新疆高土石坝抗震措施研究综述

李红梅，王建新,2，吕彦源

(1.新疆农业大学 水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆农业大学 新疆水利工程与水旱灾害防治实验室，新疆 乌鲁木齐 830052)

1 概述

我国水资源丰富，但总体分布不均匀，80%的水能资源分布在西部地区。要充分利用好这部分水资源，避免不必要的浪费，需修建大量水库大坝来调节汛期洪水及上游来水，解决干旱和洪涝灾害，从而促进当地社会经济发展。我国西部地区地势辽阔，相比于其他地区，更适合建设高坝大库，但其地形复杂多样，多山地、高原，而且很多坝址处存在深厚覆盖层，选择合适的坝形显得尤为重要。土石坝对地质条件要求较低，能适应各种复杂地质条件，施工方便，可就地取材，抗震性能好，基于这些优点，土石坝成为了高坝建设的主流坝形。近年来，我国修建的高坝更多地选择采用土石坝坝型，如长河坝心墙堆石坝(最大坝高240m)、阿尔塔什面板堆石坝(最大坝高164.8m)、糯扎渡心墙堆石坝(最大坝高261.5m)等，为响应国家号召，推进发展西部大开发的国家战略，我国将建设一批200m级以上的高土石坝工程，如两河口心墙堆石坝(最大坝高295m)、双江口心墙土石坝(最大坝高315m)、新疆大石峡混凝土面板砂砾石坝(最大坝高247m)、新疆玉龙喀什混凝土面板堆石坝(最大坝高229.5m)等。

由于水资源空间分布的限制，这些高土石坝的建设及运行条件更加复杂，它们大多修建在我国西部地区，而西部地区地震频发、强度大、覆盖层深厚、气候条件恶劣。这些高坝大库一旦遭遇强震，将会带来一系列次生灾害，后果也将是灾难性的。近几十年来，我国已发生了多次大地震，由此造成了重大灾害。

新疆地处欧亚大陆腹地，青藏高原地震带，属于地质构造运动相对活跃的地区，其地震活动频度高、强度大、分布广。据统计，20世纪新疆发生6级以上地震102次，其中7级地震14次，8级地震2次，因此我们应重视新疆高土石坝的抗震安全以及抗震措施等方面的研究[1-2]。

本文以新疆吉林台一级水电站大坝为例，分析其抗震设计以及在经历“8·9精河”地震后的运行情况。总结国内外高土石坝在地震荷载作用下常见的几种破坏形式，以此为基础研究新疆大坝工程抗震设计特色及抗震措施，为新疆高土石坝抗震设计研究和工程建设实践提供理论和技术支撑。

2 工程概况

新疆吉林台一级水电站位于新疆伊犁喀什河上，距尼勒克县城32km，交通便利。此工程以发电为主，兼顾灌溉和防洪等综合效益。电站枢纽建筑物主要由混凝土面板砂砾石坝、泄洪隧洞、开敞式溢洪道、发电引水隧洞和厂房组成，为大(Ⅰ)型水利枢纽工程。其中吉林台一级面板坝的最大坝高为157m，坝顶高程1427m，坝顶长度445m，坝顶宽度12m，上游坝坡1∶1.7，下游马道间坝坡1∶1.5，平均坝坡1∶1.96[3]。

电站机组于2006年全部投产发电。2017年8月9日在博尔塔拉蒙古自治州精河县发生了6.6级地震，震源深度达11km，震后还发生了多次3级到4级不等的余震，据分析震后大坝结构完好，后续仍能正常运行。

3 抗震设计及震后运行情况

大坝坝址地震基本烈度为8度，设防烈度为9度[4]。

3.1 坝坡设计

上游坝坡1∶1.7，下游马道间坝坡1∶1.5，并在下游设置5条“之”字型上坝公路，公路路面宽设为12m，这样的设计使得坝体下游平均坝坡放缓，并且在下游形成了压重区，可以防止在地震作用下下游坝坡上部块石松动滚落、坝面产生滑坡或者产生较大的水平位移。坝体下游坝坡铺设了钢筋混凝土板和钢筋混凝土网格梁，增强下游坝坡稳定性，保持坝坡的整体性，从而增强坝体抗震性能。

3.2 坝顶设计

坝顶设置4m的地震安全超高和6m的防浪墙，以防止地震时库水发生涌浪或坝体下陷导致库水漫坝。设置坝顶宽度为12m，若坝坡发生浅层滑动，此时坝顶仍能具备支承上游防浪墙和面板的作用，避免发生大的坍塌事故。

