新疆喀什西克尔水库震后除险加固设计

尹舒倩

(新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

西克尔水库位于新疆喀什噶尔流域克孜勒河下游，喀什地区伽师县东北部西克尔镇境内，距喀什市约160 km，距伽师县城70 km，总库容10 041万m3，死库容1 450万m3，控制灌溉面积1.73万hm2，是一座兼灌溉、养殖同时还承担滞洪、调洪的大(2)型注入式平原水库[1]。水库工程主要由主坝、副坝、溢洪道、泄洪闸、放水涵洞及小放水闸等建筑物组成。主坝为均质土坝，坝长4 546.0 m，坝顶宽度8.5 m，最大坝高7.0 m;副坝为均质土坝，坝长8 768.0 m，最大坝高4.4 m。

根据GB 18306-2015《中国地震动参数区划图》中1∶400万：工程区50年超越概率10%的地震动峰值加速度为0.20g，对应的地震基本烈度为Ⅷ度，属区域构造稳定性差地区。

水库始建于1958年4月，1959年初投入运行，后经1986、1996、1999—2000年和2005—2006年多次加固达到现状规模。

2 “1·19”震后水库震损情况

2020年1月19日21时27分，喀什地区伽师县发生6.4级地震(39°49′48″N，72°12′36″E)，对水库大坝及其他建筑物造成一定程度的破坏。

2.1 主坝震损情况分析

2.1.1坝体开裂

主坝0+507.00 m～2+133.00 m坝段，在“1·19”震后坝体坝顶、坝前坡、坝后坡出现10段不连续的纵向裂缝，裂缝最大宽度5 cm，见图1，裂缝最大深度达4.3 m，见图2，裂缝两侧呈锯齿状，未见错动，为张性裂缝。其成因主要是由于在坝的横断面上坝身、坝基各部位变形的不协调所引起。

图1 主坝坝顶裂缝纵向长度图

图2 坝顶裂缝尖灭深度图

2.1.2坝基液化

据钻孔资料，主坝坝基地层岩性主要为第四系低液限黏土、低液限粉土和粉土质砂。其中厚度5 m以上粉土质砂主要以薄层状或透镜体状分布，地基土深度0.2～0.8 m以下处于饱和状态，地震时细粒土排水不畅，粉土及粉质砂层产生地震液化(见图3)。通过现场调查，“1·19”地震后在主坝坝后共发现4处地震液化冒水喷砂现象。

2.1.3坝后盖重开裂

主坝0+507.00 m～0+890.00 m段坝后铺有宽12～15 m、高1.0～1.5 m、边坡坡比1∶1.5～1∶1.75的含砾粉土盖重，盖重坡脚处连续分布有取土坑，坑深0.5～0.8 m，坑内多有积水，“1·19”地震后盖重边坡产生了变形拉裂，导致下游坡脚处盖重在2～5 m范围内产生了拉裂缝，见图4。

图3 坝基地震液化现象图

图4 滑坡拉裂缝图

2.1.4坝后渗水

主坝0+510.00 m～0+890.00 m段、1+100.00 m～2+340.00 m段、2+520.00 m～4+330.00 m段，坝后植被茂盛，多处低洼处有积水现象，见图5。

图5 坝后渗水图

3 “1·19”震后水库除险加固设计方案比选

本文针对坝体裂缝、抗震能力差、基础地震液化和渗水等问题进行了多方案比选，并确定了最终推荐方案如下。

3.1 坝体裂缝处理措施比选

坝体裂缝处理的主要措施有开挖回填、灌浆处理、开完回填与灌浆处理相结合的3种裂缝处理方法。

(1) 开挖回填：即挖除裂缝周边土体至裂缝底部后，再进行回填碾压处理。这是一种简单易行又彻底可靠的方法，对于纵、横缝均可以使用。该方法适用于裂缝深度较浅的情况，可有效改善坝体填筑质量，提高坝体整体稳定性。但对于裂缝深度较深的情况，开挖回填工程投资较高，需斟酌采用。

