【摘要】土石壩指的是由石料、土料、混合料等經(jīng)過碾壓拋填等方法筑成的水壩，對于水能資源的利用具有重要意義，但我國的水能資源主要集中在西部強震區(qū)，土石壩面臨隨時可能發(fā)生的地震災(zāi)害威脅，因此，為防止出現(xiàn)災(zāi)難性后果，做好土石壩抗震安全工作非常重要。本文分析了土石壩震害的主要類型，介紹了相關(guān)案例，此外也對如何增強土石壩的抗震性進(jìn)行了探討，包括合理選址、控制施工質(zhì)量、按照標(biāo)準(zhǔn)施工等。
【關(guān)鍵詞】土石壩;震害;類型;抗震措施
1.前言
土石壩指由石料、土料、混合料等經(jīng)過碾壓拋填等方法筑成的水壩，是歷史最悠久的壩型，以砂礫和土為壩體主材料時叫做土壩，以卵石、爆破石料、石渣為主材料時叫做石壩，兩種材料各占較大比例時，叫做土石混合壩。自從上世紀(jì)五十年代后，近代土石壩技術(shù)獲得了快速發(fā)現(xiàn)，也催生出了一大批高壩建設(shè)項目。與其他類型的建筑一樣，土石壩也會面臨各種各樣的地質(zhì)災(zāi)害，由于地理位置的緣故，地震就是土石壩十分常見的災(zāi)害類型，若遭遇較大震害，容易導(dǎo)致潰壩等嚴(yán)重后果。
2.土石壩震害分析
2.1土石壩震害主要形式。土石壩在地震中比較容易出現(xiàn)問題，尤其是一些早期的小壩，震害主要形式包括裂縫、滑坡及滲漏三種。地震變形是土石壩的震害基礎(chǔ)，當(dāng)土石壩不均勻變形明顯的時候會導(dǎo)致裂縫現(xiàn)象，裂縫災(zāi)害十分常見，可分橫向及縱向兩類，縱縫不斷發(fā)展可能導(dǎo)致壩坡出現(xiàn)失穩(wěn)滑動，是謂滑坡。如果防滲體開裂則會導(dǎo)致滲漏。另外，土石壩的震害類型也取決于壩型差異，心墻壩和面板壩的震害傾向存在一定差異。心墻壩主要有裂縫、滑坡、變形、滲漏現(xiàn)象，面板壩則會出現(xiàn)震陷、結(jié)構(gòu)性喪失、壩坡史料坍塌、面板脫空、止水破壞等，以震陷來說，指的是壩體朝內(nèi)收縮，顆粒性破碎剪縮，再如止水破壞，則是面板相對運動使伸縮縫出現(xiàn)拉伸、擠壓、錯動所導(dǎo)致。
2.2土石壩震害實例。我國發(fā)生于2008年的汶川5・12大地震是至今仍讓人難以釋懷，在我們緬懷逝者的同時，也不能忽視地震暴露出來的一些客觀問題。據(jù)統(tǒng)計，汶川地震共造成全國2380座水庫出險，其中四川水庫1803座，潰壩險情69座，高危與次高危分別達(dá)到310座、1424座，而且百分之九十六屬于不到五百萬方的小工程，潰壩風(fēng)險的土石壩多數(shù)為均質(zhì)土壩[1]。其中紫坪鋪震害十分典型。它的位置離震中只有十七公里，大壩屬于鋼筋混凝土所制的面板壩，最大壩高為一百五十八米，庫容為十一點一二億立方米。大壩震害表現(xiàn)為：壩體變形、落陷、開裂、部分護(hù)坡松動、護(hù)欄倒塌、部分面板脫空、豎縫壓碎隆起、施工縫錯臺等。所幸大壩主體尚好，但此問題已經(jīng)足夠引起人們對土石壩抗震安全的重視，一旦抗震設(shè)計不到位，除了會造成潰壩災(zāi)害及財產(chǎn)損失外，重建及修補的過程也都要耗費大量人力、物力、財力，因此，預(yù)先在設(shè)計及施工環(huán)節(jié)做好土石壩抗震非常重要。
3.做好土石壩抗震工作的幾點措施
3.1抗震計算應(yīng)科學(xué)、準(zhǔn)確。土石壩抗震性及安全性與地基、壩體中土石料密實程度、特性、防滲結(jié)構(gòu)、連接牢固性等因素密切相關(guān)[2]。我們在進(jìn)行土石壩抗震設(shè)計時，應(yīng)首先保障土石壩地基、土石壩壩體結(jié)構(gòu)、工程質(zhì)量符合抗震要求，并輔以穩(wěn)定計算、抗?jié)B透計算、變形計算，與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，以便對其抗震安全做出綜合分析與評價，從而幫助土石壩增強抗震性。舉例來說，穩(wěn)定計算方面，一般通過擬靜力法計算，但若設(shè)計烈度達(dá)到八、九度，壩高在七十米以上，或是地基中有可液化土，要同時采用有限元法對壩基與壩體做出動力分析。再如，抗?jié)B透問題要關(guān)注不同壩型，土質(zhì)心墻壩重點關(guān)注心墻、心墻與壩殼相接部位，面板壩關(guān)注重點在于面板、接縫止水等。另外，土體的液化可能性也是我們不能忽視的問題，嚴(yán)重的土體液化會導(dǎo)致噴砂冒水，不容忽視，目前主要的判斷方法包括依據(jù)過去經(jīng)驗及資料判斷，依據(jù)測定的地震總應(yīng)力抗剪強度判斷，剪應(yīng)力對比法及孔壓比法等。
