩(最大壩高240m)、阿爾塔什面板堆石壩(最大壩高164.8m)、糯扎渡心墻堆石壩(最大壩高261.5m)等，為響應國家號召，推進發展西部大開發的國家戰略，我國將建設一批200m級以上的高土石壩工程，如兩河口心墻堆石壩(最大壩高295m)、雙江口心墻土石壩(最大壩高315m)、新疆大石峽混凝土面板砂礫石壩(最大壩高247m)、新疆玉龍喀什混凝土面板堆石壩(最大壩高229.5m)等。

由于水資源空間分布的限制，這些高土石壩的建設及運行條件更加復雜，它們大多修建在我國西部地區，而西部地區地震頻發、強度大、覆蓋層深厚、氣候條件惡劣。這些高壩大庫一旦遭遇強震，將會帶來一系列次生災害，后果也將是災難性的。近幾十年來，我國已發生了多次大地震，由此造成了重大災害。

新疆地處歐亞大陸腹地，青藏高原地震帶，屬于地質構造運動相對活躍的地區，其地震活動頻度高、強度大、分布廣。據統計，20世紀新疆發生6級以上地震102次，其中7級地震14次，8級地震2次，因此我們應重視新疆高土石壩的抗震安全以及抗震措施等方面的研究[1-2]。

本文以新疆吉林臺一級水電站大壩為例，分析其抗震設計以及在經歷“8·9精河”地震后的運行情況。總結國內外高土石壩在地震荷載作用下常見的幾種破壞形式，以此為基礎研究新疆大壩工程抗震設計特色及抗震措施，為新疆高土石壩抗震設計研究和工程建設實踐提供理論和技術支撐。

2 工程概況

新疆吉林臺一級水電站位于新疆伊犁喀什河上，距尼勒克縣城32km，交通便利。此工程以發電為主，兼顧灌溉和防洪等綜合效益。電站樞紐建筑物主要由混凝土面板砂礫石壩、泄洪隧洞、開敞式溢洪道、發電引水隧洞和廠房組成，為大(Ⅰ)型水利樞紐工程。其中吉林臺一級面板壩的最大壩高為157m，壩頂高程1427m，壩頂長度445m，壩頂寬度12m，上游壩坡1∶1.7，下游馬道間壩坡1∶1.5，平均壩坡1∶1.96[3]。

電站機組于2006年全部投產發電。2017年8月9日在博爾塔拉蒙古自治州精河縣發生了6.6級地震，震源深度達11km，震后還發生了多次3級到4級不等的余震，據分析震后大壩結構完好，后續仍能正常運行。

3 抗震設計及震后運行情況

大壩壩址地震基本烈度為8度，設防烈度為9度[4]。

3.1 壩坡設計

上游壩坡1∶1.7，下游馬道間壩坡1∶1.5，并在下游設置5條“之”字型上壩公路，公路路面寬設為12m，這樣的設計使得壩體下游平均壩坡放緩，并且在下游形成了壓重區，可以防止在地震作用下下游壩坡上部塊石松動滾落、壩面產生滑坡或者產生較大的水平位移。壩體下游壩坡鋪設了鋼筋混凝土板和鋼筋混凝土網格梁，增強下游壩坡穩定性，保持壩坡的整體性，從而增強壩體抗震性能。

3.2 壩頂設計

壩頂設置4m的地震安全超高和6m的防浪墻，以防止地震時庫水發生涌浪或壩體下陷導致庫水漫壩。設置壩頂寬度為12m，若壩坡發生淺層滑動，此時壩頂仍能具備支承上游防浪墻和面板的作用，避免發生大的坍塌事故。

3.3 震后運行情況

根據綜合檢查分析，地震導致壩體產生了2.65mm的震陷，還造成大壩上游壩頂產生水平位移，方向指向下游，最大水平位移為2.48mm，壩頂未出現明顯的沉陷、錯動現象。地震前后面板周邊縫和垂直縫變化較小。周邊縫面板滲壓和壩基滲壓總體上處于穩定狀態。大壩浸潤線沒有發生明顯變化，震后1h內大壩庫水位也沒有發生明顯變化，但經過檢查，發現大壩滲漏量突增，最大滲漏量達到了144L/s，震后約12h后滲漏量趨于穩定水平，最后又恢復到震前水平，綜合分析大壩震后情況可知，吉林臺大壩經歷“8·9精河”6.6級地震，其抗震設計及抗震措施經受住了此次地震的考驗，吉林臺一級大壩結構完好[5]。

