土石坝抗震加固措施研究

陈小妮 马雅慧

（1.扶风县城关镇水务管理站 陕西 扶风 722200；2.扶风县官务水库管理站 陕西 扶风 722200）

我国是世界上地震较多的国家之一，地震活动的分布范围十分广泛，基本地震烈度在Ⅵ度以上的地区占全国的60%以上。同时我国也是世界上修建水库大坝最多的国家，这些水库大坝有相当部分位于地震区，一旦发生地震将对水库大坝造成不同程度的损害，严重者甚至出现溃坝，对下游人民的生命财产产生严重的危害。典型的如1975年我国海城发生7.3级地震，距震中约12km的王家坎水库出现了多处纵横向裂缝，坝顶沉降24.5cm，下游坝脚多处出现冒浑水；2008年汶川发生8.0级地震，各地区震损水库达2000余座，高危震损水库达400余座。从这些事例中可以看出，当前我们应该高度重视水库大坝的抗震安全，重视水库大坝的抗震加固技术的研究，以便对新修水库采用合理可行的抗震设计方案、对已受震损的水库大坝及时进行抗震加固处理。

1 土石坝震害类型及特点

通过国内外统计资料分析显示，在强地震作用下土石坝经常出现的震损类型有：坝体塌陷、裂缝、渗漏、滑坡、土体液化、坝体附属结构破坏等。

（1）坝体沉降与塌陷。坝体在地震作用下，由于土体的塑性区扩大，坝体强度降低，使得地震后坝顶及坝面出现不同程度的下沉，严重者可能出现塌陷与坝体滑坡等情况。

（2）坝体裂缝。地震后出现坝体裂缝是最常见的一种地震危害。震后裂缝按照裂缝的走向可分为纵向裂缝、横向裂缝、水平裂缝。各种裂缝中以纵向裂缝最多，水平裂缝出现几率最小。

（3）渗漏。渗漏是与坝体裂缝息息相关的，当坝体出现贯穿性裂缝或者坝基节理裂隙，由于地震作用被激活后会出现张开或错动情况，这些都会引起坝体或坝基的渗漏，表现为土石坝的下游坝坡浸水、浸润线抬高或坝基坝肩漏水等，情况严重者还会出现管涌、流土等。

（4）滑坡。在地震作用时，由于坝体受到地震惯性力的作用以及地震作用下坝内出现较大的超孔隙水压力，使得坝体抗剪切强度急剧下降，从而使原稳定坝坡出现滑动失稳。滑坡多发生在土石坝坝体上游侧坝坡上，若水库水位较高时可导致坝体溃决。

（5）土体液化。在地震作用下，土体的孔隙水压力会突然地升高，土颗粒之间的有效压力会急剧下降，更甚者可能接近于零，这时土体完全丧失其抗剪强度，出现土体的液化现象。

（6）坝体附属结构破坏。坝体附属结构如防浪墙、护坡等可能由于地震出现断裂、挤压破坏、倾覆、沉陷、隆起、局部滑塌等。

2 土石坝抗震加固措施

对于土石坝而言，抗震加固的内容主要包括裂缝的处理、渗漏问题的处理、滑坡问题的处理以及土体液化的处理等，各种加固措施详述如下：

（1）震损裂缝处理方法。一般而言，对裂缝的处理方法主要有：①开挖回填：即挖除裂缝周边土体，至裂缝底部厚再进行回填处理，这是一种简单易行又彻底可靠的方法，对于纵横缝均可以使用。此方法适用于裂缝深度较浅的情况。②灌浆处理：当裂缝较深或裂缝处于坝体内部时，可采用灌浆处理的方法，常采用的灌浆材料有粘土浆和粘土水泥浆。另外，还可将两种方法结合使用。两种方法结合使用适用于裂缝深度很大，坝坡本身未产生滑动的情况。

（2）震损渗漏处理方法。震损渗漏也是土石坝地震破坏后常见的病害类型，主要的处理方法有：混凝土防渗墙、劈裂灌浆、膏状稳定浆液灌浆、高压喷射灌浆以及土工膜等。①混凝土防渗墙：此方法安全可靠，耐久性好，防渗性能高，是当前应用最广泛的方法。②劈裂灌浆：劈裂灌浆不但能够起到防渗的作用，而且能够加密坝体，施工较方便。③土工膜防渗：防渗性能好，能够很好的适应坝体的变形，施工速度、造价等均具有优势。④高压喷射灌浆：高压喷射灌浆的施工速度较块，但是它只能在土体中，不能进入岩层。

（3）震损滑坡处理方法。滑坡问题处理的方法一般有放缓坝坡、压重固脚、导渗排水、加密坝体、置换材料或使用加筋结构等方法。地震导致坝体滑坡的主要原因是由于坝坡过陡，故可采用放缓坝坡的方法。同时滑坡体滑出坝趾以外，可采用在坝趾位置增加压重的方法，以增大抗滑力。影响坝坡稳定性的还有坝体的渗透水流，地震时会产生超孔隙水压力，这将导致坝体材料之间的有效压力下降，坝体土料处于液化状态，坝坡稳定性急剧下降，故加强排水、加密坝体、采用加筋结构、降低浸润线等都是行之有效的方法。

