汶川地震水电工程挡水建筑物震损特点分析

汶川地震水电工程挡水建筑物震损特点分析

0震情分析和计算2008年5月12日14:28，中国四川省望川县发生了8.0级地震，最大深度达到，最大余震为5月25日四川省庆川县的6.4级地震。汶川地震的发震构造是龙门山构造带中央断裂带,在挤压应力作用下,由南西向北东逆冲运动,其构成岩石抵抗破坏的能力和断裂的强度特别大,积累的巨大能量在瞬间释放形成强烈地震。该破裂面从震中汶川县开始向北偏东49°方向传播,地下断裂面破裂长度约300km,破裂过程持续时间近120s,震源深度大于10km。地震发生后,为尽快详细掌握震情并进行总结分析,2008年6月25日水电水利规划设计总院(以下简称“水电总院”)受国家能源局委托对汶川地震灾区的大中型水电工程进行了震损调查。汶川地震灾区水电开发程度较高,工程众多,据不完全统计,灾区共有水利水电工程约2360座,其中95%以上为小型水利水电工程。较大的水电工程主要集中在岷江上游、涪江中上游及白龙江下游,水电总院对其中的22个已建大中型水电工程进行了震损调查和初步分析工作。位于汶川地震Ⅺ度影响区的有映秀湾、太平驿和渔子溪3座水电站;耿达水电站处于Ⅹ度影响区;紫坪铺水电站处于Ⅸ~Ⅹ度影响区;位于Ⅸ度影响区的水电站有福堂、姜射坝、铜钟、草坡、通口和碧口;Ⅷ度影响区的水电站有金龙潭、天龙湖、沙牌、桑坪、薛城、红叶二级、木座、自一里和宝珠寺;水牛家水电站位于Ⅶ度影响区;竹格多水电站处于Ⅵ度影响区。汶川地震灾区大中型水电站挡水建筑物主要有3类5种坝型,本文选择其中有代表性的沙牌、宝珠寺、紫坪铺、碧口和映秀湾等水电站进行分析。1坝体横缝疫情沙牌坝为碾压混凝土拱坝,也是地震灾区唯一的拱坝,最大坝高130m,为3级建筑物。大坝抗震设计烈度7度,位于地震Ⅷ度影响区,距离震中心36km。地震发生前,大坝运行水位在正常蓄水位1866m附近,基本处于满库状态。主要震损现象:坝体主要建筑物完好,仅附属建筑物出现裂缝;两岸坝体横缝左岸未有张开迹象,靠近右岸坝体上部有张开迹象,但未贯通;大坝低高程廊道及深井泵房被淹;上坝交通因山体塌方而中断。震损情况分析:(1)大坝经受住了超设计烈度1度地震的考验,且震损轻微,表明在高水位下拱坝具有较强的超载能力和抗震能力,即横缝部位仍然有一定的安全储备。(2)从现场目观检查的情况看,大坝主体建筑物结构完好,坝肩岩体未发现位移,拱座抗力体稳定,坝基未发现明显渗漏。坝区的震害主要来自于局部山体塌滑造成的地质次生灾害。(3)沙牌拱坝中心线近N45°E,坝址位于主震点北西向,拱坝中心线与主震方向近于垂直,右岸为地震动输入方向,因而右岸坝体受到地震的动影响更强一些,这与实际情况相符。(4)地震发生后,坝区交通及电力中断,大坝安全监测仪器无法取得数据,待厂区恢复供电后,需尽快开展监测数据的收集与分析,并恢复大坝外观变形监测,采用物探手段对大坝的诱导缝、横缝、防渗帷幕、基础等重要部位进行进一步的检查与评价。2坝体结构及坝体应力分析宝珠寺坝为混凝土重力坝,坝高132m,工程抗震设计烈度7度,坝址位于地震Ⅷ度影响区,地震发生时水库在低水位运行。主要的震损现象如下:(1)大坝主体完好,仅坝顶附属结构有破坏,其结构缝有挤压或拉开现象。