地震灾害受损水利工程案例及修复技术简述

1.概述

　　我国地处世界上两个最大地震集中发生地带——环太平洋地震带与欧亚地震带之间，地震较多，大多是发生在大陆的浅源地震，震源深度在20km以内。位于青藏高原南缘的川滇地区，主要发育有北西向的鲜水河-安宁河-小江断裂、金沙江-红河断裂、怒江-澜沧江断裂和北东向的龙门山-锦屏山-玉龙雪山断裂等大型断裂带[1].该区新构造活动剧烈，绝大多数属构造地震，地震活动频度高、强度大，是中国大陆最显著的强震活动区域[2].

　　而西南地区蕴藏了我国68％的水力资源，水利工程较多，且主要集中在川滇地区。据2005年数据，四川省有大中小型水库约6000余座[3].2008年5月12日的四川省汶川大地震，初步统计，已导致803座水库出险，受损的大型水库有紫坪铺电站和鲁班水库，中型水库36座，小一型水库154座，小二型水库611座[3].此外，地震还致使湖北和重庆地区各79座水库出现险情[4，5].为保证水利工程的安全运行，地震之后及时对水利工程进行检测，并对受损工程进行监测和修复是必要的。有关震灾受损水利工程修复方面的文献不多，散见于各种期刊或研究报告，为便于应用参考，本文搜集、筛选了一些震灾受损水利工程的案例，并对一些实用技术进行了介绍。

　　2.地震对水利工程的危害

　　由于地震烈度、地震形态以及水库本身工程质量的不同，地震对于水利工程的危害也有所区别。高建国[6]对我国因地震受损水利工程进行分类整理，认为水库坝体险情主要可分为3级：1级，一般性破坏，不产生渗漏；2级，严重性破坏，坝体开裂渗漏；3级，垮坝（崩塌），水库水全部流走。

　　我国因地震引起的水库垮坝并不多见，总结国内外地震对水利工程的危害，主要有以下几种形式：

　　2.1坝体裂缝

　　地震作为外力荷载将会导致大坝尤其是土石坝整体性降低，防渗结构破坏，引起大量裂缝。地震会产生水平和垂直两个方向的运动，并使周期性荷载增大，坝体和坝基中可能会形成过高的孔隙水压力，从而导致抗剪强度与变形模量的降低，引起永久性（塑性）变形的累积，进而导致坝体沉降与坝顶裂开。

　　2003年10月甘肃民乐—山丹6.1级地震引起双树寺水库大坝、翟寨子水库大坝，坝顶均出现一条纵向裂缝，长约401~560m，最大宽度2cm左右，并有多处不同长度断续裂缝，

　　防浪墙局部错动约0.5cm.大坝右侧出现山体滑坡，形成长条带及凹陷，滑坡长37m左右，凹陷坑深2.5~3m、宽7m左右，凹陷处上部山体有多条斜向裂缝，缝宽20cm左右。李桥水库坝顶有纵向裂缝，多处缝宽在2~5mm，其中一条长约100m左右，出现横向贯通裂缝，防浪墙出现多处竖向裂缝。这些裂缝在坝体漏水、自然降水和温度作用下，又将产生新的冻融、冻胀破坏，影响大坝的整体性和稳定[7].

　　托洪台水库位于新疆布尔津县境内，1995年被列为险库，1996年新疆阿勒泰地震（6.1级），使拦水坝出现10处横向裂缝，3处纵向裂缝，最宽处达16cm，长17m，防浪墙垂直裂缝27处。经评估，水库震后只能在低水位运行，致使发电系统瘫痪，同时对于下游构成潜在威胁[6].

　　岷江上的紫坪铺水利工程位于都江堰市与汶川县交界处，2006年投产，是中国实施西部大开发首批开工建设的十大标志性工程之一。2008年5月12日的汶川地震造成紫坪铺大坝面板发生裂缝，厂房等其他建筑物墙体发生垮塌，局部沉陷，整个电站机组全部停机。[3].此外，地震对泄水输水建筑物也将造成巨大危害。2003年8月16日赤峰发生里氏5.9级地震，使沙那水库混凝土泄洪灌溉洞产生纵向裂缝，长15m，最大裂缝15mm；环向裂缝22m，最大裂缝宽度1.8mm；洞出口消力池两侧边墙产生竖向裂缝，总长15m，最大裂缝宽度25mm.大冷山水库溢洪道两侧导流墙产生裂缝，以纵向裂缝为主，最大缝宽12mm[8].

