芦山7.0级地震天生堰水库震损成因分析与处理

李茂华 朱振彪 房艳国 吴世泽

(长江三峡勘测研究院有限公司，湖北 武汉 430074)

芦山7.0级地震天生堰水库震损成因分析与处理

李茂华 朱振彪 房艳国 吴世泽

(长江三峡勘测研究院有限公司，湖北 武汉 430074)

2013年4.20芦山7.0级地震后，通过实地调查和收集四川彭山县天生堰水库地理位置、坝体填筑材料、防渗型式，工程处理措施、震损特征等资料，分析了防冲面板和防浪墙震损成因，认为该水库坝顶防浪墙和防冲面板在地震作用下，坝体中间部位震损最严重，向坝体两端逐渐减弱，与坝体自重沉降变形规律基本一致，提出了处置措施，建议在强震频发地区防冲面板尺寸应设计合理，为防震抗震奠定基础。

芦山地震；天生堰水库；震损成因；抗震设计

1 地震地质环境

1.1 区域地质背景

研究区位于四川盆地的北西边缘，其总体地势为北西高，南东低，河流水系十分发育。大地构造部位为扬子准地台的龙门山－大巴山台缘褶皱带，发震构造为北东向龙门山断裂带，该断裂带主要由平武－茂汶断裂、北川－映秀断裂、江油－灌县断裂组成，是一个连发式地震带[1，2]，历史上多次发生中强地震，是中国中部南北构造带中非常活跃的断裂之一。

1.2 地震简介

2013年4月20日8时02分，在四川省雅安市芦山县（北纬30.3°，东经103.0°）发生7.0级地震（以下简称芦山强烈地震），震中烈度为9°。该次地震震中位置大体在龙门山断裂带南段前山断裂上；主震区房屋、道路、通讯及水利水电工程等遭到不同程度的破坏。截至2013年4月24日10时，共发生余震4045次，3级以上余震103次，最大余震5.7级，受灾人口152万，受灾面积达12500km2。据中国地震局网站消息，截至24日14时30分，地震共计造成196人死亡，失踪21人，万余人受伤。

2 工程概述

地震发生后，笔者参加了国家防总组织的芦山强烈地震水利水电工程震损情况现场排查工作，对地震核心区域的多个水利水电工程进行了现场震损调查和评估。

排查的水库以灌溉、养殖为主的中、小型水库，大多数为当地材料坝，有90%的水库是20世纪60~70年代兴建，防渗心墙为粘土，人工夯实；其中彭山县天生堰水库位于成都南侧，距芦山强烈地震震中约95km。天生堰水库位于芦山县北东东锦江乡天库村境内，大坝轴线方向为北东8°与龙门山断裂带呈小锐角相交，是都江堰东风渠的结瓜工程，水库距县城14km，属岷江水系府河龙头沟，是一座具有多年调节性能，引蓄结合，以农业灌溉为主，兼乡镇供水、防洪为一体的小（一）型水库；水库为一狭长的J字形，距震中约 95km。坝体为当地材料填筑，主要为紫红色粉质粘土，均质粘土防渗。迎水侧设有防浪混凝土面板，坡比为1∶1.225。背水侧为干砌块石，块石规整，自重沉降变形量相对小，坡比约为1∶0.37。坝顶设有条石防护栏和防浪墙。水库集雨面积1.65km3，总库容216万mm3，正常蓄水位459.43m，，相应库容188万m3，死水位447.50m，相应库容25.4万m3。设计灌面0.49万亩，有效灌面0.35万亩，修建干渠1条长0.3km，支渠3条共3.5km。

大坝为土石混合坝，由主坝和左右副坝组成，坝顶高程为461.66m，坝顶宽4.6m，坝顶全长278m，其中主坝长103m，左副坝长91m，右副坝长84m。主坝分两期建成，1955年11月动工，1956年春建成小（二）型水库，1975年扩建时加高了主坝，最大坝高达23.66m，1977年12月建成小（一）型水库，2010年对水库加固加高处理，迎水侧延伸了防冲混凝土面板（图1）。

图1 天生堰坝体最大处剖面图

坝基为中粒厚层砂岩，岩层面倾角较缓，一般5°~10°，小型褶皱发育，岩体较破碎；作为土石坝来说坝基条件相对好，建坝时清除坝基范围河床表层1～2m的冲积、洪积层,左右坝肩清除表层坡积物、风化砂土、树根杂草等，，坝体基本上是建于基岩上，无残留淤积粉细砂和淤泥，地震时未出现液化现象。

3 工程震损成因

3.1 工程震损特征

坝体及防浪墙地震震损情况总体上可分为如下几种。

（1）坝体裂缝：大坝背水侧为干砌砂岩块石，坝石多为人工雕琢规整长方体，块石与块石之间咬合紧密，缝隙小，在地震时受地震波的影响，无明显变形和折娄现象。大坝迎水侧为碎石土填筑，人工夯实，上面被混凝土防浪面板所盖，地震时不均匀沉陷形成的裂缝短小，分布部位主要是2010年加固加高后的新坝体。

（2）坝坝体震陷：从表面裂缝分布特征分析，震陷主要在大坝体的中部，其高度也是新坝体的中上部较为明显，1977年建成的坝体部分无明显的震陷和破坏。

（3）防浪面板裂缝：单块防浪面板宽6m，自马道至坝顶长18m无分缝，在不同的高程分布有老裂缝和地震震损新裂缝（图2），地震形成的裂缝近似与坝轴线平行展布，呈锯齿状，全长22 m，平面上分布在面板的中间部位，不同的高程处裂缝在面板分缝处错开，最大错开距离 1.66 m，最小错距只有7cm，锯齿状拉开宽度3～4 mm。迎水侧坝坡混凝土防浪面板多沿结构分缝处挤裂、裂缝短小，一般几十厘米，两分缝线之间裂缝走向与坝轴线近平行，具典型的折断、拉张性质，单条裂缝长度一般1～3m，沿裂缝边缘有明显的挤压破碎混凝土屑分布,各块防浪面板之间的裂缝没有一条是互相贯通的。