(2)渗漏总量有一定程度的增加;基础灌浆廊道有部分排水孔震后排水量有所增加,并有浑水现象,但不久便基本消失。(3)地震前、后观测资料对比分析表明,坝体上下游方向的水平位移总体规律为向上游;河床坝段最大剖面位移量最大,为2.1mm;坝体横河向水平变位总体规律为两岸向河床方向变位,左岸为0.25mm,右岸为0.71mm;坝体相向变位的规律与部分横缝受挤压现象相符。坝体上部震损较明显。震损情况分析:(1)大坝经受住了超抗震设计烈度的考验。上下游坝面均未出现裂缝、剥落和隆起等震损现象,下游折坡点与坝面结合处的断面突变部位未发现裂缝,坝体混凝土完好。表明百米级的混凝土重力坝具有较强的抗震性能。(2)坝顶及其栏杆震损较重,主要是大坝受到“鞭梢效应”的影响。坝体横缝挤压或拉开表明坝体结构缝是抗震的薄弱部位。(3)坝基部位震损表现为渗漏量有所增加,但沿坝基面无明显的渗漏现象;地震对坝基瞬间产生较大的动态渗透压力,对大坝基础产生了一定影响,使得坝基渗流状态也有所改变。(4)大坝震损较轻与以下几个因素有关:地震时库水位接近死水位;大坝受顺河向的地震作用相对较小,主要受到垂直向地震波的影响;各坝段横缝设垂直向梯形键槽,在550m高程以下进行了接缝灌浆;厂坝采用联合作用结构。(5)经初步计算表明,目前大坝抗滑稳定和坝体应力满足规范要求,大坝是安全的。但还需按新的地震基本烈度和抗震设计标准进一步复核大坝的安全性。3大坝渗流场主要情况紫坪铺坝最大坝高156m,为本次震损调查中最高的坝,抗震设计烈度8度,位于地震Ⅸ~Ⅹ度影响区,坝址距震中约17km。地震时库水位为826m,接近于死水位817m。主要震损现象:(1)总体震损轻微,混凝土面板出现开裂并有部分脱空。(2)防浪墙结构缝挤压致裂或拉开,下游部分栏杆倒塌。(3)监测数据表明,大坝在地震中的变形总体表现为沉降和水平位移。坝体内部水管式沉降仪观测到的最大沉降量为812.5mm,约为最大坝高的0.52%;坝顶中段路面存在约150~200mm的脱空现象;防浪墙顶绝对高程最大降低1.02m,约占最大坝高的0.62%;坝顶中部防浪墙最大沉降值为760mm,约占最大坝高的0.48%;沉降量均未超过最大坝高的1%。(4)坝体水平位移总体指向下游,左右岸坝体位移均指向河床。未发现坝基覆盖层振动液化现象。监测资料和坝面取芯成果表明,三期面板与垫层料间发生较大范围脱空。部分测点处周边缝的变形值已超出其允许值。(5)大坝渗漏量较震前有所增加,但总量不大,未超过20L/s。对比国内外同类工程,大坝总体渗漏量尚属较低水平。震损情况分析:(1)紫坪铺坝经受了超设计标准1~2度的强震考验,蓄水功能没有受到大的影响,仅产生了一定的局部震损,总体表现为震损轻微。表明紫坪铺坝料的选择及分区合理,大坝设计和施工质量良好,同时也表明紫坪铺坝具有良好的抗震性能。目前运行状况下大坝整体安全。(2)从近坝顶靠近左、右岸及坝体中部的3个加速度测点记录的数据分析,地震动输入以横河向为主,顺河向为辅,利于坝体抗震。地震动先从右岸输入,右岸震损应重于左岸,这与实际情况相符:右岸坝顶防浪墙为挤压状态,左岸坝顶防浪墙为拉开状态;坝顶最大错台位于右岸与溢洪道相交部位;右侧面板的震损也重于左侧面板。