　　2.2坝体失稳

　　地震可能引起坝基液化，从而导致大坝失稳。地震时，受到周期性或波动性荷载作用，土石坝内土体将产生递增的孔隙水压力和递增的变形。粘性土体构成的土石坝在地震中相对安全。但相对密度低于75%的粉砂土和砂土，在几个循环之后孔隙水压力就会显著上升，当达到危险应力水平时，土体在周期性荷载作用下显示出极大的变形位移，坝内土体就会呈现出液化的流态，导致坝体失稳[9].

　　喀什一级大坝1982年施工时，其坝体及防渗墙都未进行碾压，致使密实度降低，1985年地震时，由于液化和沉陷，导致该坝整体失稳破坏。

　　美国加州的Sheffield坝，1917年建成，坝高7.63m，坝顶宽6.1m，长219.6m，水库库容17万立方米.1925年6月距坝11.2km处发生里氏6.3级地震，长约128m的坝中段突然整体滑向下游。事后，经调查研究发现，坝体溃决的主要原因是地震使饱和土内的孔隙水压力增大，造成坝下部和坝基内的细颗料无凝聚性土发生液化。

　　地震还会造成土石坝体脱落或堆石体沉陷，从而引起坝体失稳。在库水位较高的情况下，堆石体沉陷会造成坝体受力不均，更严重的会引起库水漫顶，引发坝体垮塌。1961年4月

　　13日在距西克尔水库库区约30km处发生里氏6.5级地震，该水库位于VIII度区[10]，坝体出现了严重的堆石体沉陷现象，一段220m长的坝体沉陷值达到2~2.5m，崩塌范围在从坝轴线上游3~10m到下游的35~50m[11].

　　前面述及的沙那水库土坝和朝阳水库因地震致使土坝排水体砌石脱落，经抗震复核下游坝坡不稳定[8].

　　2.3岸坡坍塌

　　若水库两岸有高边坡和危岩、松散的风化物质存在，地震发生后，造成的岩体松动，可诱发产生崩塌、滑坡和泥石流，甚至形成堰塞湖等现象。

　　乌江渡水库处于地震多发区，1982年6月地震中，化觉乡东部厚层灰岩和白云岩地层中发生大面积崩塌。同年8月，化觉、柏坪一带又发生较大规模的地层滑动，影响面积约18k平方米[12].

　　5.12汶川大地震造成四川多处山体滑坡，堵塞河道，形成34处堰塞湖。其中唐家山堰塞湖蓄水过1亿立方米，另外水量在300万立方米以上的大型堰塞湖有8处[13]，对下游地区造成严重威胁。

　　另外，地震还可能对水利工程一些其它部分造成损坏。如1995年1月日本阪神淡路7.2级地震[14，15]中，使堤防基础液化发生侧向流动，造成堤防破坏以及护岸受损。我国历次地震中，出现较严重险情的多为土石坝，且多为年代较久远的土石坝，如果发生强地震就更容易造成损坏[16].

　　3.震灾受损水利工程的修复技术

　　地震后受损水利工程修复措施主要包括以下几个方面：

　　3.1坝体监测

　　地震后，对于受损水利工程，应及时降低水库运行水位，并进行充分的坝体探测。对土石坝，可开挖土坑检测，对混凝土坝，则可用无损探伤检测[17].包括使用地震波法、地质雷达、水下声纳法检测侵蚀程度，必要时还需要采取槽探、钻孔、孔内地球物理方法进行检测。根据地震前后大坝监测结果的对比分析，判明是否存在普遍的结构损伤迹象。尤其需要加强对坝体变形和渗透的观测，防止裂缝前后贯通，内部发育，产生渗漏通道。同时，加强对输水洞漏水、溢洪道裂缝的监测，以防渗漏进一步扩大[18].

　　震后坝体探测中，作为一种非破坏性的探测技术，地质雷达具有探测效率高、分辨率高、抗干扰能力强等特点，可以快捷、安全地运用于坝体现状检测和隐患探查[19].

　　2003年甘肃山丹地震后，利用地质雷达对双树寺、瞿寨子、瓦房城等水库的震后坝体裂缝、坝基渗透、溢洪道、高边坡开裂和库岸道路滑坡等进行了探测[20]，效果很好。

　　3.2裂缝修复

　　对于已经出现的裂缝，要对其分布、走向、长度和开度等进行定时观测和检测。在大坝主裂缝部位设置标志，缝口要覆盖塑料布，防止雨水流入加速其恶化。对受洪水威胁的建筑物，要采取临时措施（如围堰）进行保护。

