512汶川地震中的大壩震害分析

512汶川地震中的大壩震害分析

江油市震害概況在5.12號事件中。四川地震嚴重破壞了地震區(qū)域內(nèi)的水利工程，造成了巨大的損失。但它為今后的海防和抗災(zāi)性地震活動提供了寶貴的經(jīng)驗。為了總結(jié)經(jīng)驗,震后對四川震區(qū)內(nèi)的水壩震害情況進行了實地調(diào)查和資料收集,并進行了初步震害分析和總結(jié)。四川省水壩建設(shè)數(shù)量眾多,選擇有代表性的地域進行震害調(diào)查,即可宏觀了解水壩的震害特點。文中選取江油市為震害樣本調(diào)查地點,是基于如下2個原因:其1,江油市已建成各類水庫187座,其中,中型水庫2座,小型水庫185座,數(shù)量眾多;其2,江油市地處此次地震極震區(qū),大部分地區(qū)烈度為8度,部分為9度和10度(見圖1),187座震損水庫中潰壩險情水庫15座,高危險情水庫45座,次高危險情水庫127座(高危險情以上水庫分布見圖1)。險情主要表現(xiàn)為大壩裂縫、塌陷、滑坡、滲漏、起閉設(shè)施損壞、其他放水設(shè)施、溢洪道、管理房不同程度震損等形式。1地震破壞分析汶川地震中,江油市震損水壩具有如下特征:震毀水壩數(shù)量多(全部有震害)、分布廣、險情重、險情種類多、土石壩震損嚴重,詳情如下。1.1震損水庫總開發(fā)江油市震時已建成的水壩共有187座,這些水壩在汶川地震中全部遭到了損毀,占此次地震中8省市(四川、重慶、陜西、云南、甘肅、貴州、湖北和湖南)震損水庫總數(shù)(2666座)的7.01%,占四川省震損水庫總數(shù)(1996座)的9.37%。震損水庫分布在江油市31個鄉(xiāng)鎮(zhèn),如圖1所示。1.2高危險情水庫系統(tǒng)震損水壩按受損程度分為潰壩險情、高危險情和次高危險情3類。江油市震損的187座水壩中,潰壩險情水庫15座,高危險情水庫45座,次高危險情水庫127座。此次地震中潰壩險情水壩總數(shù)為69座(全部在四川省),江油市潰壩水庫占到了21.74%;高危險情水庫總數(shù)為331座(其中310座在四川省),江油市占到了13.60%(占四川高危險情水庫總數(shù)的14.52%)。震損程度由此可見相當嚴重,對人民的生命財產(chǎn)形成了極大威脅。1.3水庫安全分析地震造成的187座水壩中,險情主要表現(xiàn)為大壩裂縫、大壩塌陷、滑坡、滲漏、起閉設(shè)施損壞、其他放水設(shè)施、溢洪道、管理房不同程度震損等形式,其中50%以上的水庫同時出現(xiàn)多種險情,水庫險情十分嚴重。1.4型水庫均質(zhì)土壩187座震損水庫中,中型水庫2座,均為均質(zhì)土壩,21座小(一)型水庫中20座為均質(zhì)土壩,164座小(二)型水壩均為不同形式的土石壩,其中絕大部分屬于均質(zhì)土壩。表1給出了典型土石壩震害基本情況,包括15座潰壩險情水壩,2座中型高危險情水壩。2水庫地震的典型特征2.1部分大壩的縱向裂縫引起大壩地震縱向裂縫多出現(xiàn)在壩頂(見圖2),震損嚴重的土壩也出現(xiàn)在壩頂附近的上下游一側(cè);縱向裂縫的數(shù)量與規(guī)模都遠大于橫向裂縫(圖3),大部分縱向裂縫都是壩頂附近的淺表裂縫,不會危及到大壩安全;部分土壩的縱向裂縫張開度大、條數(shù)多,張開度最大的達到30～40cm,有的土壩在壩頂附近有3～6條縱縫,這種情況往往為滑坡前兆,有的甚至已經(jīng)出現(xiàn)滑坡,大壩已經(jīng)相當危險。壩頂?shù)目v向裂縫通常是由于地震往復(fù)運動引起壩體內(nèi)產(chǎn)生上下游方向的拉應(yīng)力所致;壩頂附近的上、下游一側(cè)的縱向裂縫則有可能是由于地震運動慣性力引起的剪切裂縫。剪切裂縫一般表現(xiàn)為裂縫兩側(cè)有高差、上大下小的V字形,有滑動趨勢。