沉抗水库大坝震害分析(2009.4.18)

沉抗水库大坝地震损害分析绵阳市武都引水工程建设局 苟 奇摘 要 ： 四川汶川 “5.12”地震，造成绵阳市沉抗水库大坝较为严重的损害。本文分折了大坝主要地震损害现象、应急处理采取的主要措施，对大坝地震损害进行了初步分析，并对修复重建提出了建议意见。关键词：水库 震损 分析 一、工程概况沉抗水库工程位于绵阳市涪江支流芙蓉溪的支沟上，坝址在绵阳市游仙区沉抗镇境内，距绵阳城区15km。库区集雨面积13.8km2。该水库是武都引水一期工程的骨干囤蓄水库，水库正常蓄水位529.00m，死水位512.50m，总库容9820万m3，死库容2500万m3，有效库容7320万m3。水库是以灌溉为主兼有城市供水、发电、旅游等综合利用的水利枢纽工程。水库控灌武引涪梓干渠下段灌区的游仙、三台、盐亭、射洪四县(区)的49.31万亩农田，并可向绵阳市城区提供生活及工业用水水源。水库枢纽工程区位于绵阳帚状构造弧形褶皱带沉抗向斜北翼，岩层倾角平缓，库岸边坡稳定，区内无大的断裂通过，不具备发生中强震的地质背景，地震均受邻区地震波及。水库大坝坝址区场地地震烈度原为度，“5.12”地震后根据国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会发布的四川、甘肃、陕西部分地区地震动峰值加速度区划图和四川、甘肃、陕西部分地区地震动反映谱特征周期区划图，工程区内地震动峰值加速度为0.10g，相应地震基本烈度为度。水库枢纽工程于1997年3月建设，1999年12月12日大坝填筑完毕。2000年9月对枢纽工程进行了蓄水安全鉴定。2001年通过蓄水工程验收，投入运行以来，各建筑物运行正常，效益十分显著。二、大坝结构水库枢纽工程由大坝、泄洪放空隧洞，放水隧洞组成。大坝为风化泥岩心墙石渣坝，坝顶长653.O0m，宽8.O0m，坝顶高程531.50m，防浪墙顶高程532.50m，最大坝高55.00m。泄洪放空洞布置于大坝右岸，为圆形有压隧洞，洞长22115m。洞径2.40m最大泄洪流量49.0 m3/s。放水隧洞位于天生桥，距大坝3km，洞长206.88m，洞径3.00m最大放水流量26.0 m3/s。上游坝坡在512.5m高程设2m宽马道，马道以上边坡11.7，马道以下边坡11.8。下游坝坡边坡为1：2，分别在517.00m、503.00m、490.00m高程处设置2m、2m、4m宽马道。大坝上游坝壳为硬砂岩石碴，心墙为风化泥岩石碴，反滤料为硬砂岩人工料(砂卵石料)，下游坝壳为弱风化泥岩或泥质粉砂岩。风化泥岩心墙防渗体位于坝体中央，心墙轴线与坝轴线重合，心墙顶高程530m，墙顶宽4m，上下游边坡均为10.3，心墙最大底宽35.2m，风化泥岩压实干密度大于1.95g/cm3。反滤过渡料区位于风化泥岩心墙上、下游两侧，上游侧边坡为10.3，厚度为3m；下游侧边坡为10.3、10.35，530m522m高程，厚度为3m，522m高程以下厚度为44.5m，压实干密度大于2.20g/cm3。下游坝壳为弱风化泥岩或泥质粉砂岩石碴，压实干密度大于1.95g/cm3。下游坝壳底部排水棱体上游491490m高程以下为硬质砂岩排水带。大坝心墙底部设灌浆帷幕。三、震前运行状况2008年5月12日，汶川大地震发生时，水库运行水位为527.032m，己蓄水8700万m3。地震前，大坝沉降、水平位移、测压管水位、坝体及绕坝渗流量均未发生异常情况。