512汶川地震中的大坝震害分析

512汶川地震中的大坝震害分析

江油市震害概况在5.12号事件中。四川地震严重破坏了地震区域内的水利工程，造成了巨大的损失。但它为今后的海防和抗灾性地震活动提供了宝贵的经验。为了总结经验,震后对四川震区内的水坝震害情况进行了实地调查和资料收集,并进行了初步震害分析和总结。四川省水坝建设数量众多,选择有代表性的地域进行震害调查,即可宏观了解水坝的震害特点。文中选取江油市为震害样本调查地点,是基于如下2个原因:其1,江油市已建成各类水库187座,其中,中型水库2座,小型水库185座,数量众多;其2,江油市地处此次地震极震区,大部分地区烈度为8度,部分为9度和10度(见图1),187座震损水库中溃坝险情水库15座,高危险情水库45座,次高危险情水库127座(高危险情以上水库分布见图1)。险情主要表现为大坝裂缝、塌陷、滑坡、渗漏、起闭设施损坏、其他放水设施、溢洪道、管理房不同程度震损等形式。1地震破坏分析汶川地震中,江油市震损水坝具有如下特征:震毁水坝数量多(全部有震害)、分布广、险情重、险情种类多、土石坝震损严重,详情如下。1.1震损水库总开发江油市震时已建成的水坝共有187座,这些水坝在汶川地震中全部遭到了损毁,占此次地震中8省市(四川、重庆、陕西、云南、甘肃、贵州、湖北和湖南)震损水库总数(2666座)的7.01%,占四川省震损水库总数(1996座)的9.37%。震损水库分布在江油市31个乡镇,如图1所示。1.2高危险情水库系统震损水坝按受损程度分为溃坝险情、高危险情和次高危险情3类。江油市震损的187座水坝中,溃坝险情水库15座,高危险情水库45座,次高危险情水库127座。此次地震中溃坝险情水坝总数为69座(全部在四川省),江油市溃坝水库占到了21.74%;高危险情水库总数为331座(其中310座在四川省),江油市占到了13.60%(占四川高危险情水库总数的14.52%)。震损程度由此可见相当严重,对人民的生命财产形成了极大威胁。1.3水库安全分析地震造成的187座水坝中,险情主要表现为大坝裂缝、大坝塌陷、滑坡、渗漏、起闭设施损坏、其他放水设施、溢洪道、管理房不同程度震损等形式,其中50%以上的水库同时出现多种险情,水库险情十分严重。1.4型水库均质土坝187座震损水库中,中型水库2座,均为均质土坝,21座小(一)型水库中20座为均质土坝,164座小(二)型水坝均为不同形式的土石坝,其中绝大部分属于均质土坝。表1给出了典型土石坝震害基本情况,包括15座溃坝险情水坝,2座中型高危险情水坝。2水库地震的典型特征2.1部分大坝的纵向裂缝引起大坝地震纵向裂缝多出现在坝顶(见图2),震损严重的土坝也出现在坝顶附近的上下游一侧;纵向裂缝的数量与规模都远大于横向裂缝(图3),大部分纵向裂缝都是坝顶附近的浅表裂缝,不会危及到大坝安全;部分土坝的纵向裂缝张开度大、条数多,张开度最大的达到30～40cm,有的土坝在坝顶附近有3～6条纵缝,这种情况往往为滑坡前兆,有的甚至已经出现滑坡,大坝已经相当危险。坝顶的纵向裂缝通常是由于地震往复运动引起坝体内产生上下游方向的拉应力所致;坝顶附近的上、下游一侧的纵向裂缝则有可能是由于地震运动惯性力引起的剪切裂缝。剪切裂缝一般表现为裂缝两侧有高差、上大下小的V字形,有滑动趋势。