3.2合理選擇壩址，控制施工質(zhì)量。選擇壩址前，應(yīng)進(jìn)行專業(yè)化的地質(zhì)勘查并進(jìn)行科學(xué)、充分的地質(zhì)研究，在對構(gòu)造活動性、場地地基條件及邊坡穩(wěn)定性等條件進(jìn)行綜合評價的基礎(chǔ)上，將目標(biāo)區(qū)域劃分成有利地段、不利地段、危險地段等。施工應(yīng)選擇抗震有利地段、錯過不利地段、不在危險地段開展建設(shè)。施工環(huán)節(jié)中的質(zhì)量控制對土石壩的抗震性能影響非常大，一般情況下，偷工減料、以次充好、技術(shù)落后、不按工序操作等，都是施工環(huán)節(jié)容易出現(xiàn)的問題。千里之堤潰于蟻穴，這個道理人人明白，換句話說，只要有一段工程用次料代替了標(biāo)準(zhǔn)用料，就很有可能因此導(dǎo)致整座大壩經(jīng)不起地震沖擊出現(xiàn)潰壩等危險后果。對此可以通過加強監(jiān)理、規(guī)范招標(biāo)等加以控制。
3.3具體抗震措施。以面板堆土石壩為例，如設(shè)計烈度為八度、九度，應(yīng)對壩頂結(jié)構(gòu)及壩坡采取如下抗震措施：首先，應(yīng)適當(dāng)增加壩頂寬度，放緩壩坡，盡量采用下陡上緩的壩坡，在變化處設(shè)計馬道。其次，應(yīng)在下游坡面的上部設(shè)計坡面防護(hù)及壩坡加固措施，并使用漿砌石護(hù)坡，在其表面鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)用于加固。第三，盡量選用低防浪墻，并增強防浪墻抗震穩(wěn)定性;如果確認(rèn)地震區(qū)壩安全超高，要提升地震涌浪高度;提升大墊層區(qū)寬度，加強與地基、岸坡之間連接，若岸坡較陡，應(yīng)適當(dāng)增加墊層料和基巖的接觸長度，并使用更細(xì)一些的墊層料;強震區(qū)的面板垂直縫中應(yīng)填充瀝青浸漬的橡膠片、木板等強度較好的填充材料;增強河谷上部、施工縫及周邊縫附近的面板配筋率;對于強震區(qū)，分期面板的水平施工縫應(yīng)做成垂直于面板的施工縫，還要布置一些擠壓鋼筋;應(yīng)增加壩體堆中石料壓實密度，尤其是地形突變位置的壓實密度，此外還要對大壩地震變形及殘余變形不均勻性加以控制，另做好壩料的選擇與分區(qū);若壩體使用砂礫石料進(jìn)行填筑，要注意增加排水區(qū)排水能力，下游坡壩一定范圍最好采用堆石填筑。
3.4按照一定的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)施工。首先，在動強度上，要考慮上游反濾料與覆蓋層中砂層的液化可能，其標(biāo)準(zhǔn)為：等壓固結(jié)試樣，孔壓應(yīng)等于圍壓或是動應(yīng)變的百分之五，對于不等壓固結(jié)試樣，應(yīng)以動應(yīng)變的百分之十作為土體的動力破壞標(biāo)準(zhǔn)。評價單元孔壓的相對值時，應(yīng)考慮液化度單元孔壓值和靜豎向的有效應(yīng)力之比。各單元抗液化安全系數(shù)小于一點三的區(qū)域可判作液化區(qū)，大于一點三、小于一點五的區(qū)域可判作破壞區(qū)。可將動強度安全系數(shù)等于一作為心墻動強度的判斷標(biāo)準(zhǔn);其次，在土石壩的地震永久變形問題上，根據(jù)相關(guān)研究結(jié)論，我們認(rèn)為，對于一百米以下的土石壩，可將壩高的百分之二作為允許震陷量，對于一百米以上的土石壩，可以適當(dāng)降低為百分之一點五�？稍试S壩體出現(xiàn)裂縫，前提是不造成潛在滑坡。另外還有一些數(shù)據(jù)可供參考：調(diào)查表明，當(dāng)壩頂?shù)淖畲筘Q向位移在壩高的百分之一以下時，土石壩都不會出現(xiàn)裂縫，這個值大于百分之三時，土石壩都出現(xiàn)了裂縫，百分之一到百分之三之間，裂縫與否則由土料性質(zhì)及其他因素決定;當(dāng)壩體不均勻沉降傾度大于百分之一時，壩體就會產(chǎn)生裂縫，小于百分之一，一般無裂縫;不均勻震陷傾度在百分之一點二之內(nèi)時，壩體能夠承受;水平方向的地震變形比豎向的地震變形小。
4.結(jié)語
我國的水能資源在世界范圍內(nèi)相對豐富，只是分布上存在不均現(xiàn)象，多數(shù)水電基地位于大渡河、雅礱江、瀾滄江、金沙江中游、黃河上游區(qū)域，但這些區(qū)域卻都屬于西部強震區(qū)，一旦因地震發(fā)生土石壩震害，很可能導(dǎo)致災(zāi)難性后果。汶川5・12大地震就給我們的研究提供了案例，其土石壩震害所造成的各項損失是令人痛心的。因此，研究土石壩震害并探討加強抗震安全的措施應(yīng)成為我們不斷關(guān)注與思考的問題。
參考文獻(xiàn)
[1]朱晟.土石壩震害與抗震安全[J].水力發(fā)電學(xué)報，2011，（6）：99-100.
[2]陳生水，方緒順，錢亞俊.高土石壩地震安全評價及抗震設(shè)計思考[J].水利水運工程學(xué)報，2011，（1）：174-175.