　　裂缝的修补应从实际出发，在安全可靠的基础上，同时考虑技术和施工条件的可行性，力求施工及时、简单易行、经济合理。常用的有以下几种处理方法：

　　3.2.1表面处理法

　　表面处理法[21]主要适用于对结构承载能力没有影响或者影响很小的表面裂缝及深层裂缝，同时还可以处理大面积细裂缝的防渗防漏。常用的有表面涂抹水泥砂浆、表面涂抹环氧胶泥以及表面涂刷油漆、沥青等防腐材料等，从而达到封闭裂缝和防水的作用。在防护的同时应当采取在裂缝的表面粘贴玻璃纤维布等措施，这样可以防止混凝土在各种作用下继续开裂。

　　3.2.2灌浆法

　　灌浆法主要应用于对结构整体有影响或有防水防渗要求的混凝土裂缝的修补。经修补后，能恢复结构的整体性和使用功能，提高结构的耐久性。

　　灌浆法[22]分水泥灌浆和化学灌浆。水泥灌浆适用于裂缝宽度达到1mm以上时的情况；裂缝较窄的情况下宜采用化学灌浆。此外，工程经验表明水泥浆适于稳定裂缝的灌浆处理，不适用于活缝或伸缩缝的处理。化学灌浆也存在类似问题，应用最广的环氧树脂浆固结体是脆性材料，因此对活缝应选用弹性材料。部分化学灌浆还有毒性，应加强施工人员的保护措施。大量实践证明，灌浆法是目前最有效的裂缝修补处理方法。

　　3.2.3结构加固法

　　危及结构安全的混凝土裂缝都需作结构补强。结构加固法适用于对整体性、承载能力有较大影响的较深裂缝及贯穿性裂缝的加固处理。混凝土结构的加固，应在结构评定的基础上进行，以达到结构强度加固、稳定性加固、刚度加固或抗裂性加固的目的。结构加固中常用的主要有以下几种方法：加大混凝土结构的截面面积，在构件的角部外包型钢、采用预应力法加固、粘贴钢板加固、增设支点加固以及喷射混凝土补强加固。结构加固法还适用于处理对结构的承载能力、整体性、耐久性有较大影响的不均匀沉陷裂缝和较为严重的张拉裂缝[23].

　　3.3滑坡处理

　　土坝滑坡有剪切破坏、塑流破坏、液化破坏三种形式[24].可采用“上部减载”与“下部压重”法来处理。“上部减载”就是在滑坡体上部的裂缝上侧削坡，以保持稳定：“下部压重”就是放缓下部坝坡，在滑坡体下部做压坡体等。当滑坡稳定后，应当及时进行滑坡处理[17].主要处理方法介绍如下：

　　3.3.1放缓坝坡

　　若滑坡由于剪切破坏造成，则放缓坝坡为最好的处理方法。可填入土体将坝坡放缓，或是先削掉滑动面上坝顶的土体，使滑动面坝坡变缓，然后再加大未滑动面的断面[24].

　　对存在失稳危险的土石坝也可采用水上抛石法放缓上游坝坡，施工方法简单，且不受季节和水位的变化。加固工程不破坏原坝体结构，减去拆除原有的坝体护坡石和反滤料工序，对保护原坝体非常有利。石料渗透系数大，在库水位降落时，新筑部分的自由水面线，几乎与库水位重合，这样就造成新增断面和原有断面共同承担原有坝壳中库水位降落时产生的渗透水压力及地震产生的超隙孔压力，起到压重的作用，从而有利于大坝的稳定[25].

　　3.3.2压重固脚

　　若滑坡体底部滑出坝趾以外，则需要在滑坡段下部采取压重固脚的措施，以增加抗滑力。压重固脚的材料最好用砂石料。在砂石料缺乏的地区，也可用土工织物，代替反滤，以达到排水的要求[17].

　　通过在坝体上加压盖重，或对坝体培厚加固处理，可以进一步提高防渗流土、坝体抗裂和抗渗性能，同时增加坝体稳定性。

　　实例：1999年山西大同堡村发生5.6级地震，对位于震中附近的册田水库造成VII度影响，坝体产生结构变形[26].震后对主坝和北副坝下游坝坡采用石渣进行培厚加固处理。主坝所在956m高程以下石渣培厚体，坝坡分别为1：2.75，在956m高程设12m宽的平台，在949m高程、940m高程设3.0m宽的马道，并在石渣体与原坝体设置反滤层。培厚坝体后，即使再次遭遇地震，由于坝体在正常水位下（956m高程）宽度增加，也可避免大坝整体失稳，从而保证大坝的安全[27].

