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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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，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。

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。

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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