(3)在强震情况下,大坝震损沿坝高总体表现为“上部震损较重,下部震损轻微”、“水面高程以上震损较重,水面高程以下震损轻微”。由于坝顶较长,震损有不均匀性,地震波对大坝的震损表现出明显的“行波效应”。(4)从上游面板及止水接缝的震损情况来看,止水结构缝和施工分缝是面板堆石坝的抗震薄弱部位,混凝土面板本身并未出现明显折断现象。主要表现为:部分垂直缝出现错台,附近的混凝土挤压产生破损、裂缝;二期和三期面板间施工缝错位及部分周边缝错位。尽管上述接缝部位震损较重,但坝下游渗漏量并未明显增加,表明按已有工程经验设计的面板及止水接缝具有较强的抗震能力。(5)监测资料表明,大坝在地震中的变形总体表现为“震缩”现象。由于余震和大坝应力重分布,大坝变形逐步趋于稳定。靠近坝顶附近的浆砌石护坡较为完好,说明强震作用下下游坝坡是稳定的。(6)从渗漏量及坝基面渗透压力平均升高等监测结果来看,震后渗漏量增加的原因可能与水下面板挤压破坏有关,也可能是地震中基岩裂隙渗水或防渗帷幕震裂导致渗漏量增加。总体来看,面板所承担的防渗功能并没有明显破坏,随着泥沙淤积和辅助防渗体自愈功能的发挥,分析认为渗漏量会逐渐稳定或减少。4大坝的震损情况碧口坝为壤土心墙土石混合坝,最大坝高101.8m,大坝抗震设计烈度为7.5度,坝址位于地震Ⅸ度影响区边缘。地震时库水位为691.41m,较正常蓄水位低约13m,较死水位高约6m。主要震损现象:(1)大坝整体震损轻微,仅部分防浪墙的横缝被挤压或拉开,坝顶下游侧防浪墙倒塌。(2)大坝上下游坡面整体平整,仅局部出现断裂、裂缝和隆起。(3)根据大坝变形观测资料分析,坝顶和上游坡水平变位向上游,下游坡水平变位向下游。河床中部和坝体上部沉降较大,最大沉降量为24.2cm;心墙沉降变化比大坝表面沉降变化小。未发现坝基覆盖层振动液化及过大变形现象。(4)大坝两岸坝顶灌浆平硐或灌浆廊道内的混凝土喷层或衬砌均完好,无明显变形和裂缝。震损情况分析如下:(1)大坝在超抗震设计烈度1~2度的强震作用下,除坝顶、坝坡及两岸坝肩有一定的震损、局部变形略大外,坝体总体表现为震损轻微,表明碧口心墙坝抗震性能良好。(2)地震断裂带走向近垂直于坝轴线,对大坝抗震较为不利。分析认为,右岸为地震动输入方向,大坝沿坝轴线方向的震损分布没有明显的规律性。相比之下,右岸震损稍重于左岸,可能是“行波效应”影响的结果。大坝震损沿坝高总体表现为上部震损较重、下部震损轻微,与“鞭梢效应”的影响规律一致。(3)坝顶防浪墙的底部出现贯通两岸的沉降和拉开裂缝。主要原因是碧口坝顶防浪墙为整体式,体形宽大,底宽达7.6m,且置于粘土心墙和坝壳顶部,地震时由于地震惯性力的作用,导致较大的残余变形和永久裂缝的产生。(4)大坝上下游坡面基本无沉陷、隆起和渗漏,坡面整体平整,混凝土护坡、框格梁护坡、下游踏步、排水沟等局部出现断裂、裂缝和隆起变形,这些变形主要是由于大坝长期变形引起的,有的地震前已经存在,地震可能加剧了这些变形,但对大坝的安全运行影响不大。(5)由于混凝土防浪墙、防渗心墙以及坝壳材料特性和地震动反应特性差别较大,因此导致防浪墙和防渗心墙间可能产生脱空缝。对这种整体式坝顶防浪墙与其底部的坝顶心墙及坝壳料之间的脱空情况,均需待条件具备时作进一步检查。