3.3 震后运行情况

根据综合检查分析，地震导致坝体产生了2.65mm的震陷，还造成大坝上游坝顶产生水平位移，方向指向下游，最大水平位移为2.48mm，坝顶未出现明显的沉陷、错动现象。地震前后面板周边缝和垂直缝变化较小。周边缝面板渗压和坝基渗压总体上处于稳定状态。大坝浸润线没有发生明显变化，震后1h内大坝库水位也没有发生明显变化，但经过检查，发现大坝渗漏量突增，最大渗漏量达到了144L/s，震后约12h后渗漏量趋于稳定水平，最后又恢复到震前水平，综合分析大坝震后情况可知，吉林台大坝经历“8·9精河”6.6级地震，其抗震设计及抗震措施经受住了此次地震的考验，吉林台一级大坝结构完好[5]。

4 高土石坝震害破坏形式

根据对大量震害资料的调查研究，可以将高土石坝典型震害的破坏形式分为永久变形、滑坡、防渗体破坏、液化、次生灾害等5种类型。无论是哪种破坏形式，都会对坝体安全产生影响，威胁到人民生命安全，理应同等重视。

4.1 永久变形

坝体永久变形是指坝体在发生地震时，在地震作用下产生沉降和水平位移变形，且此种变形不可恢复。坝体在地震作用下，强度降低，各个部位受力发生变化，震后坝体各部位变形不一致，坝体产生不同程度的沉降，溃坝风险增加，对大坝安全产生威胁[6]。紫坪铺面板坝在经历汶川地震后，大坝产生明显变形，坝体变形整体向内收缩，大坝二、三期混凝土面板施工缝发生了错台，缝间的钢筋被折弯成“Z”字型[7]，地震还造成混凝土面板周边缝发生沉陷、张开、剪切变形，这些变形都是不可恢复的，坝体产生了永久变形，其震后变形破坏情况如图1所示。

图1 紫坪铺面板堆石坝震后变形破坏情况[8]

4.2 滑坡

滑坡指地震作用下坝坡发生整体或局部的顺坡向滑动。在地震力作用下，坝坡承受的惯性力改变，表面形成裂缝，坝体的各项力学强度指标降低，坝体内部超孔隙水压力增大，地下水位上升，使得坝体的抗剪切强度下降，从而使原来稳定的坝坡失稳，发生滑动。2003年2月24日，新疆喀什巴楚县发生里氏6.8级地震，小海子水库位于巴楚县境内，此次地震造成小海子水库的北库大坝——永安坝发生了30m滑坡，致使大量人员伤亡、建筑物倒塌。土石坝上游一侧易发生滑坡，造成伤亡事故。面板堆石坝上游有面板，且面板有堆石支撑，不容易发生整体塌滑。但在地震作用下，坝顶的地震水平向加速度反应比坝底部位大的多，坝顶强烈的地震反应可能造成上部坝顶局部失去平衡，使得坝顶区结构松动、滑塌[9]。

4.3 防渗体破坏

土石坝防渗的核心结构是防渗体，由于填筑坝体材料不同，土石坝有土坝和堆石坝2种类型，根据土石坝的分类，防渗体破坏有面板的破坏和心墙的破坏。发生地震时，坝体会产生变形，防渗心墙或混凝土面板的变形与坝体变形不相协调，从而使防渗心墙或混凝土面板产生破坏。防渗体破坏会形成裂缝，裂缝会造成坝体产生渗漏，当坝体存在贯穿性裂缝或者坝基节理裂隙时，受地震作用影响，这种裂缝会进一步发展成更长、更深的裂缝，有时裂缝与裂缝之间会产生错动现象，最终引起渗漏。渗漏的主要表现形式有坝体下游坝坡坡脚处出现漏水、浸润线抬高等，严重时出现管涌、流土等。因此防渗体破坏的危害不容小觑。

4.4 液化

土体液化是指发生地震时，地震的振动将砂土及粉土进行振实，使其更加密实，从而造成孔隙水压力增加，骤然增加的孔隙土压力来不及消散，使有效应力减小，土体的抗剪强度趋于零，砂土颗粒局部或全部处于悬浮状态，形成“液体”[10]。液化包括坝基液化和反滤料液化。如果土石坝坝基含有易液化的砂土层或坝基防渗措施不当，正常运行时就已漏水，使下游坝坡和坝基处于饱和状态，那么地震时就会发生喷水冒砂等液化现象。陡河土坝地基为弱粘性土和砂层，在唐山大地震中，地基产生液化、坝脚出现喷水冒砂的现象。