由于與上下游方向的壩寬相比,壩的軸向尺度大,又有壩肩約束,因此橫向裂縫數(shù)量較少,且其張開度一般小于縱向裂縫。2.2壩體土體積力水庫大壩上游坡破壞比例較高。主要原因是由于壩頂寬度偏窄、壩坡偏陡、護坡墊層料選擇不合適、以及施工質(zhì)量差等,在水平向和豎向地震動作用下,壩體土受到的體積力增大,使壩坡向下的剪應(yīng)力增大,從而引起壩坡塌陷及滑坡現(xiàn)象(見圖4和圖5)。這些現(xiàn)象是水壩地震穩(wěn)定性不足的表現(xiàn),應(yīng)研究其破壞機制,以指導(dǎo)今后的水壩抗震設(shè)計。2.3壩下滲流致壩型滲漏(見圖6和圖7)大多表現(xiàn)為土壩下游壩坡浸水,浸潤線抬高;壩基或壩肩漏水,嚴重的同時出現(xiàn)兩種或多種情況滲漏。滲漏嚴重的在下游壩坡及壩腳形成沼澤化,有集中漏水點,漏水點發(fā)生管涌、流土等現(xiàn)象;壩下涵管頂部或邊墻出現(xiàn)射流、底板冒水,發(fā)生接觸沖刷。分析原因可能有以下幾點:1.大壩遭受白蟻危害,蟻道貫穿土壩上下游而形成集中滲漏通道;2.地震引起土壩裂縫、滑坡等震害而使大壩滲漏。3.土壩大多采用人工清基,河床部位施工難度大,壩基沖洪積層清基不徹底,致使壩體和壩基結(jié)合部產(chǎn)生滲漏;4.防滲措施不到位,壩基未設(shè)置截水槽或截水槽深度不夠。2.4其他地震現(xiàn)象水壩的其他震害現(xiàn)象包括泄水構(gòu)筑物震損、溢洪道砌石震松和崩落(見圖8)、防浪墻倒塌(見圖9)和壩坡?lián)跬翂Φ顾取?水庫震損情況總結(jié)為了更好地對5.12汶川地震中震損水庫的特點進行總結(jié)分析,為以后的水壩抗震設(shè)計提供有益的經(jīng)驗,從江油市60座高危險情以上震損水庫中選取了具有代表性的2座水庫,就各自的震損特點加以分析、說明。3.1馬鳳尼姑水庫3.1.1以灌溉為主的小二型水利工程馬鳳庵水庫屬涪江流域,為攔蓄式水庫。水庫總庫容48.1萬m3,正常蓄水位相應(yīng)庫容43.2萬m3,死庫容2.5萬m3。水庫始建于1974年,建成于1977年3月,是一座以灌溉為主,兼有防洪等綜合功能的小(二)型水利工程。水庫大壩為均質(zhì)土壩,按30年一遇洪水設(shè)計,300年一遇洪水校核。水庫大壩最大壩高13.1m,壩頂長152m,壩頂寬4.0m。大壩上游邊坡從壩頂至壩腳平均坡度為1:2.0,坡面無防浪護坡,下游邊坡從壩頂至壩腳平均坡度為1:2.5,坡面為天然草皮護坡,大壩剖面見圖10。大壩壩體施工質(zhì)量較差,滲漏嚴重,排水體單薄,正常蓄水位風(fēng)浪淘蝕較嚴重,“5.12”汶川地震中發(fā)生潰壩險情。3.1.2地震破壞描述3.1.2.壩后坡號裂縫(1)縱向裂縫:壩頂?shù)蘑偬柫芽p延伸約100m,裂縫最大寬度300mm,最大可探深度1.5m,張開狀態(tài),壩頂中部裂縫兩側(cè)已形成約100mm錯臺,靠上游部分壩體已明顯下沉約25cm。見圖11和圖12。壩后坡的②號裂縫延伸約75m,裂縫最大寬度30mm,張開狀態(tài)。該裂縫5月12日主震后開裂,余震對裂縫的影響比較大,裂縫繼續(xù)發(fā)展。見圖13。壩后坡的③號裂縫延伸約85m,裂縫最大寬度15mm,張開狀態(tài)。壩前坡的④號裂縫延伸約75m,裂縫最大寬度15mm,張開狀態(tài)。(2)橫向裂縫:壩頂及上、下游壩坡發(fā)現(xiàn)數(shù)條橫向裂縫,其中,⑤裂縫最大寬度20mm,最大深度超過1m。裂縫橫切貫穿壩頂,在壩后坡與③號裂縫相交,壩前坡沿坡面向坡腳方向延伸3.5m。見圖11。3.1.2.壩前坡局部滑坡的后果據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,壩頂?shù)蘑偬柫芽p可能構(gòu)成上游壩坡整體滑坡的后緣;壩前坡的④號裂縫,結(jié)合上游坡存在沖刷陡坎,可能構(gòu)成上游壩坡局部滑坡的后緣。