由于与上下游方向的坝宽相比,坝的轴向尺度大,又有坝肩约束,因此横向裂缝数量较少,且其张开度一般小于纵向裂缝。2.2坝体土体积力水库大坝上游坡破坏比例较高。主要原因是由于坝顶宽度偏窄、坝坡偏陡、护坡垫层料选择不合适、以及施工质量差等,在水平向和竖向地震动作用下,坝体土受到的体积力增大,使坝坡向下的剪应力增大,从而引起坝坡塌陷及滑坡现象(见图4和图5)。这些现象是水坝地震稳定性不足的表现,应研究其破坏机制,以指导今后的水坝抗震设计。2.3坝下渗流致坝型渗漏(见图6和图7)大多表现为土坝下游坝坡浸水,浸润线抬高;坝基或坝肩漏水,严重的同时出现两种或多种情况渗漏。渗漏严重的在下游坝坡及坝脚形成沼泽化,有集中漏水点,漏水点发生管涌、流土等现象;坝下涵管顶部或边墙出现射流、底板冒水,发生接触冲刷。分析原因可能有以下几点:1.大坝遭受白蚁危害,蚁道贯穿土坝上下游而形成集中渗漏通道;2.地震引起土坝裂缝、滑坡等震害而使大坝渗漏。3.土坝大多采用人工清基,河床部位施工难度大,坝基冲洪积层清基不彻底,致使坝体和坝基结合部产生渗漏;4.防渗措施不到位,坝基未设置截水槽或截水槽深度不够。2.4其他地震现象水坝的其他震害现象包括泄水构筑物震损、溢洪道砌石震松和崩落(见图8)、防浪墙倒塌(见图9)和坝坡挡土墙倒塌等。3水库震损情况总结为了更好地对5.12汶川地震中震损水库的特点进行总结分析,为以后的水坝抗震设计提供有益的经验,从江油市60座高危险情以上震损水库中选取了具有代表性的2座水库,就各自的震损特点加以分析、说明。3.1马凤尼姑水库3.1.1以灌溉为主的小二型水利工程马凤庵水库属涪江流域,为拦蓄式水库。水库总库容48.1万m3,正常蓄水位相应库容43.2万m3,死库容2.5万m3。水库始建于1974年,建成于1977年3月,是一座以灌溉为主,兼有防洪等综合功能的小(二)型水利工程。水库大坝为均质土坝,按30年一遇洪水设计,300年一遇洪水校核。水库大坝最大坝高13.1m,坝顶长152m,坝顶宽4.0m。大坝上游边坡从坝顶至坝脚平均坡度为1:2.0,坡面无防浪护坡,下游边坡从坝顶至坝脚平均坡度为1:2.5,坡面为天然草皮护坡,大坝剖面见图10。大坝坝体施工质量较差,渗漏严重,排水体单薄,正常蓄水位风浪淘蚀较严重,“5.12”汶川地震中发生溃坝险情。3.1.2地震破坏描述3.1.2.坝后坡号裂缝(1)纵向裂缝:坝顶的①号裂缝延伸约100m,裂缝最大宽度300mm,最大可探深度1.5m,张开状态,坝顶中部裂缝两侧已形成约100mm错台,靠上游部分坝体已明显下沉约25cm。见图11和图12。坝后坡的②号裂缝延伸约75m,裂缝最大宽度30mm,张开状态。该裂缝5月12日主震后开裂,余震对裂缝的影响比较大,裂缝继续发展。见图13。坝后坡的③号裂缝延伸约85m,裂缝最大宽度15mm,张开状态。坝前坡的④号裂缝延伸约75m,裂缝最大宽度15mm,张开状态。(2)横向裂缝:坝顶及上、下游坝坡发现数条横向裂缝,其中,⑤裂缝最大宽度20mm,最大深度超过1m。裂缝横切贯穿坝顶,在坝后坡与③号裂缝相交,坝前坡沿坡面向坡脚方向延伸3.5m。见图11。3.1.2.坝前坡局部滑坡的后果据现场调查,坝顶的①号裂缝可能构成上游坝坡整体滑坡的后缘;坝前坡的④号裂缝,结合上游坡存在冲刷陡坎,可能构成上游坝坡局部滑坡的后缘。见图10。3.1.2.3.