4.5 次生灾害

地震可能引发的次生灾害有滑坡、塌方、火灾、冻灾、毒气污染、细菌污染、放射性污染、瘟疫等，沿海地区可能遭受海啸。这些灾害又对人们的日常生活和社会经济产生不同程度的破坏和损伤，尤其是会危害到人们的生命安全，因此我们对于次生灾害的关注应同其他震害形式一样重视。

5 高土石坝抗震措施

新疆高土石坝的抗震结构设计主要体现了“稳、控、防、排”抗震理念[11]。新疆已建高土石坝和在建高土石坝的抗震设计大多遵循这一抗震理念。表1所列是综合总结的新疆典型高土石坝工程抗震措施。通过分析新疆典型高土石坝的抗震措施，可以将其分为坝体抗震措施和坝基抗震措施。

表1 新疆典型高土石坝工程抗震措施

5.1 坝体抗震措施

坝体抗震措施有放缓坝坡、加大坝宽、改善坝料、压重固脚或使用加筋结构等。

5.1.1放缓坝坡

对于强震区高土石坝，一般宜在顶部约1/5～1/4坝高范围内适当放缓坝坡，必要时设置马道。如果坝坡过于陡峭，坝体上部块石容易滚落，坝体下部压重不足，更容易发生滑坡。

5.1.2加大坝宽

地震作用下，坝顶加速度反应尤其剧烈，坝顶区域可能发生滑动。为保证坝顶区安全，坝顶应设置有足够的宽度，并在强震区域适当加宽[18]，使得在发生强震后坝顶区域发生塌滑时，剩余的坝顶部分堆石体仍能对整个坝体起到支撑作用，不至于产生溃坝。

5.1.3改善坝料

坝体填筑料选用抗剪强度高的材料，并相应地提高压实标准，有利于提高坝体和坝坡的抗震性能。坝体材料合理分区也是需要注重的一点，坝体各部位受力不同，所具备的工作条件不同，对填筑材料的各项性能指标要求不同，在适当的部位选用相应合适的坝料，既节省材料又能有效地发挥特定作用。具体如何分区，需根据所给工程进一步进行相关试验研究。坝体材料填筑顺序也尤为重要，现场施工时应注意。

5.1.4加重固脚

为了防止滑坡体发生滑动，可在坝趾位置采用大块石压重，从而增大此部位的抗滑稳定性，还可在坝体下游坝面设置干砌石护坡，避免地震时大的块石滚落。坝体边坡大多存在潜在的滑动面，为了有效控制边坡滑动面的整体稳定，需在坝脚处设置大块石压重。

5.1.5使用加筋结构

在坝体和坝坡内设置加筋结构有助于保证坝体的完整性，还有利于坝体稳定。可以根据工程的具体情况决定是否采用加筋结构或者选择怎样的加筋结构才能起到最大作用。可选用的加筋措施有埋设土工格栅、铺设钢筋网、边坡钉结、坝面钉结等。

在进行坝体抗震设计时还应该考虑足够的地震涌浪高度和地震附加沉陷[19]；加强心墙与基座或面板与坝体各分区间及其与坝基和岸坡的连接。防止在地震作用下产生较大裂缝进而发生破坏。

5.2 坝基抗震措施

坝基是坝体的根基，坝基的修建往往需要满足诸多要求，由此可看出其重要性。若坝基中存在软弱土层，尤其是存在可液化土层时，需将这层土层挖除，也可进行振动加密或采用土钉、堆石柱体等措施。

6 结论

近年来我国修建的高土石坝也分布在西部地区，而在西部地区地震频繁发生，必然会对坝体产生影响，因此抗震安全问题是高土石坝建设的关键问题之一。新疆地理位置特殊，大大小小的地震频发，近年来新疆新一批高坝大库正在修建中，高坝大库遭遇高强度地震的工程实例太少，无法保障今后此类高土石坝的抗震安全，所以应加快推进对新疆高土石坝抗震安全问题的研究

本文根据新疆在建及已建高土石坝工程的抗震措施设计，总结出新疆地区高土石坝工程普遍采用的抗震措施，为今后高土石坝抗震实践提供了科学有效的解决方案。