見圖10。3.1.2.3.滲透變化據(jù)調(diào)查,震后壩體、壩肩和壩基均未發(fā)現(xiàn)明顯滲流變化。3.1.2.4.排水建筑物和其他建筑物的損壞地震后原有溢洪道未受到明顯損壞。輸水臥管涵也未受到明顯損壞,能正常放水。3.2吳家水庫3.2.1大壩壩坡水岸設(shè)計水庫屬涪江流域,為攔蓄式水庫。水庫總庫容10.92萬m3,正常蓄水位相應(yīng)庫容10.02萬m3,死庫容0.3萬m3。水庫始建于1977年8月,建成于1978年8月,是一座以灌溉為主,兼有防洪等綜合功能的小(二)型水利工程。水庫主壩為均質(zhì)土壩,按20年一遇洪水設(shè)計,200年一遇洪水校核。主壩最大壩高8.0m,壩頂長120.0m,壩頂寬4.0m。大壩上游邊坡從壩頂至壩腳平均坡度為1:1.5和1:2.1,坡面無護坡。大壩下游邊坡從壩頂至壩腳平均坡度為1:3.0,坡面為草皮護坡,主壩剖面見圖14。下游壩腳無堆石反濾排水棱體,緊接耕地。Ⅰ副壩為均質(zhì)土壩,最大壩高6.0m,壩頂長90.0m,壩頂寬5.0m。上游壩坡坡比分別為1:1.5、1:2.1,下游壩坡坡比接近1:1.5。大壩上下游壩坡均未襯護。Ⅱ副壩為均質(zhì)土壩,最大壩高6.0m,壩頂長60.0m,壩頂寬6.0m。上游壩坡坡比分別為1:1.5、1:2.1,下游壩坡坡比接近1:1.5。大壩上下游壩坡均未襯護。主壩壩體施工質(zhì)量差,達不到設(shè)計干容重;下游未設(shè)排水棱體,造成主壩下游坡局部滑移;主副壩上游坡過陡,風(fēng)浪淘刷現(xiàn)象嚴重,如圖15?！?.12”汶川地震中發(fā)生潰壩險情。3.2.2地震破壞描述3.2.2.壩體裂縫延伸(1)縱向裂縫:震后主、副壩頂出現(xiàn)多條縱向裂縫,如圖17所示。主壩壩頂?shù)蘑偬柫芽p延伸約85m,貫通整個壩體,裂縫最大寬度40mm(見圖16),最大可探深度1m,壩頂中部裂縫兩側(cè)已形成約100mm錯臺,靠上游部分壩體已明顯下沉。Ⅰ副壩壩頂?shù)蘑谔柫芽p延伸約60m,裂縫最大寬度30mm,裂縫端部向下游彎曲。Ⅱ副壩壩頂?shù)蘑厶柫芽p延伸約30m,裂縫最大寬度25mm,深度超過50cm。(2)橫向裂縫:壩頂及上、下游壩坡發(fā)現(xiàn)數(shù)條橫向裂縫,其中,位于主壩拐彎處的④號裂縫從下部排水溝一直延伸至壩頂,最大寬度20mm,最大深度超過50cm。3.2.2.主壩右段大壩表淺層滑坡震后主壩上游壩坡出現(xiàn)滑坡跡象,表現(xiàn)為壩頂?shù)蘑偬柫芽p兩側(cè)已形成約100mm錯臺,靠上游部分壩體已明顯下沉,推測滑坡后緣為壩頂①號裂縫,如圖14、圖17所示。主壩右段壩頂靠下游壩坡出現(xiàn)兩個局部表淺層滑坡:①號滑坡體前緣最大寬度10m,前緣距壩頂垂直高度約1m。②號滑坡體前緣最大寬度10m,前緣距壩頂垂直高度約1m。3.2.2.3.滲透變化據(jù)調(diào)查,震后壩體、壩肩和壩基均未發(fā)現(xiàn)明顯滲流變化。3.2.2.4.排水建筑物和其他建筑物的損壞地震后原有溢洪道未受到明顯損壞。輸水臥管涵也未受到明顯損壞,能正常放水。4大壩的震害行為“5.12”汶川特大地震后,通過江油市地震災(zāi)區(qū)水壩震害的科學(xué)考察和典型震損水壩的總結(jié)分析,主要結(jié)論如下:⑴震損水庫無一潰壩,但震損嚴重江油市187座震損水庫中,無一發(fā)生潰壩事件。20世紀50～80年代建造的大量未經(jīng)抗震設(shè)計的土石壩震損嚴重,而近期建設(shè)的經(jīng)過抗震設(shè)計的大壩震害則相對較輕,反映了抗震設(shè)防的必要性。⑵最普遍的震損情況是大壩裂縫震損水壩均出現(xiàn)不同程度的橫、縱向裂縫,且土石壩的縱向裂縫大都與壩軸線平行,多集中于壩頂中部及壩軸線兩側(cè)。震害嚴重的土石壩,壩坡也出現(xiàn)縱向裂縫。