Frontiers in Earth Science:砂土液化对土坝破坏的启示——以2020年伽师地震为例

土坝由于便于就地取材、可以根据地形改变坝型以及较高的抗震性能,在世界范围内广泛使用。但是,在许多强震中土坝的破坏也是非常严重的。Ambraseys (1960)回顾了在24次地震中受损的58座大坝,认为惯性力和孔隙压力对结构的影响最大,Chen (2014)对汶川地震破坏的670座土坝进行了分析,发现坝体裂缝是造成破坏的最重要原因之一。然而,这些研究更多地关注到土坝破坏的直观因素—大坝裂缝,忽略了中强地震往往能够形成大面积的砂土液化,地震时砂土液化是造成基础失稳和大坝裂缝的重要因素之一。

图1 柯坪塔格前陆冲断带及领区的活动构造、历史地震及强震台分布


2020年1月19日,发生在新疆伽师县的Mw6.0地震就造成了距离震中约10km 的西克尔土坝严重破坏。本文以西克尔土坝的破坏原因为导向,分析土坝在强震中的破坏机理,为今后土坝的选址、地基处理等方面提供理论依据。在中国地震局星火科技项目、国家自然基金等项目的资助下,实验室博士研究生姚远与合作者唐丽华博士、李文倩工程师等人,在收集前震、主震和余震周边17个强震台的强震动数据的基础上,通过实地调查西克尔土坝的坝上、坝后地裂缝和砂土液化的分布特征(图2),结合钻探获得的坝基地层分布特征,综合室内和现场实验,分析了坝基各套地层的粒径分布、标准贯入数据和剪切波速。

结合上述基础数据,利用Seed和Idriss提出的简化方法评估了坝基各套地层发生砂土液化的可能性,发现本次地震引起的砂土液化的物源层是坝基下0-3m的灰褐色粉砂层。坝后的砂土液化导致坝基出现不均匀沉降,造成坝后坡向下游方向旋转(图3),是坝顶产生纵向(南北向)裂缝的主要原因,这一结果与数值模拟的结果高度吻合。

图2 西克尔土坝和水库的卫星影像,将大坝分为4段(绿色、橙色、蓝色和黄色)


图3 (a)震前西克尔大坝和库水位的情况。(b)震后大坝裂缝和砂土液化的分布特征及裂缝形成机理。(c)震后大坝平面卡通图,显示了大坝裂缝和沙土液化的水平位置特征。


西克尔土坝始建于1958年,1959年投入使用,近60年来大量的强震(特别是1997-1998年的伽师强震群和2003年的巴楚-伽师Ms6.8地震)侵袭大坝,并造成了多处破坏,虽然在遭受破坏都进行了修缮。然而,频繁的地震对大坝造成明显的破坏(如裂缝和砂土液化等)可以被修复,但无法察觉的内部损坏却无法及时修复。对于单次地震而言,这些无法察觉的损坏可能不会对大坝造成较大的影响。正是这种无表象的损坏,使得我们在震后疏于对大坝开展精细的调查。此外,频繁的地震作用将累积无法察觉的损坏,最终在某次地震或其他灾害(如洪水、超量降雨或鼠灾等)发生时造成大面积的破坏,甚至导致溃坝。

上述研究结果近期发表在国际地学期刊Frontiers in Earth Science 上,详见

Yao Y, Tang L, Li W, He J and Jia H. (2021). Seismic Damage and Analysis of the Xiker Earth Dam During the 2020 Jiashi Earthquake, Northwestern China. Front. Earth Sci. 9:721997. sdoi: 10.3389/feart.2021.721997

全文链接:https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/feart.2021.721997/full