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(shí)地調(diào)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(rèn)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(yán)重，向壩體兩端逐漸減弱，與壩體自重沉降變形規(guī)律基本一致，提出了處置措施，建議在強(qiáng)震頻發(fā)地區(qū)防沖面板尺寸應(yīng)設(shè)計(jì)合理，為防震抗震奠定基礎(chǔ)。

蘆山地震；天生堰水庫；震損成因；抗震設(shè)計(jì)

1 地震地質(zhì)環(huán)境

1.1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)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(fā)育。大地構(gòu)造部位為揚(yáng)子準(zhǔn)地臺的龍門山－大巴山臺緣褶皺帶，發(fā)震構(gòu)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(fā)式地震帶[1，2]，歷史上多次發(fā)生中強(qiáng)地震，是中國中部南北構(gòu)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(shí)02分，在四川省雅安市蘆山縣（北緯30.3°，東經(jīng)103.0°）發(fā)生7.0級地震（以下簡稱蘆山強(qiáng)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(qū)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(shí)，共發(fā)生余震4045次，3級以上余震103次，最大余震5.7級，受災(zāi)人口152萬，受災(zāi)面積達(dá)12500km2。據(jù)中國地震局網(wǎng)站消息，截至24日14時(shí)30分，地震共計(jì)造成196人死亡，失蹤21人，萬余人受傷。

2 工程概述

地震發(fā)生后，筆者參加了國家防總組織的蘆山強(qiáng)烈地震水利水電工程震損情況現(xiàn)場排查工作，對地震核心區(qū)域的多個水利水電工程進(jìn)行了現(xiàn)場震損調(diào)查和評估。

排查的水庫以灌溉、養(yǎng)殖為主的中、小型水庫，大多數(shù)為當(dāng)?shù)夭牧蠅?，?0%的水庫是20世紀(jì)60~70年代興建，防滲心墻為粘土，人工夯實(shí)；其中彭山縣天生堰水庫位于成都南側(cè)，距蘆山強(qiáng)烈地震震中約95km。天生堰水庫位于蘆山縣北東東錦江鄉(xiāng)天庫村境內(nèi)，大壩軸線方向?yàn)楸睎|8°與龍門山斷裂帶呈小銳角相交，是都江堰東風(fēng)渠的結(jié)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(diào)節(jié)性能，引蓄結(jié)合，以農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水、防洪為一體的?。ㄒ唬┬退畮?；水庫為一狹長的J字形，距震中約 95km。壩體為當(dāng)?shù)夭牧咸钪饕獮樽霞t色粉質(zhì)粘土，均質(zhì)粘土防滲。迎水側(cè)設(shè)有防浪混凝土面板，坡比為1∶1.225。背水側(cè)為干砌塊石，塊石規(guī)整，自重沉降變形量相對小，坡比約為1∶0.37。壩頂設(shè)有條石防護(hù)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(yīng)庫容188萬m3，死水位447.50m，相應(yīng)庫容25.4萬m3。設(shè)計(jì)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(kuò)建時(shí)加高了主壩，最大壩高達(dá)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(cè)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(fā)育，巖體較破碎；作為土石壩來說壩基條件相對好，建壩時(shí)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(fēng)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(xì)砂和淤泥，地震時(shí)未出現(xiàn)液化現(xiàn)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(cè)為干砌砂巖塊石，壩石多為人工雕琢規(guī)整長方體，塊石與塊石之間咬合緊密，縫隙小，在地震時(shí)受地震波的影響，無明顯變形和折婁現(xiàn)象。大壩迎水側(cè)為碎石土填筑，人工夯實(shí)，上面被混凝土防浪面板所蓋，地震時(shí)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(cè)壩坡混凝土防浪面板多沿結(jié)構(gòu)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(zhì)，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(hù)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(guī)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(cè)壩頂護(hù)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(cè)干砌塊石在調(diào)查的水庫中，沒有發(fā)現(xiàn)震損破壞嚴(yán)重的現(xiàn)象，也未發(fā)現(xiàn)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(yán)重的部位都在壩體中間和最高處，裂縫延伸長度長，出現(xiàn)的裂縫最多；同一高程壩頂迎水側(cè)和背水側(cè)防浪墻和防護(hù)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(zhì)結(jié)構(gòu)不同，老壩體修建時(shí)間長，自然沉降量小，新壩體建成才33年時(shí)間，背水側(cè)壩坡為干砌條石，雕琢規(guī)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(hù)欄僅相隔4.6m，裂縫都分布在新壩體內(nèi)（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(fù)振動使土體更加密實(shí)，壩體下沉量不一致，使防浪墻和防護(hù)欄出現(xiàn)了損程度很大的差異；迎水側(cè)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(shè)計(jì)幾何尺寸有關(guān)，經(jīng)量測迎水側(cè)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(xiàn)象，表明面板上下無分縫，上下長度太長，新壩體下沉?xí)r，面板在自重的作用下跟隨下沉，加上面板厚度小，產(chǎn)生裂縫是必然的。

圖3 防浪面板處理措施設(shè)計(jì)形態(tài)

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(shí)，兩條石之間結(jié)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(fù)持續(xù)的振動，使新填筑的土壩體產(chǎn)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(xiàn)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(dǎo)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(qū)地震進(jìn)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(shè)防有很多經(jīng)驗(yàn)值得借鑒和進(jìn)一步研究。

就天生堰水庫壩體迎水側(cè)防浪面板而言，在設(shè)計(jì)時(shí)，除了考慮土壩體不均勻沉陷導(dǎo)致的防浪面板斷裂外，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

（1）在西南高烈度區(qū)，剛性材料用于水庫壩坡防浪沖刷，應(yīng)采用預(yù)制的小塊徑(如六邊形預(yù)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(yīng)設(shè)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(shè)計(jì)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(bǔ)強(qiáng)，分縫線沿新老裂縫切縫，切割成品字形。在切割過程中，如發(fā)現(xiàn)壩坡上有陷坑和凸凹不平的地方，應(yīng)填足土或碎石并夯實(shí)， 切害縫寬 1～2cm，灌瀝青防滲，以防護(hù)風(fēng)浪掏蝕壩體。為了不使?jié)B水在壩體壩坡浸泡壩體，在不同的高程上設(shè)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(xué)出版社,1976.

[2] 胡聿賢.地震安全性評價(jià)技術(shù)教程[M].地震出版社2003∶185-187.

[3] 吳世澤,滿作武,梅應(yīng)堂.汶川地震水利水電工程震損特征及規(guī)律分析.長江科學(xué)院院報(bào)[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。