4 高土石壩震害破壞形式

根據對大量震害資料的調查研究，可以將高土石壩典型震害的破壞形式分為永久變形、滑坡、防滲體破壞、液化、次生災害等5種類型。無論是哪種破壞形式，都會對壩體安全產生影響，威脅到人民生命安全，理應同等重視。

4.1 永久變形

壩體永久變形是指壩體在發生地震時，在地震作用下產生沉降和水平位移變形，且此種變形不可恢復。壩體在地震作用下，強度降低，各個部位受力發生變化，震后壩體各部位變形不一致，壩體產生不同程度的沉降，潰壩風險增加，對大壩安全產生威脅[6]。紫坪鋪面板壩在經歷汶川地震后，大壩產生明顯變形，壩體變形整體向內收縮，大壩二、三期混凝土面板施工縫發生了錯臺，縫間的鋼筋被折彎成“Z”字型[7]，地震還造成混凝土面板周邊縫發生沉陷、張開、剪切變形，這些變形都是不可恢復的，壩體產生了永久變形，其震后變形破壞情況如圖1所示。

圖1 紫坪鋪面板堆石壩震后變形破壞情況[8]

4.2 滑坡

滑坡指地震作用下壩坡發生整體或局部的順坡向滑動。在地震力作用下，壩坡承受的慣性力改變，表面形成裂縫，壩體的各項力學強度指標降低，壩體內部超孔隙水壓力增大，地下水位上升，使得壩體的抗剪切強度下降，從而使原來穩定的壩坡失穩，發生滑動。2003年2月24日，新疆喀什巴楚縣發生里氏6.8級地震，小海子水庫位于巴楚縣境內，此次地震造成小海子水庫的北庫大壩——永安壩發生了30m滑坡，致使大量人員傷亡、建筑物倒塌。土石壩上游一側易發生滑坡，造成傷亡事故。面板堆石壩上游有面板，且面板有堆石支撐，不容易發生整體塌滑。但在地震作用下，壩頂的地震水平向加速度反應比壩底部位大的多，壩頂強烈的地震反應可能造成上部壩頂局部失去平衡，使得壩頂區結構松動、滑塌[9]。

4.3 防滲體破壞

土石壩防滲的核心結構是防滲體，由于填筑壩體材料不同，土石壩有土壩和堆石壩2種類型，根據土石壩的分類，防滲體破壞有面板的破壞和心墻的破壞。發生地震時，壩體會產生變形，防滲心墻或混凝土面板的變形與壩體變形不相協調，從而使防滲心墻或混凝土面板產生破壞。防滲體破壞會形成裂縫，裂縫會造成壩體產生滲漏，當壩體存在貫穿性裂縫或者壩基節理裂隙時，受地震作用影響，這種裂縫會進一步發展成更長、更深的裂縫，有時裂縫與裂縫之間會產生錯動現象，最終引起滲漏。滲漏的主要表現形式有壩體下游壩坡坡腳處出現漏水、浸潤線抬高等，嚴重時出現管涌、流土等。因此防滲體破壞的危害不容小覷。

4.4 液化

土體液化是指發生地震時，地震的振動將砂土及粉土進行振實，使其更加密實，從而造成孔隙水壓力增加，驟然增加的孔隙土壓力來不及消散，使有效應力減小，土體的抗剪強度趨于零，砂土顆粒局部或全部處于懸浮狀態，形成“液體”[10]。液化包括壩基液化和反濾料液化。如果土石壩壩基含有易液化的砂土層或壩基防滲措施不當，正常運行時就已漏水，使下游壩坡和壩基處于飽和狀態，那么地震時就會發生噴水冒砂等液化現象。陡河土壩地基為弱粘性土和砂層，在唐山大地震中，地基產生液化、壩腳出現噴水冒砂的現象。