(2) 灌浆处理：当裂缝较深或裂缝处于坝体内部时，可采用灌浆处理的方法，常采用的灌浆材料有黏土浆和黏土水泥浆。该方法可有效充填坝体内部裂隙，尤其是裂缝深度较深并扩散的裂缝。

(3) 另外还可将两者方法结合使用。2种方法结合使用适用于裂缝深度大，坝坡本身未产生滑动的情况。

“1·19”震后主坝坝体产生裂缝，裂缝主要发生在最大坝高7.0 m(0+507.00 m～2+133.00 m坝段)处，其他坝段无裂缝出现，裂缝最深尖灭深度为4.3 m。本次主要对0+507.00 m～2+133.00 m坝段裂缝处理采用3种方案进行比选设计。方案1为坝顶挖除4.3m后重新填筑碾压；方案2为坝顶裂缝处采取黏土浆灌浆的处理方法；方案3为坝顶挖除1.8 m+黏土浆灌浆的处理方法。

主坝段0+507.00 m～2+133.00 m主要为张性裂缝，局部坝段裂缝连通性较好，大部分坝段裂缝连通性一般。1+065.00～1+480.00坝段裂缝尖灭深度最深，根据探坑揭露，其深度达4.3 m，裂缝张开度也最宽，达2～5 cm。其他坝段裂缝深度较浅，宽度较窄。方案1设计思想为主坝段桩号0+507.00 m～2+133.00 m主要为张性裂缝，坝顶一定深度范围内的土体在地震后抗剪能力降低，坝体整体稳定性变差，为提高坝体整体抗震稳定性，对出现裂缝的坝段(主坝0+507.00 m～2+133.00 m)4.3 m深度范围内全部挖除，重新填筑碾压。方案2设计思想为对主坝段0+507.00 m～2+133.00 m范围内的裂缝进行黏土浆灌浆处理，浅层裂缝在坝顶布置钻机进行钻灌，深层裂缝在坝坡布置钻机先钻孔达裂缝处，再开始灌浆。方案3设计思想为根据裂缝张开情况，对主坝段全段坝顶裂缝密度较高的上部1.8 m进行全部挖出，重新填筑碾压。对1.8 m以下局部裂缝采取黏土浆灌浆，对深度较深、较扩散的裂缝进行充填，以提高坝体整体性。

方案1对0+507.00 m～2+133.00 m的裂缝范围进行4.3 m深度的挖除重新填筑，对提高坝体填筑质量，增加坝体整体抗滑稳定性、防止坝体出现裂缝行之有效，是一种简单易行又彻底可靠的方法。但其处理范围大、深度深，工程投资较大，工程投资6 355.82万元。方案2对0+507.00 m～2+133.00 m的裂缝范围黏土浆灌浆处理，灌浆深度难以把握、灌浆工艺难以控制、灌浆效果难以评价，工程投资5 212.32万元。方案3设计是将挖除回填和灌浆2种方法结合起来的一种方法，即坝顶挖除1.8 m并进行黏土浆灌浆坝体加固处理。该方法是可将表层较集中的张性裂缝挖除，但深层裂缝通过灌浆方法施工质量难以控制，灌注浆液和原坝体存在“两层皮”的情况，灌浆效果难以评价，工程投资5 876.53万元。

从可操作性、可靠性、经济性等方面对3种裂缝处理方法进行了比较分析，通过分析可知，方案1虽然工程投资高，但其裂缝处理方法和效果简单有效。方案2和方案3虽然工程投资低，但其灌浆效果、整体稳定性的提高情况都难以判定和评价。因此，为使坝体填筑效果得到有效改善，彻底解决坝体填筑碾压不合格问题，消除再次出现裂缝的可能性，本次推荐采用方案1的裂缝处理方案，即挖除顶部4.3 m深度后重新填筑、碾压。

3.2 坝体抗震措施比选

地震荷载作用下，土石坝坝体初始破坏一般为坝顶附近的坝坡面滑动，坝顶是抗震的关键部位。因此，应注重对坝顶的抗震加固。接近坝顶范围(一般为1/5坝高)为抗震的关键部位，采取必要的工程措施有利于坝顶抗震。如在该范围内可铺设土工格栅、钢筋网片、锚梁、锚墩等工程措施。

