尹舒倩

(新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

1 工程概況

西克爾水庫(kù)位于新疆喀什噶爾流域克孜勒河下游，喀什地區(qū)伽師縣東北部西克爾鎮(zhèn)境內(nèi)，距喀什市約160 km，距伽師縣城70 km，總庫(kù)容10 041萬(wàn)m3，死庫(kù)容1 450萬(wàn)m3，控制灌溉面積1.73萬(wàn)hm2，是一座兼灌溉、養(yǎng)殖同時(shí)還承擔(dān)滯洪、調(diào)洪的大(2)型注入式平原水庫(kù)[1]。水庫(kù)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(zhì)土壩，壩長(zhǎng)4 546.0 m，壩頂寬度8.5 m，最大壩高7.0 m;副壩為均質(zhì)土壩，壩長(zhǎng)8 768.0 m，最大壩高4.4 m。

根據(jù)GB 18306-2015《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》中1∶400萬(wàn)：工程區(qū)50年超越概率10%的地震動(dòng)峰值加速度為0.20g，對(duì)應(yīng)的地震基本烈度為Ⅷ度，屬區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性差地區(qū)。

水庫(kù)始建于1958年4月，1959年初投入運(yùn)行，后經(jīng)1986、1996、1999—2000年和2005—2006年多次加固達(dá)到現(xiàn)狀規(guī)模。

2 “1·19”震后水庫(kù)震損情況

2020年1月19日21時(shí)27分，喀什地區(qū)伽師縣發(fā)生6.4級(jí)地震(39°49′48″N，72°12′36″E)，對(duì)水庫(kù)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(xiàn)10段不連續(xù)的縱向裂縫，裂縫最大寬度5 cm，見圖1，裂縫最大深度達(dá)4.3 m，見圖2，裂縫兩側(cè)呈鋸齒狀，未見錯(cuò)動(dòng)，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(xié)調(diào)所引起。

圖1 主壩壩頂裂縫縱向長(zhǎng)度圖

圖2 壩頂裂縫尖滅深度圖

2.1.2壩基液化

據(jù)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(zhì)砂。其中厚度5 m以上粉土質(zhì)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(tài)，地震時(shí)細(xì)粒土排水不暢，粉土及粉質(zhì)砂層產(chǎn)生地震液化(見圖3)。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，“1·19”地震后在主壩壩后共發(fā)現(xiàn)4處地震液化冒水噴砂現(xiàn)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(xù)分布有取土坑，坑深0.5～0.8 m，坑內(nèi)多有積水，“1·19”地震后蓋重邊坡產(chǎn)生了變形拉裂，導(dǎo)致下游坡腳處蓋重在2～5 m范圍內(nèi)產(chǎn)生了拉裂縫，見圖4。

圖3 壩基地震液化現(xiàn)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(xiàn)象，見圖5。

圖5 壩后滲水圖

3 “1·19”震后水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案比選

本文針對(duì)壩體裂縫、抗震能力差、基礎(chǔ)地震液化和滲水等問題進(jìn)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(jié)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(jìn)行回填碾壓處理。這是一種簡(jiǎn)單易行又徹底可靠的方法，對(duì)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(zhì)量，提高壩體整體穩(wěn)定性。但對(duì)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(dāng)裂縫較深或裂縫處于壩體內(nèi)部時(shí)，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(nèi)部裂隙，尤其是裂縫深度較深并擴(kuò)散的裂縫。

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

“1·19”震后主壩壩體產(chǎn)生裂縫，裂縫主要發(fā)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(xiàn)，裂縫最深尖滅深度為4.3 m。本次主要對(duì)0+507.00 m～2+133.00 m壩段裂縫處理采用3種方案進(jìn)行比選設(shè)計(jì)。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(jù)探坑揭露，其深度達(dá)4.3 m，裂縫張開度也最寬，達(dá)2～5 cm。其他壩段裂縫深度較淺，寬度較窄。方案1設(shè)計(jì)思想為主壩段樁號(hào)0+507.00 m～2+133.00 m主要為張性裂縫，壩頂一定深度范圍內(nèi)的土體在地震后抗剪能力降低，壩體整體穩(wěn)定性變差，為提高壩體整體抗震穩(wěn)定性，對(duì)出現(xiàn)裂縫的壩段(主壩0+507.00 m～2+133.00 m)4.3 m深度范圍內(nèi)全部挖除，重新填筑碾壓。方案2設(shè)計(jì)思想為對(duì)主壩段0+507.00 m～2+133.00 m范圍內(nèi)的裂縫進(jìn)行黏土漿灌漿處理，淺層裂縫在壩頂布置鉆機(jī)進(jìn)行鉆灌，深層裂縫在壩坡布置鉆機(jī)先鉆孔達(dá)裂縫處，再開始灌漿。方案3設(shè)計(jì)思想為根據(jù)裂縫張開情況，對(duì)主壩段全段壩頂裂縫密度較高的上部1.8 m進(jìn)行全部挖出，重新填筑碾壓。對(duì)1.8 m以下局部裂縫采取黏土漿灌漿，對(duì)深度較深、較擴(kuò)散的裂縫進(jìn)行充填，以提高壩體整體性。