　　3.3.3库岸岩体加固

　　对于地震中松动的库岸岩体，应采取工程措施进行加固。地震后，首先需要对库岸岩石情况进行重新评估，选择加固方式。库岸加固通常采取锚固、支挡、排水相结合的方式。锚固措施是利用预应力锚索和锚杆固定不稳定岩层，适用于震后加固岩体滑坡和不稳定的局部岩体。通过一端与建筑物结构相连，一端打入岩体内部，在增强岩体抗拉强度的同时，

　　改善库岸岩体的完整性[28].该方法在高切坡中被广泛应用。支挡方法是通过支挡体来平衡滑坡体的下滑力，确保滑坡体的稳定安全。支挡结构能有效地改善滑坡体的力学平衡条件，阻止滑坡、泥石流等。常用的方法有重力式挡墙、拉钉挡墙、加筋土挡墙、抗滑桩等[29].

　　此外，由于地震过后经常伴随暴雨，更易在松动岩石处产生滑坡、泥石流等灾害，因此需及时排水，包括地表水和地下水。可设置截水沟排除地表水；排除地下水可用廊道、竖井和水泵等。在美国、加拿大和日本等国家较多采用专用钻机打水平孔的办法排地下水[28].

　　3.4渗漏修复

　　应根据具体情况降低库水位或放空水库，彻底修复防渗体，对由于浸润线过高而逸出坡面或者由于大面积散浸引起的滑坡，除结合下游导渗设施外，还应考虑加强防渗。

　　3.4.1劈裂灌浆

　　对于土石坝较严重的渗漏破坏，可以采取劈裂灌浆或加强防渗斜墙等方式解决。劈裂灌浆是指在垂直渗流的方向沿坝轴线劈开坝体，灌入稠泥或水泥砂浆，截断渗流通道，可以在短时间内坝体内的渗流，使大坝转危为安。

　　采用劈裂灌浆技术的岭澳水库具体做法如下：根据坝长选用适量的灌浆机，多台灌浆机同时开灌，为使浆液尽快硬化固结，所用浆料为掺入速凝剂的水泥加粘土。在灌浆工艺上，连续的多次复浆，使混凝土或泥浆墙尽快加厚，并使贯通的漏水通道通过灌浆压力和多次灌浆挤压膨胀与原坝土体紧密结合，最终形成垂直连续的防渗混凝土砂浆墙，防止再次出现漏水通道的可能[30].

　　3.4.2开挖置换

　　置换技术是土石坝震后修复中的一种重要手段，尤其对于心墙开裂的土石坝具有重要意义。首先需要通过探测技术检测到侵蚀的区域，然后在心墙的下游侧补填塑性混凝土，并用颗粒反滤层加以支持。最后使用水泥膨润土混合物进行灌浆。置换技术可以有效阻止土石坝心墙的进一步破坏，达到防渗漏的目的[18].

　　实例：新西兰的马拉希纳坝，在经历埃奇克姆地震后，初期表现稳定，在1987年12月后出现水位明显下降的现象。通过详细的监测发现，虽然大坝没有遭受严重的渗漏，但左坝肩心墙和下游副心墙出现明显的开裂和侵蚀，且侵蚀依然在继续发展。持续不断的侵蚀导致库水位不断下降，因而采取心墙置换的方式，即对左右岸坝肩进行开挖，喷上混凝土，置换开挖出来的材料。水库再次蓄水时没有出现新的事故[18].

　　3.4.3排水设施

　　在阻止渗流发生的同时，需要做好排水工作，通过设置宽敞的排水带，使渗流能顺利排走，降低坝体内的浸润线，减小孔隙水压力。

　　4.典型水利工程抗震抢险及修复实例

　　4.1美国Hebgen坝

　　Hebgen土石坝[31]位于美国Montana州，1915年建成，1959年8月遭受里氏7.1级的强烈地震，坝和水库所在地变形并整体下沉约3.1m，右岸溢洪道严重损坏，坝体沉陷开裂，水库岸坡坍塌，库水震荡并漫溢坝坝。当时此坝并无抗震设计，承受地震对其的各种危害而未垮坝，其破坏模式和耐震经验极有借鉴意义。

　　当时业主Montana电力公

　　司采取的紧急抢救措施包括：

　　（1）立即将泄水底孔进水口原用迭梁封闭的二个孔口开启，以80立方米/s的流量泄水降低库水位。

　　（2）对半角沉陷区和被流冲蚀的坝下游面填土修复。检查表明，心墙与溢洪道连接处的漏水并非通过心墙上的裂缝而是从破坏的溢洪道流出。

　　（3）在心墙的大裂缝处下游，打竖井检查和修补。同时对下游河岸坍方区进行了修整。此后于1960年4月开始对溢洪道、坝体心墙和上游面进行了全面的修复和加固工作。至今运行完好。