（4）液化抗震加固方法。地震时土体液化加固的方法一般有振冲加密法、置换法、强夯发、抛石压重以及排水等方法。一般对于可液化土层不厚的可以采用挖除置换，可液化土层较厚的采用振冲加密、强夯等方法。

3 土石坝抗震加固实例分析

3.1 工程概况

花凉亭水库位于安徽省太湖县境内的皖河支流长河上游，是一座以防洪、灌溉为主要任务的大（1）型水库。工程地理位置为东经116°15′，北纬30°27′。水库枢纽工程由拦河坝、溢洪道、泄洪隧洞、发电引水隧洞及发电站厂房组成。大坝为粘土心墙砂壳坝，最大坝高58 m，坝顶高程99.25 m，坝顶宽度6.7 m。上游坝坡分5级组成，坝坡坡比从上往下依次为1∶1.7、1∶2.5、1∶3.5和1∶3.5；下游坝坡也分5级组成，坝坡坡比从上往下依次为1∶2.1、1∶2.5、1∶3.0、1∶3.75和1∶1.8。依据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001），该工程区地震动反应谱特征周期为0.35 s，地震动峰值加速度为0.05 g，相应的基本地震烈度为Ⅵ度。

3.2 工程抗震隐患分析

花凉亭水库大坝为一级壅水建筑物，其抗震设防类别为甲类，对整个枢纽工程的重要性较大，设计烈度取值比基本烈度高1度。同时花凉亭水库总库容达23.98亿m3，库容巨大，但是坝体又为抗震性能较差的粘土心墙砂壳坝，大坝一旦遭遇地震受损，将对下游人口、城镇、公共设置产生重大影响，故必须严格做好花凉亭水库的抗震安全问题。针对花凉亭水库大坝现状，确定其存在的抗震方面的主要问题如下：

（1）花凉亭水库上游坝坡局部1∶1.7、下游坝坡局部1∶1.8、1∶2.1较陡，在地震工况下可能发生局部的失稳、塌陷破坏。

（2）花凉亭水库大坝为粘土心墙砂壳坝，其相对密度较低，特别是上游坝坡部分在水位较高时，坝体大部分位于水下，处于饱和状态，在地震作用下可能发生沙土液化的现象。

（3）花凉亭水库大坝为粘土心墙砂壳坝，坝壳料主要为砂，在地震情况下极易产生液化现象，若不加以适当的处理加固，则会对整个坝体的稳定安全不利。

（4）花凉亭水库大坝坝壳料为砂，但上下游坝坡均较陡，砂石料本身的稳定边坡较缓，抵抗外荷载的能力较弱，故需对坝坡稳定性进行研究处理。

3.3 抗震加固措施

通过分析研究，确定对花凉亭水库上游坝坡进行加固处理，参考水库大坝抗震加固实例及方法，确定了两个方案对花凉亭水库上游坝坡进行加固，具体方案如下：

方案一：坝体材料置换与放缓坝坡相结合。考虑原粘土心墙砂壳坝坝壳料为砂土，地震易液化，故将上游坝坡一定范围内的沙土置换，换为抗震性能好碎石料。同时考虑到上游坡较陡，可能产生滑坡的危险，故结合坝坡的局部稳定要求，将上游坡放缓。

方案二：压重与放缓坝坡相结合。对于砂土坝壳，易产生液化现象，同时也存在自身的稳定性的问题，故将坝坡范围内采用压重方法增加稳定性，同时结合压重将坝坡放缓，以此来提高水下沙土的抗液化能力。

两方案从工程目的上来说均能够满足加固的要求，但是考虑该水库的实际功效，在方案一实施施工过程中需要将水库放空，形成干地施工条件，而花凉亭水库的主要任务之一是给周围城镇供水，若放空水库则周围城镇的供水问题难以解决。同时，为形成干地施工条件，抵抗施工期汛期洪水，还需做围堰挡水，工程量较大。同时该水库还有发电任务，若放空水库发电损失也较大，故最终综合考虑选择了方案二作为最终的加固方案。

4 展望

我国的水库大坝中有95%为土石坝，这其中又有许多位于地震区，研究土石坝的抗震加固措施，探讨各种抗震加固方法的适用性、合理性具有重要的意义。当前，我国在结构抗震设计、抗震加固方法、抗震分析理论的方面有了长足的发展，但限于地震问题本身的复杂性，这些理论方法还有待于进一步的发展。

［1］薄景山，徐国栋，景立平.土边坡地震反应及其动力稳定性分析述［J］．地震工程与工程振动，2001，21(2):116-110.

［2］李海波,肖克强,刘亚群.地震荷载作用下顺层岩质边坡安全系数分析[J].岩石力学与工程学报,2007,26(12):2385-2394.

［3］许春雷.高土石坝坝坡稳定的可靠性研究［D］.大连理工大学学位论文，2010．