劉洪濱

（新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊，830049）

1 概述

西克爾水庫位于新疆喀什地區(qū)伽師縣西克爾鎮(zhèn)，距喀什市160 km[1]。工程始建于1958年初，1958年12月竣工，1959年初投入使用，是典型的三邊工程。水庫大壩為均質(zhì)土壩，全長13 km，其中主壩段長4.5 km，最大壩高7 m，壩頂寬8.5 m；副壩段長8.7 km，最大壩高4.4 m，壩頂寬5 m。設(shè)兩座放水涵洞和一座溢洪道（開敞式與有閘控制相結(jié)合）。2020年核定水庫總庫容為10 041萬m3，工程等別為大（2）型，水庫主要承擔(dān)灌溉任務(wù)。工程區(qū)位于塔里木地臺二級構(gòu)造單元柯坪斷塊隆起和塔里木坳陷接壤處，在塔里木西南坳陷的麥蓋提斜坡構(gòu)造單元內(nèi)。近場區(qū)構(gòu)造活動強烈，地震發(fā)生頻繁，震中主要位于柯坪斷裂帶中部，尤其以柯坪斷裂（F1）與普昌斷裂（F3）交匯處最為集中。工程區(qū)50年超越概率10%的地震動峰值加速度為0.2g，對應(yīng)的地震基本烈度為Ⅷ度，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性差。

我國許多學(xué)者基于水庫震害資料分析了不同類型大壩的破壞特性[2-6]，特別是2008年汶川地震后，用較詳實震害資料分析了地震對水庫大壩安全的影響[7-10]，但上述研究主要針對單次地震情況下的大壩安全分析，鮮見多次強震作用下大壩震損特性及抗震安全分析的研究資料。而西克爾水庫建成后，經(jīng)1961年、1971年、1977年、1996年、2011年和2020年6次較強地震[1-2]，每次地震對水庫工程均有不同程度的破壞，震后修復(fù)和除險加固的方案各有特點。筆者總結(jié)了歷次地震對水庫大壩的破壞情況，以及震后除險加固措施，分析研究了水庫大壩抗震安全性，為今后強震區(qū)水工建筑物的設(shè)計提供參考。

2 歷次震損特性分析及加固措施

西克爾水庫大壩歷次震損情況及加固措施見表1。由表1可知：

表1 西克爾水庫大壩歷次震損情況及加固措施Table 1 Previous earthquake damage and reinforcement measures for Xikeer reservoir dam

（1）水庫位于地震多發(fā)區(qū)，建成后約每10年經(jīng)受一次地震，地震震級5.8～6.9級，水庫地面烈度Ⅶ～Ⅷ度。

（2）每次地震均造成水庫大壩不同程度破壞，歷次震損均出現(xiàn)壩體裂縫和噴水冒砂，特別是第一次地震出現(xiàn)了局部潰決，第六次地震出現(xiàn)了局部砂土液化。

（3）第一次地震壩體出現(xiàn)縱向裂縫和橫向裂縫，以橫向裂縫為主；其余幾次地震壩體裂縫主要為縱向裂縫，最大縫寬50 cm（第四次地震，且震級最大，為6.9 級），最長縫1 000 m（第二次地震），最深縫4.3 m（第六次地震）。

（4）第一次地震壩體震損最嚴重，這與該水庫前期施工質(zhì)量差、壩體碾壓不密實有關(guān)。震損還與震級密切相關(guān)，震級越高，震損越嚴重。

（5）對大裂縫采用挖槽回填壤土并分層壓實，對小裂縫采用泥漿或壤土充填，后續(xù)運行情況表明，對不同震損情況采用不同的加固措施效果較好。

3 抗震安全分析

西克爾水庫位于多地震帶，特別是1990年以來，柯坪斷裂帶共發(fā)生20 多次震級大于4 級的地震，震中主要位于柯坪斷裂帶中部，尤其以兩大斷裂帶交匯處最為集中。水庫距普昌斷層垂直距離50 km，距柯坪斷層垂直距離2 km，距兩斷層交點25 km。水庫處于構(gòu)造活動強烈的強震區(qū)，地震頻繁，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性差。據(jù)史料記載，庫區(qū)在1802年發(fā)生過一次7 級以上地震，水庫建成后，1961—2020年共發(fā)生6 次對水庫有較大破壞的地震。因此，分析水庫抗震安全性對確保工程安全和采取應(yīng)對措施具有重要的技術(shù)支撐作用。

3.1 壩基液化分析

主壩和副壩壩基標(biāo)貫試驗結(jié)果及液化可能性評判見表2～3，從中可看出：（1）主壩壩基局部有地震液化可能性，液化土多為低液限粉土和粉土質(zhì)砂。其中0+200～1+500 m段壩基7～9 m以上以低液限黏土和低液限粉土為主，夾粉土質(zhì)砂和粉細砂層，厚度一般為0.5～1.5 m，局部厚可達3.8 m，該層粉細砂有液化可能性；壩基7～9 m以下以粉細砂為主，局部夾低液限粉土透鏡體，該層粉細砂7～15 m范圍內(nèi)有液化可能性。（2）副壩壩基局部有地震液化可能性，其中0+000～2+685 m段主要分布于壩基4 m 以上粉土質(zhì)砂透鏡體中，2+685～8+767 m 段主要分布于壩基8 m 以上低液限粉土及粉土質(zhì)砂層中。