　　4.2美国LowerSanFernando坝

　　LowerSanFernando坝[31]位于美国加州洛杉矶市北，1912年动工，最大坝高43.2m，坝顶宽6m，长634m.1971年2月在坝东北12.9km处发生里氏6.6级地震，致使主坝发生巨大滑坡，坝的上游部分带动坝上部9.2m高的坝体和坝顶一起坍落滑向水库20多米远。

　　事故发生后，救援人员立即采取了如下措施：一方面立即运来砂袋加固筑高坝的低陷部位；另一方面紧急撤离坝下游地区8万居民；此外，通过2条泄水道和3条引水管排放水库中的水。

　　经初步调查和后期进一步挖槽、钻孔取样研究得出，坝内有大范围土区在地震后液化，但液化区被外围强度较高的非液化土约束住，因而直到液化区内有足够扩张力，促使外围土向外和向下移动时，才出现大规模滑动。

　　4.3新疆西克尔水利工程

　　西克尔水库[10，11]位于新疆伽师县东北西克尔镇，1959年建成使用，为均质土坝，设计库容10053万立方米，属大型拦河式平原水库。该工程自建成以来共经历了15次地震，其中较严重的有3次：1961年4月13日发生6.5级地震，震中距水库约30km，致使220m长的坝出现沉陷崩塌，余坝产生165条裂缝；1996年3月19日发生6.4级地震，坝段出现涌沙，裂缝，局部产生沉陷；2002年3月3日，阿富汗发生里氏7.1级地震，造成水库副坝段出现决口，并迅速扩大到50m左右，决口流量约120立方米/s，损失惨重。

　　由于西克尔水库运行年限长，且早年建设时没有进行地质勘探，因此极易糟受地震破坏。多次地震后，主要采取的措施有：

　　（1）加高坝顶，坝后设置压重，并铺设无纺布反滤。

　　（2）大坝决口后，进行抢险封堵，修复缺口。

　　（3）按库区基本烈度八度进行设计校核，对西克尔水库主坝、副坝和其它建筑物进行加固修复。针对部分坝段坝基地震液化问题，主坝采用压盖重措施，以进一步提高防渗流土、坝体抗裂和抗渗性能。副坝部分改线，采用粘料含量高的土进行填筑，加固填筑总方量为

　　58.59万立方米，其中粘土39.29万立方米，占60%.

　　4.4北京密云水库

　　密云水库位于北京密云县城北13km处，库容43.8亿立方米，是北京市民用、工业用水的主要来源。水库始建于1958年9月，分白河、潮河、内湖三个库区，主要建筑有白河主坝（高66m，长1100m）、潮河主坝（高56m，长960m）和5道副坝等。

　　1976年7月28日，河北唐山发生里氏7.8级强烈地震，白河主坝发生强烈扭动，主坝水面以下6万平方米的块石坡和砂砾保护层滑落，受损严重。地震后，采取的主要措施[6]有：

　　（1）及时探测大坝裂缝，并派潜水员进行水下探测。

　　（2）通过筑堰建闸，把密云水库分隔成两个库区，放空库水后，进行全面检查加固。清除白河主坝上的砂砾保护层，加厚铺盖粘土斜墙，改用碴石保护层，往水下填粘土及砂石达20万m².随后，打通白河廊道、削坡清基，进行坝体加固。

　　（3）加固了3座副坝，并增建了3条泄水隧洞、1座溢洪道等。白河主坝加固工程于1977年11月21日完成，达到了国家一级工程标准，至今完好。

　　5.小结

　　地震后受损水利工程修复是项复杂的工作，要因地制宜尽快采取最合适的方法进行修复。几条主要结论如下：

　　（1）地震发生后，各级水行政主管部门应该对境内的水利工程，尤其是堤防、水库大坝、水闸等工程进行排查，及时掌握工程破坏的情况及其隐患，有针对性地制定抢修方案。对地位重要、关系重大、危险性高的受损水利工程，要抓紧修复，确保度汛安全。

　　（2）坝和地基土料的液化，是导致垮坝或严重破坏的主要原因，此外，较普遍的震害有滑坡、开裂、沉陷和位移。

　　（3）尽可能保证水坝顺利泄水，降低蓄水位，避免出现垮坝事故。

　　（4）目前对于水利工程一般都有相应的突发事故（如地震、洪水等）预警机制，但对于如何应对出现的险情，采取必要的工程措施，尚是一个薄弱环节，宜提高认识，加强要应的工作。

　　（5）对山区河流因沿岸崩山、泥石流等形成的堰塞湖，要当机力断主动尽早清除，以避免水位升高，堰塞湖溃决形成洪灾。

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