（4）防浪墙及护栏：坝顶防浪墙为浆砌条石，混凝土勾缝，防浪墙变形范围与面板裂缝部位相同，基本上在坝体上部和顶部，全长22m。天生堰防浪墙破坏与所有水库震损情况不一样，防浪墙为人工雕琢的规整砂岩长方体条石，浆砌用水泥勾缝，其破坏部位主要在坝体中部，主要为墙体条石错位，条石挤破，勾缝水泥浆脱落，破坏程度自坝体中央向两端逐渐减弱；最大水平位移30mm，最大纵向位移 15mm，并有斜擦痕和近水平擦痕，具有挤压变形特征；垂直位移较小，最大处只有3～4mm；混凝土勾缝脱落，条石与条石之间张开，宽有 15mm左右；背水侧坝顶护栏安全无恙，无掉水泥块和裂缝迹象。

图2 彭山县天生堰水库面板裂缝平面特征

（5）放水卧管和涵洞、背水侧干砌块石在调查的水库中，没有发现震损破坏严重的现象，也未发现干砌块石研条错位和振断的情况。

3.2 震损成因

震损特征表明：无论是防浪面板,还是坝顶防浪墙,破坏严重的部位都在坝体中间和最高处，裂缝延伸长度长，出现的裂缝最多；同一高程坝顶迎水侧和背水侧防浪墙和防护栏震损特征差别很大。

3.2.1 坝体沉陷差异

坝体分分期建成，坝体填料特质结构不同，老坝体修建时间长，自然沉降量小，新坝体建成才33年时间，背水侧坝坡为干砌条石，雕琢规整，条石与条石间水平方向有间隙，沉降变形量相对小，纵向条石间无间隙，向下沉降量小，因此，防浪墙和防护栏仅相隔4.6m，裂缝都分布在新坝体内（图3），防浪墙在新坝体的顶部，在上下，左右振动和推拉作用下，反复振动使土体更加密实，坝体下沉量不一致，使防浪墙和防护栏出现了损程度很大的差异；迎水侧坝坡表层为混凝土面板，为刚性材料，也容易振断[3]。分析防浪混凝土面板裂缝的原因，除上述因素外，还与设计几何尺寸有关，经量测迎水侧防浪面板长约18m，无分缝，宽6m，未地震前面板上就分布有裂缝，相对短小，面板在坝体自重下沉过程中就有折断现象，表明面板上下无分缝，上下长度太长，新坝体下沉时，面板在自重的作用下跟随下沉，加上面板厚度小，产生裂缝是必然的。

图3 防浪面板处理措施设计形态

3.2.2 挤压与拉张变形

坝顶同一处两块条石接触部位都留下斜擦痕和近水平擦痕，很明显是挤压所致，，但最终留下的是两块条石呈张开状，分析其成因主要有以下方面。

（1）地震开始时，两条石之间结合紧密，上下，左右振动磨擦，使条石接触部位互相磨擦、挤压形成近水平和斜向擦痕，条石破碎。

（2）随着反复持续的振动，使新填筑的土坝体产生不均匀沉陷，坝体最大坝高处沉陷量最大，向坝体两逐渐减弱，最中间的条石表现为下沉，条石一端下沉，另一端向上抬，使整个防浪墙沿坝轴线方向呈波浪状，导致两条石呈张开状。

4 处理方案与建议

2001年昆仑山口8.1级地震后，我国西南地区地震进入地震高峰期，汶川5.12地震后,小、中型水利水电工程抗震设防有很多经验值得借鉴和进一步研究。

就天生堰水库坝体迎水侧防浪面板而言，在设计时，除了考虑土坝体不均匀沉陷导致的防浪面板断裂外，还应注意以下几点。

（1）在西南高烈度区，刚性材料用于水库坝坡防浪冲刷，应采用预制的小块径(如六边形预制块)较为合适。

（2）若采用大面混凝土作为防浪面板，则水平向和纵向均应设置分缝填充沥青，其水平方向的分缝间距尽量比纵向分缝间距小。

（3）面板各块不要平行呈方格状，设计为品字形（图3）。

因此，建议天生堰大坝先处理好迎水坝坡面板上的震损裂缝，灌浆补强，分缝线沿新老裂缝切缝，切割成品字形。在切割过程中，如发现坝坡上有陷坑和凸凹不平的地方，应填足土或碎石并夯实， 切害缝宽 1～2cm，灌沥青防渗，以防护风浪掏蚀坝体。为了不使渗水在坝体坝坡浸泡坝体，在不同的高程上设置排水孔，其间距依各块面板的尺寸而定。

[1] 付承义.地球十讲[M].科学出版社,1976.

[2] 胡聿贤.地震安全性评价技术教程[M].地震出版社2003∶185-187.

[3] 吴世泽,满作武,梅应堂.汶川地震水利水电工程震损特征及规律分析.长江科学院院报[J],2010(5)∶64-66.

10.3969/j.issn.1008-1305.2014.06.016

P315；TV697

A

1008-1305（2014）06-0050-03

李茂华（1971年-），男，高级工程师。