西克尔水库大坝震损特性及抗震安全分析

刘洪滨

（新疆水利水电科学研究院，新疆 乌鲁木齐，830049）

1 概述

西克尔水库位于新疆喀什地区伽师县西克尔镇，距喀什市160 km[1]。工程始建于1958年初，1958年12月竣工，1959年初投入使用，是典型的三边工程。水库大坝为均质土坝，全长13 km，其中主坝段长4.5 km，最大坝高7 m，坝顶宽8.5 m；副坝段长8.7 km，最大坝高4.4 m，坝顶宽5 m。设两座放水涵洞和一座溢洪道（开敞式与有闸控制相结合）。2020年核定水库总库容为10 041万m3，工程等别为大（2）型，水库主要承担灌溉任务。工程区位于塔里木地台二级构造单元柯坪断块隆起和塔里木坳陷接壤处，在塔里木西南坳陷的麦盖提斜坡构造单元内。近场区构造活动强烈，地震发生频繁，震中主要位于柯坪断裂带中部，尤其以柯坪断裂（F1）与普昌断裂（F3）交汇处最为集中。工程区50年超越概率10%的地震动峰值加速度为0.2g，对应的地震基本烈度为Ⅷ度，区域构造稳定性差。

我国许多学者基于水库震害资料分析了不同类型大坝的破坏特性[2-6]，特别是2008年汶川地震后，用较详实震害资料分析了地震对水库大坝安全的影响[7-10]，但上述研究主要针对单次地震情况下的大坝安全分析，鲜见多次强震作用下大坝震损特性及抗震安全分析的研究资料。而西克尔水库建成后，经1961年、1971年、1977年、1996年、2011年和2020年6次较强地震[1-2]，每次地震对水库工程均有不同程度的破坏，震后修复和除险加固的方案各有特点。笔者总结了历次地震对水库大坝的破坏情况，以及震后除险加固措施，分析研究了水库大坝抗震安全性，为今后强震区水工建筑物的设计提供参考。

2 历次震损特性分析及加固措施

西克尔水库大坝历次震损情况及加固措施见表1。由表1可知：

表1 西克尔水库大坝历次震损情况及加固措施Table 1 Previous earthquake damage and reinforcement measures for Xikeer reservoir dam

（1）水库位于地震多发区，建成后约每10年经受一次地震，地震震级5.8～6.9级，水库地面烈度Ⅶ～Ⅷ度。

（2）每次地震均造成水库大坝不同程度破坏，历次震损均出现坝体裂缝和喷水冒砂，特别是第一次地震出现了局部溃决，第六次地震出现了局部砂土液化。

（3）第一次地震坝体出现纵向裂缝和横向裂缝，以横向裂缝为主；其余几次地震坝体裂缝主要为纵向裂缝，最大缝宽50 cm（第四次地震，且震级最大，为6.9 级），最长缝1 000 m（第二次地震），最深缝4.3 m（第六次地震）。

（4）第一次地震坝体震损最严重，这与该水库前期施工质量差、坝体碾压不密实有关。震损还与震级密切相关，震级越高，震损越严重。

（5）对大裂缝采用挖槽回填壤土并分层压实，对小裂缝采用泥浆或壤土充填，后续运行情况表明，对不同震损情况采用不同的加固措施效果较好。

3 抗震安全分析

西克尔水库位于多地震带，特别是1990年以来，柯坪断裂带共发生20 多次震级大于4 级的地震，震中主要位于柯坪断裂带中部，尤其以两大断裂带交汇处最为集中。水库距普昌断层垂直距离50 km，距柯坪断层垂直距离2 km，距两断层交点25 km。水库处于构造活动强烈的强震区，地震频繁，区域构造稳定性差。据史料记载，库区在1802年发生过一次7 级以上地震，水库建成后，1961—2020年共发生6 次对水库有较大破坏的地震。因此，分析水库抗震安全性对确保工程安全和采取应对措施具有重要的技术支撑作用。

3.1 坝基液化分析

主坝和副坝坝基标贯试验结果及液化可能性评判见表2～3，从中可看出：（1）主坝坝基局部有地震液化可能性，液化土多为低液限粉土和粉土质砂。其中0+200～1+500 m段坝基7～9 m以上以低液限黏土和低液限粉土为主，夹粉土质砂和粉细砂层，厚度一般为0.5～1.5 m，局部厚可达3.8 m，该层粉细砂有液化可能性；坝基7～9 m以下以粉细砂为主，局部夹低液限粉土透镜体，该层粉细砂7～15 m范围内有液化可能性。（2）副坝坝基局部有地震液化可能性，其中0+000～2+685 m段主要分布于坝基4 m 以上粉土质砂透镜体中，2+685～8+767 m 段主要分布于坝基8 m 以上低液限粉土及粉土质砂层中。