渗透变化据调查,震后坝体、坝肩和坝基均未发现明显渗流变化。3.1.2.4.排水建筑物和其他建筑物的损坏地震后原有溢洪道未受到明显损坏。输水卧管涵也未受到明显损坏,能正常放水。3.2吴家水库3.2.1大坝坝坡水岸设计水库属涪江流域,为拦蓄式水库。水库总库容10.92万m3,正常蓄水位相应库容10.02万m3,死库容0.3万m3。水库始建于1977年8月,建成于1978年8月,是一座以灌溉为主,兼有防洪等综合功能的小(二)型水利工程。水库主坝为均质土坝,按20年一遇洪水设计,200年一遇洪水校核。主坝最大坝高8.0m,坝顶长120.0m,坝顶宽4.0m。大坝上游边坡从坝顶至坝脚平均坡度为1:1.5和1:2.1,坡面无护坡。大坝下游边坡从坝顶至坝脚平均坡度为1:3.0,坡面为草皮护坡,主坝剖面见图14。下游坝脚无堆石反滤排水棱体,紧接耕地。Ⅰ副坝为均质土坝,最大坝高6.0m,坝顶长90.0m,坝顶宽5.0m。上游坝坡坡比分别为1:1.5、1:2.1,下游坝坡坡比接近1:1.5。大坝上下游坝坡均未衬护。Ⅱ副坝为均质土坝,最大坝高6.0m,坝顶长60.0m,坝顶宽6.0m。上游坝坡坡比分别为1:1.5、1:2.1,下游坝坡坡比接近1:1.5。大坝上下游坝坡均未衬护。主坝坝体施工质量差,达不到设计干容重;下游未设排水棱体,造成主坝下游坡局部滑移;主副坝上游坡过陡,风浪淘刷现象严重,如图15。“5.12”汶川地震中发生溃坝险情。3.2.2地震破坏描述3.2.2.坝体裂缝延伸(1)纵向裂缝:震后主、副坝顶出现多条纵向裂缝,如图17所示。主坝坝顶的①号裂缝延伸约85m,贯通整个坝体,裂缝最大宽度40mm(见图16),最大可探深度1m,坝顶中部裂缝两侧已形成约100mm错台,靠上游部分坝体已明显下沉。Ⅰ副坝坝顶的②号裂缝延伸约60m,裂缝最大宽度30mm,裂缝端部向下游弯曲。Ⅱ副坝坝顶的③号裂缝延伸约30m,裂缝最大宽度25mm,深度超过50cm。(2)横向裂缝:坝顶及上、下游坝坡发现数条横向裂缝,其中,位于主坝拐弯处的④号裂缝从下部排水沟一直延伸至坝顶,最大宽度20mm,最大深度超过50cm。3.2.2.主坝右段大坝表浅层滑坡震后主坝上游坝坡出现滑坡迹象,表现为坝顶的①号裂缝两侧已形成约100mm错台,靠上游部分坝体已明显下沉,推测滑坡后缘为坝顶①号裂缝,如图14、图17所示。主坝右段坝顶靠下游坝坡出现两个局部表浅层滑坡:①号滑坡体前缘最大宽度10m,前缘距坝顶垂直高度约1m。②号滑坡体前缘最大宽度10m,前缘距坝顶垂直高度约1m。3.2.2.3.渗透变化据调查,震后坝体、坝肩和坝基均未发现明显渗流变化。3.2.2.4.排水建筑物和其他建筑物的损坏地震后原有溢洪道未受到明显损坏。输水卧管涵也未受到明显损坏,能正常放水。4大坝的震害行为“5.12”汶川特大地震后,通过江油市地震灾区水坝震害的科学考察和典型震损水坝的总结分析,主要结论如下:⑴震损水库无一溃坝,但震损严重江油市187座震损水库中,无一发生溃坝事件。20世纪50～80年代建造的大量未经抗震设计的土石坝震损严重,而近期建设的经过抗震设计的大坝震害则相对较轻,反映了抗震设防的必要性。⑵最普遍的震损情况是大坝裂缝震损水坝均出现不同程度的横、纵向裂缝,且土石坝的纵向裂缝大都与坝轴线平行,多集中于坝顶中部及坝轴线两侧。震害严重的土石坝,坝坡也出现纵向裂缝。