震害分析及抗震措施
对外汉语教师资格水坝震害特点分析及抗震措施
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水坝震害特点分析及抗震措施
1．地震简介
  地震(earthquake)是一种强烈的地层活动，大地振动是地震最直观、最普遍的表现。地震是极其频繁的，全球每年发生地震大约为500万次，地震(earthquake)对整个社会有着很大的影响。5级以上地震波及面一般都比较大，随着震级的加大地震的破坏性成几何级数地增大（震级每增加一级其所释放的能量将增大约30倍）。
2．水坝地震简介
  水坝发生地震时，由于地震惯性力突然增加,水库大坝在内部（坝体结构本身）与外部（库水的动水压力）各种作用力的作用下,大坝坝体将发生变形、坝基也将产生相对位移或不同期位移。根据相关资料地震分析，地震对土坝的主要破坏主要有：裂缝、滑坡、渗漏量增大、砂基液化、坝顶沉陷、地震涌浪、护坡的隆起与滑动、地下埋管断裂、防浪墙与混凝土建筑物的破坏、闸门与启闭设备的破坏、库区塌岸等。  　★7级以上地震还可能造成坝体的错动与滑动，在库水位较高的情况下，可能来不及抢护，短时间内即发生溃坝，造成的损失将十分巨大。  　★对于较大震级（烈度）的地震，必须按最不利情况对水库大坝的抗震稳定性进行综合评价，对评价存在问题时应进行加固或保持较低水位运用，避免重特大事故的发生。
3．水坝（土石坝）抗震措施
  ★水库大坝或者水库的其他重要建筑物在地震发生后要做到：“大震不垮，小震不坏”切实保障下游人民生命财产安全。  　★采取如下抗震措施对减轻水坝工程震害方面已有了较多的经验：  　1) 如果土坝的夯实、碾压、防渗截水槽与防渗墙等施工质量较好、运行水位
适宜的情况下，即使在地震烈度10度区内，土坝也有很好的抗震性能。  　2) 地震最普遍的震害是裂缝和变形，可以采取适当措施，减少裂缝产生的可能性，辅助防渗措施，并预留足够的坝顶超高，设置稳定防浪墙，防止因震陷或地震涌浪漫坝造成的溃坝事故。  　3) 对可能发生砂层或软弱土层液化的地方进行前期处置，如实施置换土法或者深层加密技术等，经过处理的土坝能有效地减轻地震带来的损害。  　4) 对坝下埋管（册田水库如清泉洞）地震后必须加强观测与抢护。地下埋管在地震烈度较大时易于折断、裂缝、漏水，极有可能形成较大的渗流通道，如果抢护不及时的话，在很短的时间内就会导致大坝的溃决。  　★据现有资料来看,地震造成的溃坝,一般发生有主震后的2～３小时以后，有的发生在1天以后，所以及时的抢护工作就尤为重要。
4.地震对坝体危害
严重破坏坝体
1）. 裂缝
裂缝是最常见的震害，在四川地震水库核查中，核查过的所有大坝及附属建筑物都出现了不同程度的裂缝，有的裂缝十分严重，成为危及大坝安全的主要因素。
    大坝裂缝根据分布形式，又可分为纵向裂缝和横向裂缝。纵向裂缝是沿坝轴方向的裂缝，多位于坝顶中部，少数则出现在坝顶附近的上下游侧。大坝因地震往往产生上下游方向的往复运动，这种运动会在坝体内产生上下游方向的拉应力，由于土石坝材料不能抵抗拉力，就会产生纵缝。由于离基础越高震动幅度越大，所以纵向裂缝多出现在坝的高部、坝顶附近。具体纵向裂缝的开度及严重程度，除了与大坝所在位置的地震烈度有关外，还与坝址区的震动方向、坝体厚度、大坝自震频率等结构特性、大坝与基础的材料特性等因素有关，故定量影响应根据具体情况分析。
    坝体的另一种常见裂缝是横缝，即垂直于坝轴向的裂缝。当地震波沿大坝周线传播时，会引起坝轴向的拉应力，从而引起垂直于大坝轴向的横缝。由于与上下游方向相比，大坝轴向尺度大，且有两岸坝肩的约束，因此横缝宽度一般小于纵缝。另外，当大坝遇到上下游方向的震动且坝体各部位变形不同步时，会出现剪切型横向裂缝。