坝顶地震破坏主要是剪切破坏，为了防止坝顶的剪切破坏，通常在坝顶碾压过程中加入土工格栅或钢筋网片进行加固处理。土工格栅具有一定的弹性，刚度差；钢筋网片刚度较好，抗震效果较好。新疆近年来土石坝抗震设计取得了较为显著的成效。大石门水库工程[2-5]、努尔水库工程[6]采用土工格栅加筋的抗震处理措施，阿尔塔什[7]、卡拉贝利[8]、采用钢筋网片的抗震处理措施[9-10]。吉林台水库工程采用的锚梁的抗震处理措施。

根据本工程的实际情况，通过参考类似工程，西克尔水库坝顶抗震措施通过对土工格栅加筋、玻纤土工格栅和钢筋网片3种常用的抗震措施进行比选。

方案1采用土工格栅加筋或玻纤土工格栅的抗震处理措施[11]。坝顶1.8 m范围内坝体厚度薄，地震易产生滑移，因此坝顶1.8 m范围内，由坝顶向下40、60、80 cm布置3层土工格栅加筋或玻纤土工格栅，每层土工格栅加筋或玻纤土工格栅间用原坝体拆除料回填，填筑标准以压实度≥98%控制。土工格栅加筋或玻纤土工格栅插入护坡板钢筋网片中，与钢筋绑扎连接。

方案2采用钢筋网片的抗震处理措施。钢筋采用直径Ø22 mm的钢筋，钢筋间排距500 mm，成网片铺设。但西克尔水库坝体填筑料氯离子较高，对钢筋具有腐蚀性，该方案不合适。

从经济、施工、合理性等方面进行比较。本工程土工格栅加筋工程造价659.87万元，璃纤土工格栅工程投资649.99万元，钢筋网片工程投资584.07万元。钢筋网片虽然刚度强，抗震效果好，但其施工困难、周期长、抗腐蚀性差、层距大(一般大于5.0 m)。西克尔水库坝体填筑料氯离子较高，对钢筋具有腐蚀性。土工格栅加筋或玻纤土工格栅外部有一层保护材料可防止钢筋被腐蚀。土工格栅加筋和璃纤土工格栅工程造价相差不大，参考类似工程(大石门水库工程、努尔水库工程、雅砻江水库工程)经验，本次推荐采用土工格栅加筋的抗震处理措施。

3.3 上下游护坡形式比选

上游坝坡采用20 cm厚钢筋混凝土护坡。主要对下游护坡形式进行钢筋混凝土护坡和钢筋混凝土网格梁护坡2种方案进行比选。方案1：下游护坡采用20 cm厚钢筋混凝土护坡；方案2：下游采用间距1.0 m、排距以土工格栅层距控制，网格横断面300 mm×300 mm钢筋混凝土网格梁护坡。2种方案在该地区均适用。主要从经济性、抗震稳定性上进行比较。

表1 上下游护坡形式比选表

方案1上下游均采用钢筋混凝土板护坡，其工程造价为695.03万元；方案2上游钢筋混凝土板护坡+下游网格梁护坡，其工程造价578.66万元，方案1较方案2贵116.36万元。方案1的上下游均采用钢筋混凝土板护坡，可将坝体填筑材料封闭在一个整体内，可有效提高坝体整体稳定性[12]，有利于坝顶抗震；方案2的上游钢筋混凝土板护坡+下游网格梁护坡，由于下游网格梁中间存在空间，无法将坝体填筑材料封闭起来，坝坡整体稳定性较差，不利于坝顶整体抗震。本次设计推荐采用上下游钢筋混凝土护坡板的护坡的形式。

上下游坝坡1 168.28 m高程以上采用20 cm厚高抗硫酸盐现浇钢筋混凝土护坡，护坡底部设置500 mm×500 mm的高抗硫酸盐防滑齿墙，混凝土强度为C35F200W4。护坡混凝土中间布置钢筋直径Ø12 mm(HPB300)、间排距200 mm×200 mm的限裂钢筋网片。钢筋网片与土工格栅绑扎连接。

