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科研资讯 | 中国地震局地质研究所 | 砂土液化对土坝破坏的启示:以2020年伽师地震为例

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科研资讯 - Frontiers in Earth Science

来源:震质说


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,中国地震局地质研究所新构造与年代学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,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。文章发表在 Frontiers in Earth Science 【IF:3.498】期刊上。

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文章全文免费阅读及下载链接,见本文末。

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。

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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,本文作者团队在收集前震、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。

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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)

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。

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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。

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