表2 主坝坝基标贯试验结果及液化可能性评判Table 2 Standard penetration test results and evaluation of liquefaction possibility of the main dam foundation

表3 副坝坝基标贯试验结果及液化可能性评判Table 3 Standard penetration test results and evaluation of liquefaction possibility of the auxiliary dam foundation

3.2 坝体裂缝分析

西克尔水库坝体为低液限黏土和低液限粉土为主的均质坝。其中低液限粉土黏粒（d＜0.005 mm）颗粒含量小于15%，饱和动强度指标c=25 kPa、Φ=10°，约为1/3静强度。该类饱和土在周期性动应力作用下，孔隙水压力随震次的增加而增加。在往复的震动作用下，土体的孔隙水压力增长加剧，土骨架的体变迅速增长，土的强度降低，出现类似砂土液化的断裂破坏（εf=15%）现象。特别是垂直于坝轴线的地震横波震动，导致坝体加速产生纵向裂缝。

西克尔水库原设计未考虑抗震因素，建库时未采取任何抗震工程措施。坝体填筑为人工夯填，坝体压实度较低，1996年坝体探坑资料反映压实度仅为0.92，2020年探坑资料反映坝体压实度为0.97～0.99，说明在多次地震作用下，坝体土颗粒有变紧密的趋势。

4 处理措施建议

西克尔水库建于地震多发区，工程条件先天不足，坝体碾压不密实，坝基位于易液化的粉土质砂和粉细砂地层上，且原设计未考虑抗震措施，导致水库自建成后一直处于地震高风险运行状态。约每10年一次的震损使下游1.5万人民生命财产安全和17 333万m2耕地灌溉用水受到严重影响，因此对水库进行一次系统的除险加固非常必要。根据水库大坝历次震损情况及抗震安全分析结论，建议采取如下主要处理措施：

（1）因坝基及主要建筑物基础7～9 m 以上以低液限黏土和低液限粉土为主，夹粉土质砂和粉细砂层，为防止坝基局部浅层液化，以及坝体因地震产生裂缝，建议对坝体与坝基采用高压旋喷注浆处理，对主要建筑物基础采用高压旋喷注浆围封处理，同时对坝体增加排水减压措施。

（2）坝后排水和盖重。历次震损后加固措施均以增加坝后盖重为主，且只对出现破坏或液化部分增设排水和盖重，未形成全坝段坝后排水系统，未形成整体坝后盖重且段面偏小，未统一回填坝后取土坑，导致形成了基础液化后的溢出通道，建议重新设计坝后排水和盖重系统。

（3）建议加高局部坝体，通过设置合理的坝顶超高补偿动态沉陷值，防止坝体因地震沉陷导致漫顶破坏。

（4）适度放缓坡度。建议对坝体进行抗震稳定计算，根据计算结果及抗震安全评价，采取针对性措施处理坝坡抗震稳定问题，如：将校核洪水位以上的上下游坝坡适当放缓，在校核洪水位位置设置马道平台，以抗击动荷载；上游防浪护坡可采用钢筋混凝土结构，适度加大板厚；坝后坡可采用砂砾石网格护坡。

5 结语

（1）西克尔水库位于地震多发区，建成后约每10年经受一次地震，地震震级5.8～6.9级，水库地面烈度Ⅶ～Ⅷ度。

（2）水库工程条件先天不足，坝体施工质量差，碾压不密实。每次地震均造成水库大坝不同程度破坏，历次震损均出现坝体裂缝和喷水冒砂，第一次地震出现了局部溃决，第六次地震出现了局部砂土液化。坝体震损与震级密切相关，震级越高，震损越严重。

（3）抗震安全分析表明，主坝和副坝坝基局部有地震液化可能性，液化土多为低液限粉土和粉土质砂。地震使坝体易产生裂缝，特别是地震横波，易导致坝体产生纵向裂缝。

（4）原设计未考虑抗震措施，历次震损后加固措施均以增加坝后盖重为主，未形成系统加固措施，导致水库自建成后一直处于地震高风险运行状态，对下游1.5万人民生命财产安全造成巨大威胁，因此对水库进行系统的除险加固非常必要。