    纵向和横向裂缝都会危害坝体的整体性，降低大坝的承载力。横缝会剪断或拉裂防渗体，当深度较大时会引起坝体渗漏，从而危及大坝安全，因此应特别重视。从本次核查的大坝情况来看，纵缝的数量和规模都远大于横缝，大部分纵缝都是坝顶附近的浅表裂缝，不会危及大坝安全。但是部分大坝的纵缝宽度大、条数多，最大的宽度已经达到 60~ 70cm ，有的坝在坝顶附近有 4~5 条纵缝，这种情况往往为滑坡前兆，有的甚至已经出现了滑坡，大坝已经相当危险。另外，坝上下游侧的裂缝要特别注意，如果缝宽较大、且上下游缝面有错动迹象，也是滑坡的初期表现，应采取紧急措施。本次笔者参与核查的 30 多座危坝，有 5 座属于这种情况，已存在溃坝风险，需要紧急抢险。
    其他如溢洪道衬砌、闸墩、泄洪洞竖井、坝顶护栏、防浪墙、防水道卧管、泄洪洞边墙底板、厂房等用刚性材料建成的水工建筑物也容易因地震出现裂缝，对工程的运行和安全带来不利影响。
    对于坝体裂缝的处理，首先要将裂缝周围一定范围挖除，回填粘土后夯实，并做一个鱼背，然后用塑料布覆盖，避免下雨时雨水渗入裂缝引起进一步破坏。对于有滑坡迹象的大坝，应采用抛石压脚、砌石压脚的方式增加坝坡的稳定。对于危坝，都应控制水库水位，对于有上游滑坡危险的，还应注意控制水位下降速度。其他建筑物的裂缝，则应视具体情况进行加固。图 1 为因地震出现的坝顶裂缝，图 2 为因地震出现的坝坡裂缝。
2.) 滑坡
    滑坡是大坝严重的地震灾害， 1976 年唐山地震时，就曾引起北京密云水库大坝的滑坡。在本次笔者参与核查的 30 多座水库中，有 3 座上游已经发生了滑坡，有 3 座出现滑坡迹象，另有 5~6 座有滑坡风险。其中发生滑坡的 3 座中，有 2 座是六边形混凝土预制板护坡，另一座为均质土坝，上游坝坡出现了 20~ 30cm 的开裂、 30~ 50cm 的下挫。出现滑坡后大坝的挡水断面变小，危及大坝安全，如果是粘土斜墙坝的上游出现滑坡，则会破坏防渗体，引起大坝溃破。
    地震引起滑坡的原因主要有两个，一是竖向震动，当大坝向上加速运动时，土体受到的向下的体积力增大，相当于土体的重度增大，从而使坡向下滑力增大而引起滑坡；另一个是当坝体向下游加速运动时，库水对坡面由压力转为吸力，坝内土体如果含水，网游角名坝内水则会对土体施加向上游的作用力，引起上游坝坡下滑。
    从所核查的 30 多座大坝看，此次地震中混凝土预制块护坡出现滑坡的比例较高， 3 座中 2 座出现了滑坡，比例为 66% 。其中一座为心墙堆石坝，上游坝坡为 1 ： 1.7 ；另一座为均质坝，上游坝坡为 1 ： 2.0 。分析混凝土预制面板护坡产生滑坡比例较高的原因发现： 1 ）护坡不能防渗，护坡内的水位与库水位持平； 2 ）护坡不能快速排水，地震时库
水和坝体出现相向运动时，面板内水压力增大导致面板下滑和滑坡； 3 ）坡度相对较陡，另一座未出现破坏的预制板护坡坝的坝坡为 1 ： 2.5 ，坡度缓于出现问题的 2 座。因此，从抗震的角度来看，混凝土预制块护坡是否为一种好的护坡结构，值得进一步探讨。
    大坝滑坡的紧急处理，可采用压脚的方法，即采用库内抛石（上游滑坡）或坡脚砌石的方法，阻止边坡的下滑。
3. 漏水
    地震发生后，坝体内部出现贯穿裂缝、坝肩和坝基基岩松动、泄放水设施的四周出现裂缝等，都会导致坝下游渗水量增大或出现新的漏水点。如果漏渗水点位于坝内，则可能在坝内形成贯通的漏渗水通道，随着漏渗水不断带走坝体土颗粒，从而使渗漏通道不断加大，造成管涌流土等，最终使坝体溃决。因此，坝内的漏渗水是坝体安全的大敌，需十分重视。判断是否有坝体漏水，一是看漏水位置，如果漏水点位于下游坝坡，则坝体漏水的可能性很大。另一点是看漏水的浑浊程度，如果是浑水，则可能是坝内漏水，要高度重视。其他地方的漏水会影响蓄水，一般对坝体影响不大，但也要看漏水的具体位置。如某芯墙坝放空底孔出现较大的集中漏水，经检查发现漏水点位于芯墙上游的浆砌石洞壁，不会影响大坝安全。另一座水库坝下多出渗水，震后渗水量明显增大，但是渗水清澈，初步
