陡河水库土坝坝基抗震分析

王桂青

（唐山市陡河水库管理处，河北 唐山 063021）

1 工程概况

陡河水库建于1956年，位于唐山市区东北约15 km的陡河上，由土坝、输水洞、溢洪道等建筑物组成。水库大坝为均质土坝，最大坝高25 m，全长7 364 m，抗震设计烈度8度。大坝坝基包括三部分，主坝全长1 700 m，桩号0+000-0+200段坐落在河床段、0+200-1+700段坐落在一级台地；副坝全长5664m，坐落在二级台地上。坝基表层为黏土和壤土，厚约7～10 m，下为厚约20 m的中、细砂层，并含有砾石和卵石，分布极其广泛。在坝基表面的黏性土层中，断续存在含有机质较高的土层，呈灰色或黑色，共有5段，其中以河床附近及靠近二级台地部分较软。

1976年7月28日，唐山地区发生了9度以上的强烈地震，大坝发生了裂缝、沉陷、位移、冒砂、滑坡、坝后排水沟隆起及防浪墙沉陷、倒塌等情况，土坝遭到了严重破坏。一般情况下，水工建筑物的破坏，地基条件是一个主要因素。针对这些情况，对陡河水库土坝坝基进行了抗震分析。

2 坝基液化

2.1 可液化土壤范围

坝基液化是地震时某些土层中的孔隙水压力显著增加，抗剪强度急剧下降，导致地基失稳和建筑物的破坏现象。产生液化的条件与土层的天然结构、埋藏深度、颗粒组成、松密程度等有关。对坝基喷出的土料进行分析：有细砂、中砂，含有细砂较多的砂砾石或砂卵石，砂壤土以及轻壤土等。在砂壤土和轻壤土中，粉质砂壤土和轻粉质砂壤土较多，表明其较中、重砂壤土更容易液化。通过对土料的分析发现，陡河水库坝基可液化的土壤包括的范围很大。

2.2 土层的埋深对液化的影响

砂层以上覆盖土的厚度和地下水位对土层液化的综合影响用有效覆盖压力（σv）表示，其计算公式如下：

式中：σv为有效覆盖压力；dS为地表至第一层砂层顶板的厚度；dW为地表至地下水位的深度；γ2为地下水位以上土壤的自然容重；γ1为地下水位以上土壤的浮容重。

从式（1）可知，可液化的土层埋藏越深，有效覆盖压力越大，抗液化的能力就越高。为了判断喷砂的埋藏深度，在陡河水库下游9～10度地震区打了27个钻孔。从喷砂深度看，埋藏深度小于8m的孔都有冒水喷砂现象，大于8 m的孔没有冒水喷砂现象，界限十分明显。这表明陡河水库坝基遇到强震时，大于8 m的土层才有抗液化能力。

2.3 土壤的密实性对液化的影响

从有效覆盖压力（σv）计算公式可见，可液化的土壤容重越大，土壤越密实，有效覆盖压力就越大，抗液化的能力就越高。陡河水库坝基中细砂层顶部埋藏深度为5～10 m，建库前所作的标准贯入试验击数为10～20击，已知砂的相对密度Dr为0.6～0.75，其密实度属中密上限或密实下限，遇到9～10度地震时仍然发生液化。这表明陡河水库坝基在高烈度区，对比较密实的中、细砂，也可能发生液化。

2.4 坝基排水对液化的影响

主坝一级台地段设有排水沟，可以排出部分坝基渗水，减轻了附近坝基的液化程度，这是主坝的滑坡仅发生在坝头河床段的原因之一。所以，搞好坝基排水，可以避免或者减轻坝基的液化。

2.5 液化的“隔震”作用

陡河水库主坝段地下水位较高，地震时普遍有液化现象，土坝的主要震害是宽而深的纵向裂缝和坝顶沉陷，只在左坝头有一处滑坡，情况并不严重。副坝段长5 664 m，地下水位较低，并无液化问题，却发生了很多处严重的滑坡。这表明坝基液化以后，地震剪切不易通过液化层传到地表，使坝体所承受的地震惯性力相对地减小了，对地面上的建筑物可以起到一定的“隔震”作用。副坝由于砂层埋藏较深，坝基没有液化，坝体承受的地震力较大，再加上施工质量比较差，因而引起严重的滑坡破坏。

3 坝基塑流

3.1 坝基软弱土层分布情况

主坝坝底宽度105.72 m，其中坝中至上、下游坝趾分别宽56.72、49 m。土坝软弱土层分布情况，见表1。坝基如果塑流区范围不大，土坝不会产生塌滑；如果塑流区范围较大，则可能发生坝坡连同坝基滑坡。根据顾淦臣教授稳定计算分析后规定，坝体趾部地基容许塑流开展区宽度不超过B/4，B为坝底宽度。如果坝中部地基发生塑流，对土坝危害较小，并规定容许塑流区宽度不超过3B/4。如果超过，则可能发生塑流区连同整个坝底被挤出，使大坝塌陷破坏。