四、地震破坏现象“5.12”地震造成绵阳市沉抗水库大坝较为严重的损害，其主要破坏现象是：（一）裂逢1、坝项部位防浪墙、公路、拦杆及梯步出现纵向、横向及水平裂缝共24处，总长度1215m，裂缝最大宽度达15cm（图一图四）。图一 图二图三 图四2、下游坝坡面（桩号0+2200+460）529.50530.00出现3段总长210米的纵向裂缝，宽度13cm，可测最大深度1.0m（图五）。大坝下游坡的马道及梯步砌体多处受损。3、放水隧洞洞身出现裂缝，并有渗水现象。4、泄洪放空隧洞进口检修门启闭排架柱出现裂缝，闸房装修层出现掉块 图五等现象；水库大坝管理站管理房屋墙体出现多处裂缝。（二）附属建筑物损坏大坝防浪墙、下游侧的防护栏及大坝观测设施损坏严重。坝项路灯全部毁坏，灯杆倒塌或倾斜，个别灯杆与护栏脱落，己无法正常照明。（三）上游护坡变形上游坝坡面（桩号0+1030+650）护坡砼预制块下滑1.110cm，上游坝坡(桩号0+2920+312) 529.70525.00m高程变形（图六）。 （四）坝体沉降坝顶（531.50m）沉降量为2.2925.88cm；下游坡一级马道（517.00m）沉降量为3.815.50cm（图七）；下游坡二级马道（503.00m）沉降量为-0.85.50cm；下游坡二 图六级马道（490.00m）沉降量为-1.20.50cm。 （五）坝体向上游水平位移坝顶上游侧（531.50m）水平位移为X=0.772.02cm，Y=2.7118.83cm；坝顶下游侧（531.50m）水平位移为X=0.271.13cm，Y=0.016.10cm； 下游坡一级马道（517.00m）水平位移X=-0.268.20cm，Y=1.192.63cm； 下游坡二级马道（503.00m）水平位移X=-0.264.60cm，Y=0.661.18cm； 下游坡三级马道（490.00m）水平位移X=0.070.17cm，Y=0.030.83cm。 （六）渗漏水量增大 图七B7、B8测压管水位上升，左坝肩绕坝渗漏量增加，量水堰渗流由震前的3.6L/s增加至5月13日11时同库水位的5.2L/s，无混浊现象。（七）启闭设施受损泄洪放空洞和放水洞进出口闸门及门槽水封、锥型阀门叶变形，漏水严重（图八），启闭设备受损，无法正常工作。 图八五、应急处理采取的主要措施（一）成立应急处理工作小组。管理单位在5月12日地震后1小时内成立了沉抗水库震损应急处理工作小组，实行现场应急处理责任制。（二）立即停止向水库补水。大坝震前蓄水位己达527.25m高程，水库蓄水8700万m3。为防止更大险情，造成严重损失，震后立即停止向水库补水。（三）泄水降低库水位。5月12日16时，紧急修复了放空泄洪启闭锥阀，于5月12日17时开始通过放空泄洪隧洞和灌溉放水隧洞同时向下游泄水，以降低库水位，主汛期限蓄水位5250m。（四）及时对大坝裂缝进行临时处理。5月13日14时，已对大坝出现的所有裂缝采用粘土进行封堵，并用塑料薄膜进行覆盖，防止雨水渗入造成坝体更大损害。（五）进行大坝安全评估。5月13日上午，邀请有关专家对大坝受损情况进行现场察勘，查阅工程设计、观测资料，并论证分析了大坝安全状态。大坝混凝土路面、人行道、防浪墙、梯步的裂缝、错缝集中在坝顶部位，并均在水库527.25m高程蓄水位以上；大坝内坡蓄水位以上无裂缝、隆起、塌陷，大坝外坡现蓄水位以下无裂缝、隆起、塌陷和渗水现象；渗流无混浊现象；大坝浸润线震后大部分无明显变化。坝体震后无致命性损害。（六）加强协调沟通。