4.5 次生災害

地震可能引發的次生災害有滑坡、塌方、火災、凍災、毒氣污染、細菌污染、放射性污染、瘟疫等，沿海地區可能遭受海嘯。這些災害又對人們的日常生活和社會經濟產生不同程度的破壞和損傷，尤其是會危害到人們的生命安全，因此我們對于次生災害的關注應同其他震害形式一樣重視。

5 高土石壩抗震措施

新疆高土石壩的抗震結構設計主要體現了“穩、控、防、排”抗震理念[11]。新疆已建高土石壩和在建高土石壩的抗震設計大多遵循這一抗震理念。表1所列是綜合總結的新疆典型高土石壩工程抗震措施。通過分析新疆典型高土石壩的抗震措施，可以將其分為壩體抗震措施和壩基抗震措施。

表1 新疆典型高土石壩工程抗震措施

5.1 壩體抗震措施

壩體抗震措施有放緩壩坡、加大壩寬、改善壩料、壓重固腳或使用加筋結構等。

5.1.1放緩壩坡

對于強震區高土石壩，一般宜在頂部約1/5～1/4壩高范圍內適當放緩壩坡，必要時設置馬道。如果壩坡過于陡峭，壩體上部塊石容易滾落，壩體下部壓重不足，更容易發生滑坡。

5.1.2加大壩寬

地震作用下，壩頂加速度反應尤其劇烈，壩頂區域可能發生滑動。為保證壩頂區安全，壩頂應設置有足夠的寬度，并在強震區域適當加寬[18]，使得在發生強震后壩頂區域發生塌滑時，剩余的壩頂部分堆石體仍能對整個壩體起到支撐作用，不至于產生潰壩。

5.1.3改善壩料

壩體填筑料選用抗剪強度高的材料，并相應地提高壓實標準，有利于提高壩體和壩坡的抗震性能。壩體材料合理分區也是需要注重的一點，壩體各部位受力不同，所具備的工作條件不同，對填筑材料的各項性能指標要求不同，在適當的部位選用相應合適的壩料，既節省材料又能有效地發揮特定作用。具體如何分區，需根據所給工程進一步進行相關試驗研究。壩體材料填筑順序也尤為重要，現場施工時應注意。

5.1.4加重固腳

為了防止滑坡體發生滑動，可在壩趾位置采用大塊石壓重，從而增大此部位的抗滑穩定性，還可在壩體下游壩面設置干砌石護坡，避免地震時大的塊石滾落。壩體邊坡大多存在潛在的滑動面，為了有效控制邊坡滑動面的整體穩定，需在壩腳處設置大塊石壓重。

5.1.5使用加筋結構

在壩體和壩坡內設置加筋結構有助于保證壩體的完整性，還有利于壩體穩定。可以根據工程的具體情況決定是否采用加筋結構或者選擇怎樣的加筋結構才能起到最大作用。可選用的加筋措施有埋設土工格柵、鋪設鋼筋網、邊坡釘結、壩面釘結等。

在進行壩體抗震設計時還應該考慮足夠的地震涌浪高度和地震附加沉陷[19]；加強心墻與基座或面板與壩體各分區間及其與壩基和岸坡的連接。防止在地震作用下產生較大裂縫進而發生破壞。

5.2 壩基抗震措施

壩基是壩體的根基，壩基的修建往往需要滿足諸多要求，由此可看出其重要性。若壩基中存在軟弱土層，尤其是存在可液化土層時，需將這層土層挖除，也可進行振動加密或采用土釘、堆石柱體等措施。

6 結論

近年來我國修建的高土石壩也分布在西部地區，而在西部地區地震頻繁發生，必然會對壩體產生影響，因此抗震安全問題是高土石壩建設的關鍵問題之一。新疆地理位置特殊，大大小小的地震頻發，近年來新疆新一批高壩大庫正在修建中，高壩大庫遭遇高強度地震的工程實例太少，無法保障今后此類高土石壩的抗震安全，所以應加快推進對新疆高土石壩抗震安全問題的研究

本文根據新疆在建及已建高土石壩工程的抗震措施設計，總結出新疆地區高土石壩工程普遍采用的抗震措施，為今后高土石壩抗震實踐提供了科學有效的解決方案。