方案1對(duì)0+507.00 m～2+133.00 m的裂縫范圍進(jìn)行4.3 m深度的挖除重新填筑，對(duì)提高壩體填筑質(zhì)量，增加壩體整體抗滑穩(wěn)定性、防止壩體出現(xiàn)裂縫行之有效，是一種簡(jiǎn)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(wàn)元。方案2對(duì)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(píng)價(jià)，工程投資5 212.32萬(wàn)元。方案3設(shè)計(jì)是將挖除回填和灌漿2種方法結(jié)合起來的一種方法，即壩頂挖除1.8 m并進(jìn)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(zhì)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(píng)價(jià)，工程投資5 876.53萬(wàn)元。

從可操作性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等方面對(duì)3種裂縫處理方法進(jìn)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(jiǎn)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(wěn)定性的提高情況都難以判定和評(píng)價(jià)。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(xiàn)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(dòng)，壩頂是抗震的關(guān)鍵部位。因此，應(yīng)注重對(duì)壩頂?shù)目拐鸺庸?。接近壩頂范?一般為1/5壩高)為抗震的關(guān)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(nèi)可鋪設(shè)土工格柵、鋼筋網(wǎng)片、錨梁、錨墩等工程措施。

壩頂?shù)卣鹌茐闹饕羌羟衅茐?，為了防止壩頂?shù)募羟衅茐模ǔＴ趬雾斈雺哼^程中加入土工格柵或鋼筋網(wǎng)片進(jìn)行加固處理。土工格柵具有一定的彈性，剛度差；鋼筋網(wǎng)片剛度較好，抗震效果較好。新疆近年來土石壩抗震設(shè)計(jì)取得了較為顯著的成效。大石門水庫(kù)工程[2-5]、努爾水庫(kù)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(wǎng)片的抗震處理措施[9-10]。吉林臺(tái)水庫(kù)工程采用的錨梁的抗震處理措施。

根據(jù)本工程的實(shí)際情況，通過參考類似工程，西克爾水庫(kù)壩頂抗震措施通過對(duì)土工格柵加筋、玻纖土工格柵和鋼筋網(wǎng)片3種常用的抗震措施進(jìn)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(nèi)壩體厚度薄，地震易產(chǎn)生滑移，因此壩頂1.8 m范圍內(nèi)，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(biāo)準(zhǔn)以壓實(shí)度≥98%控制。土工格柵加筋或玻纖土工格柵插入護(hù)坡板鋼筋網(wǎng)片中，與鋼筋綁扎連接。

方案2采用鋼筋網(wǎng)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(wǎng)片鋪設(shè)。但西克爾水庫(kù)壩體填筑料氯離子較高，對(duì)鋼筋具有腐蝕性，該方案不合適。

從經(jīng)濟(jì)、施工、合理性等方面進(jìn)行比較。本工程土工格柵加筋工程造價(jià)659.87萬(wàn)元，璃纖土工格柵工程投資649.99萬(wàn)元，鋼筋網(wǎng)片工程投資584.07萬(wàn)元。鋼筋網(wǎng)片雖然剛度強(qiáng)，抗震效果好，但其施工困難、周期長(zhǎng)、抗腐蝕性差、層距大(一般大于5.0 m)。西克爾水庫(kù)壩體填筑料氯離子較高，對(duì)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(hù)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(jià)相差不大，參考類似工程(大石門水庫(kù)工程、努爾水庫(kù)工程、雅礱江水庫(kù)工程)經(jīng)驗(yàn)，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(hù)坡形式比選