图6 主坝段除险加固典型横断面图 单位：高程，m;尺寸，mm

图7 主坝段坝顶除险加固细部结构图 单位：高程，m;尺寸，mm

4 大坝震后修复方案设计

主坝坝长4 546.0 m，自左向右桩号为0+000.00 m～4+546.00 m，“1.19”地震后，主坝坝体产生纵向裂缝、局部坝基发现地震液化现象，其中坝体纵向裂缝主要发生在0+507.00 m～2+133.00 m坝段，其他坝段无裂缝出现。

(1) 主坝0+000.00 m～0+500.00 m、2+150.00 m～4+546.00 m段本次现场检查坝顶部位虽未见裂缝，但2005年除险加固实施的主坝上游坡上部干砌石护坡经过近几年的地震影响，已经发生干砌石松动和出现裂缝的情况。本坝段最大坝高也达到了7 m，局部坝段填筑质量也不满足要求。该坝段本次加固将2005年除险加固实施的松动、裂损的干砌石护坡拆除，将坝体重新填筑，上下游护坡采用混凝土板将填筑料包封加固，以达到对下部土体压实盖重的作用。该段的设计方案为主坝0+000.00 m～0+500.00 m段校核水位1 168.28 m高程以上上游坝坡1∶2.5，下游坝坡按1∶3.0延伸至坝坡脚；主坝2+150.00 m～4+546.00 m段恢复原有坝顶轮廓，即校核水位1 168.28 m高程以上上游坝坡1∶2.5，下游坝坡1∶3.0。坝体填筑料分层碾压回填厚度由下至上分别为40、60、80 cm。填筑标准以压实度≥98%控制。

主坝0+507.00 m～2+133.00 m段为深层纵、横向裂缝，裂缝最深处为4.3 m，为彻底可靠地提高坝体安全度，将该1.626 km坝段挖除4.3 m，挖除后用拆除的原状土分层碾压回填。主坝0+500.00 m～0+980.00 m段校核水位1 168.28 m高程以上上游坝坡1∶2.5，下游坝坡按1∶3.0延伸至坝坡脚；主坝0+980.00 m～2+150.00 m段恢复原有坝顶轮廓，即校核水位1 168.28 m高程以上上游坝坡1∶2.5，下游坝坡1∶3.0。坝体填筑料分层碾压回填厚度由下至上分别为40、60、80、230 cm。填筑标准以压实度≥98%控制。

(2) 为提高坝体抗震性能，限制由地震等原因产生的裂缝发展[13-14]，坝体内分3层铺设土工格栅，每层土工格栅层距为40、60、80 cm。

(3) 重新填筑的坝体上下游坝坡设置20 cm厚钢筋混凝土护坡板，单层钢筋网片(钢筋直径Ø12 mm，间距200 mm)位于混凝土板中部并与分层铺设的土工格栅绑扎连接。上下游坝坡钢筋混凝土护坡板下部设40 cm砂砾石防冻层。

(4) 坝顶设置20 cm厚碎石土路面。

(5) 为了限制坝基部分土料地震液化，主坝全坝段(主坝0+000.00 m～4+546.00 m)及副坝0+875.00 m～1+965.00 m、2+300.00 m～3+900.00 m下游坝坡脚设置砂砾石排水和盖重，排水体厚60 cm，盖重厚1.4 m，向下游延伸20.0 m。

5 结 论

本文针对西克尔水库“1·19”地震后发生的坝体震损破坏情况，对除险加固措施进行了比较论证，选择了安全合理的除险加固措施，并对坝体进行了除险加固方案设计：① 为消除坝体裂缝，对坝体存在的坝坡裂缝先挖除后重新进行填筑，分层碾压；② 为提高坝体抗抗震能力，分3层铺设土工格栅，每层土工格栅层距为40、60、80 cm；③ 为解决坝后地震液化问题，采取排水+盖重相结合的方式进行抗液化处理措施。