震灾受损水利工程案例及修复技术简述

冯 运

(二滩国际工程咨询有限公司,成都,610072)

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。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。

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。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,中型水库36座,小一型水库154座,小二型水库611座。为保证水利工程的安全运行,地震之后及时进行检测,并对受损工程进行监测和修复是必要的。

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构造的不同,地震对于水利工程的危害也有所区别。水库坝体险情主要可分为3级:1级为一般性破坏,不产生渗漏;2级为严重性破坏,坝体开裂渗漏;3级将垮坝(崩塌),库水全部流失。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能降低,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,从而降低抗剪强度与变形模量,引起永久性(塑性)变形的累积,进而导致坝体沉降与防渗结构开裂。

狮子坪水电站大坝位于理县境内,坝高136m,汶川大地震后,坝基灌浆廊道出现多处不同长度的断续裂缝,局部错动约2cm;大坝心墙混凝土盖板区出现多处不同长度的表面裂缝和深层裂缝。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。

同时,沿线料场山体出现滑坡,形成长条带及凹陷,滑坡长30m～55m,凹陷坑深2.5m～3m宽7m左右,凹陷处上部山体有多条斜向裂缝,缝宽20cm左右。

2.2 坝体失稳

地震可能引起坝基液化,导致大坝失稳。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。地震时,受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变形,当达到危险应力水平时,土体在周期性荷载作用下将出现极大的变形位移,坝内土体发生液化,导致坝体失稳。

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m3。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液化。

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,地震发生后将造成岩体松动,诱发崩塌、滑坡和泥石流灾害,甚至形成堰塞湖等现象。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m3,另外水量在300万m3以上的大型堰塞湖有8处,对下游地区造成严重威胁。

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,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。对于土石坝,可根据埋设的监测仪器或开挖土坑检测;对混凝土坝,则可用无损探伤检测。包括使用地震波法、地质雷达、水下声纳法检测侵蚀程度,必要时采取槽探、钻孔、孔内地球物理等方法检测。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。

在震后坝体探测中,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。

3.2 裂缝修复

对于已经出现的裂缝,要定时观测和检测裂缝的分布、走向、长度和开度等。在大坝和坝基主裂缝部位设置标志,同时防止外部水流入加速其恶化。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。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渗漏。常用的有表面涂抹水泥砂浆、表面涂抹环氧树脂和新型赛博思等防腐材料,从而达到封闭裂缝和防水的作用。防护时应采取措施,对表面裂缝,应凿穿裂缝位置,缝内灌注材料;对深层裂缝,要采用相应的灌浆处理。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。主要应用于修复对结构整体有影响或有防水防渗要求的混凝土裂缝。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,因此对活缝应选用赛博思等新型弹性材料。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进行结构补强。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。比如狮子坪电站的基础灌浆廊道处理。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,增设支点加固以及浇筑混凝土补强加固。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。

3.3 滑坡处理

料场滑坡有剪切破坏、塑流破坏、液化破坏三种形式。可采用“上部减载”与“喷锚灌浆”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;“喷锚灌浆”就是固定下部边坡。

3.3.1 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。该方法在高边坡中被广泛应用。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。

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。

3.4 渗漏修复

应根据具体情况降低库水位,彻底修复防渗体。对由于浸润线过高而逸出坡面或者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,可以在短时间内降低坝体内的渗流,使大坝转危为安。

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。

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,同时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,坝和水库所在处变形并整体下沉约3.1m,右岸溢洪道严重损坏,坝体沉陷开裂,水库岸坡坍塌,库水震荡并漫溢坝顶。当时此坝并无抗震设计,承受了地震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电力公司采取的以下紧急抢救措施:

(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80m3/s的流量泄水降低库水位。

(2)对半角沉陷区和被水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被破坏的溢洪道流出。

(3)在心墙的大裂缝处下游,打竖井检查和修补。同时修整下游河岸坍方区。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Lower San Fernando坝

Lower San Fernando坝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m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条引水管排放库水。

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

4.3 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m3,是北京市民用和工业用水的主要水源。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,白河主坝强烈扭动,水面以下6万m2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条泄水隧洞和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

5.1 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。

5.2 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。

5.3 尽可能保证水坝顺利泄水,降低蓄水位,避免出现垮坝事故。

5.4 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及采取的工程措施,尚是一个薄弱环节,宜提高认识,加强必要的工作。

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