(6)大坝与两岸接触处是心墙坝防渗的薄弱部位。碧口大坝采用梯形混凝土齿墙的连接形式,齿墙插入心墙2.0m左右,地震时坝前水位相对较低(低于坝顶18.6m),水位逐渐升高后将能检验其防渗效果。5闸坝结构及震损情况分析闸坝以映秀湾、太平驿和渔子溪3座位于地震Ⅺ度影响区的坝为代表。其中映秀湾坝左侧为土石副坝,其余为混凝土重力坝,河床部位设置泄洪冲沙闸。震前,各闸坝都处于正常蓄水位或正常运行状态,映秀湾坝有一孔闸门局部开启下泄生态流量,其他泄洪和冲沙闸门均处于关闭状态。闸坝地震影响烈度均超过抗震设计烈度4度。主要震损现象:(1)闸坝主体结构基本完好,部分工程闸坝的闸墩出现裂缝。(2)两岸坝肩或上下游引渠等被掩埋。(3)闸基基本无不均匀沉降;闸前铺盖、束水墙和拦沙坎结构基本完好,仅上游导墙出现水平位移和垂直位移;未见翻砂冒水、渗水管涌、振动液化等不良迹象。震损情况分析:(1)太平驿、映秀湾和渔子溪3座工程震损情况较严重,但基本上都经受住了超抗震设计烈度的强震考验。太平驿工程虽一度出现漫顶现象,但在紧急抢修下,很快恢复泄流,经现场检查,漫顶对闸坝没有造成危害性冲刷。本次地震中闸坝工程均未出现溃坝,表明建在覆盖层上的闸坝具有良好的抗震性能。(2)除映秀湾工程因副坝为土石坝沉降较大外,各工程的主体结构均较好,部分工程震损表现为闸墩处裂缝,坝顶附属建筑物震损较重。(3)分析表明,震损情况与地震影响程度和距震中距离有很大关系,这3座震损较严重的闸坝工程均距主震震中10~20km,且处于地震Ⅺ度影响区。(4)岷江上的闸坝工程两岸大都山高坡陡,震损主要来自自然边坡崩塌、滑坡和飞石等地震地质灾害,以及洪水漫顶等引起的水淹次生灾害。6坝体结构及坝体施工缝非均匀变形主要表现为根据汶川地震灾区水电工程震损情况的调查结果,结合对国内外强震地区高坝建设的分析,可以得到几点初步结论:(1)混凝土坝中,沙牌拱坝坝肩及抗力体稳定,大坝结构完好,坝基未发现明显渗漏。坝体右侧横缝上部有张开迹象,左坝肩下游浅表塌滑,坝顶附属建筑物震损较重。宝珠寺重力坝两岸坝肩稳定,上下游坝面没有发现裂缝、剥落和隆起等震损现象,坝体结构完好,仅见坝体横缝出现张开或挤压、栏杆破损现象,地震后坝基渗漏量有所增大。两座高混凝土坝震损轻微,震损特征表现为坝体横缝的局部张开或挤压,但基本上在设计允许的变形范围内。(2)高土石坝中,坝肩、坝基和坝坡整体稳定。紫坪铺坝顶结构、堆石体与混凝土结构连接部位出现挤压、张开和不均匀沉降现象,混凝土面板接缝出现挤压破坏、面板下脱空以及施工缝的剪切破坏等震损现象,下游坝坡护坡块石出现松动、隆起现象。碧口坝在堆石体与岸坡的结合部位出现非均匀变形,坝顶防浪墙结构存在挤压现象,坝体堆石沉陷。两座高土石坝工程总体震损轻微,震损特征主要表现为堆石体的沉陷和局部开裂,但均未超过设计允许值。混凝土面板的震损特征还表现为混凝土面板接缝的挤压破坏、施工缝的剪切破坏和面板下的脱空等,但不影响蓄水功能。(3)映秀湾闸坝堆石体与岸坡连接部位非均匀变形明显,其他闸坝工程没有明显的变形。太平驿、渔子溪等闸坝因飞石、滚石、崩塌和滑坡等地质灾害影响,坝肩受到掩埋或砸毁,泄洪闸分流墩因飞石、滚石作用引起开裂。太平