鉴定为坝基岩体和绕坝渗流，对大坝安全影响较小。此次核查的 30 多座坝中，尚未发现危害严重的坝体渗漏。
    对于坝身出现渗水的，应紧急堵漏。其他渗水严重的坝，应抓紧研究防渗处理措施。
    对于沙土和沙壤土，地震时还会引起液化。本次核查的大坝中未见液化破坏，只是个别坝因震动出现了坝体土松动现象。
    据初步统计，此次地震中破坏严重出现高危以上险情的坝，绝大多数为 80 年代以前建设的小 2 型水库，新建的或规模较大的水库受损较轻。说明按照规范进行设计施工和严格管理的大坝，具有较高的抗震能力。
5.抗震措施
1).碾压混凝土重力坝和地震
碾压混凝土重力坝在地震时候的情况和其它型式的重力坝很 相似。巨大的地震压力作用在RCC坝和重力式拱坝的中上部。碾压混凝土重力坝与常规重力坝的主要区别就是大体积混凝土的动力特性。RCC坝，沉降缝处的拉 应力可能会把整个大坝分成许多块。那就意味着一场剧烈的地震，沿着这些分界面很可能形成横向裂缝就象纵向伸缩缝裂开一样。
1990年伊朗 Manjil大地震后，对Sefid Rud支墩坝进行观测，发现在大坝的上部出现少量的横向裂缝，这些裂缝贯穿大坝的上下游坝面，将大坝的上部彻彻底底地分开了。这种裂缝保护大坝免受余下应 力的破坏，如一场地震中附加动荷载将导致滑动的增加和裂缝的扩展。同样大坝变形的产生首先是由于裂缝的开裂而不是由于主体混凝土的弹性变形。将所有这些都 考虑进去，混凝土砌块被横向裂缝和垂直裂缝分离的动态过程便可以近似简化为刚体模型。在模型中，分离的混凝土块由单元界面沿着水平裂缝将大坝残余的未裂缝 的部分连接起来，这些界面允许滑移、摇动等运动。拱坝和重力坝，分离的混凝土砌块大多分布在坝顶附近，地震加速度在顺水流方向为最大值。鉴于定性评估，碾 压混凝土重力坝在强烈地震情况下的抗震安全是十分令人满意的，这是由于大坝顶部压力较高的部位的裂缝沿着结构横向开裂。在强烈地震过程中，这对于分裂的混 凝土砌块的动态稳定是有利的。然而为了支持这一结论我们必须进行更深一步研究和收集更多的观测资料。
2).混凝土面板堆石坝的抗震
混凝土面板堆石坝的抗震安全相对于那种采用不透水心板的一般 堆石坝更安全，这是因为一般堆石坝缺少了一个抗剪的核心并且全部填料的表面都是干燥的。此外，作用于混凝土
面板上的静水压力的垂直分力比作用在粘土心墙上 的渗透压力大的多。这对受力情况下的大坝是有利的。另外，从混凝土面板可能渗入的水也不会造成对填料的侵蚀。
实际工作中，填土坝最高的部分采用二维模型进行分析。这样的地震分析中，只有极少的动荷载作用在混凝土面板上。
蛋糕配送作为一种防止跨越峡谷方向震动的刚性隔板的混凝土板，由于材料不同，它的变形与填石地区和过渡地区有很大区别。因此相对刚性的混凝土面板可能引发跨峡谷方向巨大的地震。这可能导致平面方向的压力增加到足够引起局部地区震动、混凝土板沿连接缝处断开或是使基础受到破坏。
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由于还没有大型的面板堆石坝因为地面震动暴露出这些问题，因此缺乏观察资料来支持这一说法。所以说仔细观测地震震动地区跨峡谷方向的混凝土表面是非常必要的。综上所述，面板堆石坝比普通的堤坝更适于在地震区建造的观点并不是显而易见的。对此我们需要更多的研究。

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