表1 土坝软弱土层分布情况

3.2 塑流对陡河水库坝基的危害

地基内的软弱土层，由于形成时期及埋藏条件的不同，在性质上差异较大。颗粒较粗、排水条件好的，其物理力学性质较好。其中，桩号1+340-1+675段的淤泥质土面积广而厚，物理力学性质最坏。在这次地震中，由于软弱土层抗剪强度低，产生塑性流动，引起建筑物破坏，大坝坝脚处产生很大的变形和隆起，下游排水沟被挤窄。

3.3 坝基抗塑流能力

在这次地震中，排水沟沟底抬高最大的几个坝段分别是：桩号0+100、0+167、1+300、1+400、0+200、0+700、0+500、1+200、1+500，分别抬高2.02、1.30、0.89、0.79、0.67、0.54、0.46、0.31、0.31 m。河床附近的坝段沟底抬高最大，沟身被挤压，并且0+167段坝顶沉陷最大，下游发生滑坡。这表明河床段的坝基软土层埋藏条件差，在强震中抵抗塑流能力最差。

坝基桩号1+340-1+675段，1955年水库施工以前，该层淤泥的干容重只有1.25～1.47g/cm3。施工时进行了预压，完工后又经过了长时期的固结，到1964年其干容重已提高到1.43～1.52 g/cm3。经过这次地震，该段坝体未发生滑坡，坝脚附近地基和排水沟的变形也较河床段为轻，证明该段淤泥已具有较高的抗震能力。这表明陡河水库坝基的软弱土层经过预压固结后，能够起到抗塑流的作用。

其他含有软弱土层的坝段，由于埋藏较深，物理力学性质较好，在这次地震中破坏程度较小，具有抗塑流的能力。

4 坝基沉陷和抬升

4.1 坝基升降情况

受地震的影响，坝基都有不同程度的沉陷和抬升，一般抬升量较小而沉陷量则较大，对建筑物的影响也较大。大面积的升降一般不致造成建筑物的破坏。地震时局部沉陷是很普遍的，对建筑物的影响也比较大，尤其是不均匀沉陷常常造成建筑物的破坏或失稳。在这次地震中，陡河水库土坝的主要震害是宽而深的纵向裂缝和坝顶沉陷。主坝坝顶一般下沉1.0 m左右，减少了水库的容积。其中，坝基的沉陷量达0.43～1.02 m，桩号0+100段下沉0.43 m、0+500段下沉0.73 m、1+300段下沉1.02 m。副坝段沉陷量较小，最大沉陷仅为0.15 m。

4.2 坝基升降原因分析

局部沉陷的原因是很多的，除了液化和塑流可能引起坝基的局部升降以外，由于地震引起坝基土壤的压密也是造成局部沉陷的一个重要因素。现对陡河水库地震前后坝基的密实性进行分析，建库前与地震后坝基砂层标准贯入试验结果对比见表2。

表2 建库前与地震后坝基砂层标准贯入试验结果对比

从表2可知，地震以后，砂层的密实度有了显著的增加。这是坝基和坝顶大量下沉的重要原因之一。有的不均匀沉陷，是由于坝基的软硬不均造成的。如主坝坝基存在软弱夹层的桩号1+340-1+675段，经过预压固结，干容重已提高到1.43～1.52 g/cm3,仍小于周围坝基的干容重1.65～1.78 g/cm3，在这次地震中沉陷量较大，且与相邻坝段沉陷量差值较大，破坏比较严重。河床段与一级台地交界处、一级台地与二级台地交界处坝顶横缝较多，都属于坝基软硬不均造成的不均匀沉陷。可见，陡河水库主坝段坝基砂壤土较厚且位于表层，压缩量很大，多种因素导致主坝段坝基地震时很容易产生升降变形。

5 结语

由于陡河水库坝基覆盖层较薄，可液化土壤包括范围较大，在强震时坝基砂层埋藏深度小于8 m，容易引起地基液化，通过在主坝坝趾处修建排水沟，再加上地基液化以后对上游坝体产生“隔震”作用，可以减小液化对土坝的危害。对于存在软弱土层的河床段，坝基抵抗塑流能力最差，桩号1+340-1+675段坝基经过预压固结后，经强震检验能够起到抗塑流的作用，但由于坝基土的软硬不均，坝基抵抗升降变形的能力较弱，使不均匀沉陷成为地震时对土坝的主要危害。