表2 主壩壩基標(biāo)貫試驗結(jié)果及液化可能性評判Table 2 Standard penetration test results and evaluation of liquefaction possibility of the main dam foundation

表3 副壩壩基標(biāo)貫試驗結(jié)果及液化可能性評判Table 3 Standard penetration test results and evaluation of liquefaction possibility of the auxiliary dam foundation

3.2 壩體裂縫分析

西克爾水庫壩體為低液限黏土和低液限粉土為主的均質(zhì)壩。其中低液限粉土黏粒（d＜0.005 mm）顆粒含量小于15%，飽和動強度指標(biāo)c=25 kPa、Φ=10°，約為1/3靜強度。該類飽和土在周期性動應(yīng)力作用下，孔隙水壓力隨震次的增加而增加。在往復(fù)的震動作用下，土體的孔隙水壓力增長加劇，土骨架的體變迅速增長，土的強度降低，出現(xiàn)類似砂土液化的斷裂破壞（εf=15%）現(xiàn)象。特別是垂直于壩軸線的地震橫波震動，導(dǎo)致壩體加速產(chǎn)生縱向裂縫。

西克爾水庫原設(shè)計未考慮抗震因素，建庫時未采取任何抗震工程措施。壩體填筑為人工夯填，壩體壓實度較低，1996年壩體探坑資料反映壓實度僅為0.92，2020年探坑資料反映壩體壓實度為0.97～0.99，說明在多次地震作用下，壩體土顆粒有變緊密的趨勢。

4 處理措施建議

西克爾水庫建于地震多發(fā)區(qū)，工程條件先天不足，壩體碾壓不密實，壩基位于易液化的粉土質(zhì)砂和粉細砂地層上，且原設(shè)計未考慮抗震措施，導(dǎo)致水庫自建成后一直處于地震高風(fēng)險運行狀態(tài)。約每10年一次的震損使下游1.5萬人民生命財產(chǎn)安全和17 333萬m2耕地灌溉用水受到嚴重影響，因此對水庫進行一次系統(tǒng)的除險加固非常必要。根據(jù)水庫大壩歷次震損情況及抗震安全分析結(jié)論，建議采取如下主要處理措施：

（1）因壩基及主要建筑物基礎(chǔ)7～9 m 以上以低液限黏土和低液限粉土為主，夾粉土質(zhì)砂和粉細砂層，為防止壩基局部淺層液化，以及壩體因地震產(chǎn)生裂縫，建議對壩體與壩基采用高壓旋噴注漿處理，對主要建筑物基礎(chǔ)采用高壓旋噴注漿圍封處理，同時對壩體增加排水減壓措施。

（2）壩后排水和蓋重。歷次震損后加固措施均以增加壩后蓋重為主，且只對出現(xiàn)破壞或液化部分增設(shè)排水和蓋重，未形成全壩段壩后排水系統(tǒng)，未形成整體壩后蓋重且段面偏小，未統(tǒng)一回填壩后取土坑，導(dǎo)致形成了基礎(chǔ)液化后的溢出通道，建議重新設(shè)計壩后排水和蓋重系統(tǒng)。

（3）建議加高局部壩體，通過設(shè)置合理的壩頂超高補償動態(tài)沉陷值，防止壩體因地震沉陷導(dǎo)致漫頂破壞。

（4）適度放緩坡度。建議對壩體進行抗震穩(wěn)定計算，根據(jù)計算結(jié)果及抗震安全評價，采取針對性措施處理壩坡抗震穩(wěn)定問題，如：將校核洪水位以上的上下游壩坡適當(dāng)放緩，在校核洪水位位置設(shè)置馬道平臺，以抗擊動荷載；上游防浪護坡可采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，適度加大板厚；壩后坡可采用砂礫石網(wǎng)格護坡。

5 結(jié)語

（1）西克爾水庫位于地震多發(fā)區(qū)，建成后約每10年經(jīng)受一次地震，地震震級5.8～6.9級，水庫地面烈度Ⅶ～Ⅷ度。

（2）水庫工程條件先天不足，壩體施工質(zhì)量差，碾壓不密實。每次地震均造成水庫大壩不同程度破壞，歷次震損均出現(xiàn)壩體裂縫和噴水冒砂，第一次地震出現(xiàn)了局部潰決，第六次地震出現(xiàn)了局部砂土液化。壩體震損與震級密切相關(guān)，震級越高，震損越嚴重。

（3）抗震安全分析表明，主壩和副壩壩基局部有地震液化可能性，液化土多為低液限粉土和粉土質(zhì)砂。地震使壩體易產(chǎn)生裂縫，特別是地震橫波，易導(dǎo)致壩體產(chǎn)生縱向裂縫。

（4）原設(shè)計未考慮抗震措施，歷次震損后加固措施均以增加壩后蓋重為主，未形成系統(tǒng)加固措施，導(dǎo)致水庫自建成后一直處于地震高風(fēng)險運行狀態(tài)，對下游1.5萬人民生命財產(chǎn)安全造成巨大威脅，因此對水庫進行系統(tǒng)的除險加固非常必要。