紧急与工程所在地和失事下游危害区仙海区管委会及游仙区人民政府进行协商，加大了对大坝泄水下游区域的安全稳定工作力度，并于5月13日上午全面启动联合工作机制。（七）落实值班制度。沉抗水库管理单位安排24名职工，分班对大坝施行24小时不间断监控，对大坝坝顶和坝坡出现裂缝、浸润线、渗漏量进行了全面观测，并与震前观测数据进行了对比分析。（八）制定应急处置预案。5月14日，根据沉抗水库防洪度汛应急方案和抢险应急预案，已会同游仙区政府、仙海区管委会初步拟定了大坝险情应急处置预案。六、灾后修复重建方案沉抗水库大坝按度标准进行抗震设计复核，比原设计（度）提高度，并按地震动峰值加速度为0.2g进行地震敏感性分析评价。其安全性符合规范要求。震损处理方案如下：（一）将受地震损害较大的坝顶部位予以清除后重新填筑，并将心墙和下游反滤过渡料加高至530.5米。（二）将受损的坝项防浪墙及砼路面予以拆除，在坝顶上游侧修复防浪墙和受损的坝顶路面（宜采用沥青混凝土路面），防浪墙和心墙应紧密结合。（三）对下游坝坡纵向裂缝、马道及梯步砌体裂缝修复。（四）将上游坝坡震损部分的护坡和砂卵石垫层拆除，按原设计恢复重建。（五）对坝肩与坝基结合部进行灌浆处理。（六）对泄洪放空洞进进出口闸门及锥型阀水封进行更换处理；对泄洪放空隧洞进口启闭排架裂缝釆用环氧砂浆勾缝；对闸房装修层进行修补，重新粉刷；对进水口闸室与渐变段间的永久缝进行处理；对泄洪放空洞出口锥型阀、启闭设备及启闭供应电源受损部分进行修复。（七）对有压灌溉放水隧洞采用全断面钢衬处理，对放水锥形阀进行更换。（八）对损毁失效的工程观测设备、设施进行修复重建。七、震害初步分析及建议（一）在5.12地震中，沉抗水库大坝出现了地震损害现象，但没有致命性危害和重大险情，大坝结构稳定安全，抗震性能良好。根据国际上大地震发生后的纪录，至今为止世界上还没有一座直接因地震损害而垮塌的水坝。这种国际普遍的情况，在此次四川汶川大地震中得到了证实，也在本工程得以体现。（二）精心设计是保证大坝抗震安全的基础。沉抗水库总库容、灌溉面积、保护对象的重要性和供水等指标己接近大（2）型水利工程规模，由于失事后损失巨大，影响极为严重，在原初步设计时设计人员曾按度标准进行过抗震复核，确保了大坝在此次大地震时的安全。因此，在地震多发区根据工程实际情况，考虑地震风险，适当提高抗震标准，进行地震风险性评估是十分重要的。为达到沉抗水库大坝“小震不坏、中震可修、大震不垮”抗震标准，沉抗水库大坝在灾后修复重建中可按地震动峰值加速度为0.2g进行地震敏感性分析。（三）地震对沉抗水库大坝的坝顶部位的损害较大，以纵向裂缝为主，坝顶附属建筑物及设施损害严重，其次是坝肩与大坝填筑体接触部位和放水放空设施变形造成的渗漏和启闭不灵。（四）地震造成坝顶最大沉降量25.88cm，超过了建成后8年零5个月（1999年12月12日至2009年5月12日）的累计沉降量（17.99cm）；坝顶上游侧最大沉陷量为下游侧的三倍，坝面公路呈向上游倾斜状；坝顶向上游的最大水平位移为18.83cm，与建成后的累计向下游的水平位移（20.05cm）方向相反。上述变形由地震力和水库地震时的高蓄水位作用造成，坝体的填筑料在地震后更为密实。（五）沉抗水库大坝填筑总体施工质量好，保证了在大地震时无重大损害。而坝顶部位高程529.00m以上因料源等因素上坝料较差，而扩宽坝顶部分的填筑料碾压又不密实，导致坝顶公路与人行道之间、护栏基础砌体和下游梯步在地震时开裂最为严重。因此，