上游壩坡采用20 cm厚鋼筋混凝土護(hù)坡。主要對(duì)下游護(hù)坡形式進(jìn)行鋼筋混凝土護(hù)坡和鋼筋混凝土網(wǎng)格梁護(hù)坡2種方案進(jìn)行比選。方案1：下游護(hù)坡采用20 cm厚鋼筋混凝土護(hù)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(wǎng)格橫斷面300 mm×300 mm鋼筋混凝土網(wǎng)格梁護(hù)坡。2種方案在該地區(qū)均適用。主要從經(jīng)濟(jì)性、抗震穩(wěn)定性上進(jìn)行比較。

表1 上下游護(hù)坡形式比選表

方案1上下游均采用鋼筋混凝土板護(hù)坡，其工程造價(jià)為695.03萬(wàn)元；方案2上游鋼筋混凝土板護(hù)坡+下游網(wǎng)格梁護(hù)坡，其工程造價(jià)578.66萬(wàn)元，方案1較方案2貴116.36萬(wàn)元。方案1的上下游均采用鋼筋混凝土板護(hù)坡，可將壩體填筑材料封閉在一個(gè)整體內(nèi)，可有效提高壩體整體穩(wěn)定性[12]，有利于壩頂抗震；方案2的上游鋼筋混凝土板護(hù)坡+下游網(wǎng)格梁護(hù)坡，由于下游網(wǎng)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(wěn)定性較差，不利于壩頂整體抗震。本次設(shè)計(jì)推薦采用上下游鋼筋混凝土護(hù)坡板的護(hù)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(xiàn)澆鋼筋混凝土護(hù)坡，護(hù)坡底部設(shè)置500 mm×500 mm的高抗硫酸鹽防滑齒墻，混凝土強(qiáng)度為C35F200W4。護(hù)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(wǎng)片。鋼筋網(wǎng)片與土工格柵綁扎連接。

圖6 主壩段除險(xiǎn)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(xiǎn)加固細(xì)部結(jié)構(gòu)圖 單位：高程，m;尺寸，mm

4 大壩震后修復(fù)方案設(shè)計(jì)

主壩壩長(zhǎng)4 546.0 m，自左向右樁號(hào)為0+000.00 m～4+546.00 m，“1.19”地震后，主壩壩體產(chǎn)生縱向裂縫、局部壩基發(fā)現(xiàn)地震液化現(xiàn)象，其中壩體縱向裂縫主要發(fā)生在0+507.00 m～2+133.00 m壩段，其他壩段無裂縫出現(xiàn)。

(1) 主壩0+000.00 m～0+500.00 m、2+150.00 m～4+546.00 m段本次現(xiàn)場(chǎng)檢查壩頂部位雖未見裂縫，但2005年除險(xiǎn)加固實(shí)施的主壩上游坡上部干砌石護(hù)坡經(jīng)過近幾年的地震影響，已經(jīng)發(fā)生干砌石松動(dòng)和出現(xiàn)裂縫的情況。本壩段最大壩高也達(dá)到了7 m，局部壩段填筑質(zhì)量也不滿足要求。該壩段本次加固將2005年除險(xiǎn)加固實(shí)施的松動(dòng)、裂損的干砌石護(hù)坡拆除，將壩體重新填筑，上下游護(hù)坡采用混凝土板將填筑料包封加固，以達(dá)到對(duì)下部土體壓實(shí)蓋重的作用。該段的設(shè)計(jì)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)以壓實(shí)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)以壓實(shí)度≥98%控制。

(2) 為提高壩體抗震性能，限制由地震等原因產(chǎn)生的裂縫發(fā)展[13-14]，壩體內(nèi)分3層鋪設(shè)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(shè)置20 cm厚鋼筋混凝土護(hù)坡板，單層鋼筋網(wǎng)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(shè)的土工格柵綁扎連接。上下游壩坡鋼筋混凝土護(hù)坡板下部設(shè)40 cm砂礫石防凍層。

(4) 壩頂設(shè)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(shè)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(jié) 論

本文針對(duì)西克爾水庫(kù)“1·19”地震后發(fā)生的壩體震損破壞情況，對(duì)除險(xiǎn)加固措施進(jìn)行了比較論證，選擇了安全合理的除險(xiǎn)加固措施，并對(duì)壩體進(jìn)行了除險(xiǎn)加固方案設(shè)計(jì)：① 為消除壩體裂縫，對(duì)壩體存在的壩坡裂縫先挖除后重新進(jìn)行填筑，分層碾壓；② 為提高壩體抗抗震能力，分3層鋪設(shè)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(jié)合的方式進(jìn)行抗液化處理措施。