2.2 水利工程震害中土工结构低应力破坏实例分析
土石坝振动台模型试验表明，坝坡顶部和坝体表层是抗震的薄弱环节，其一般的破坏形式为坝坡土体的浅层滑动[12]。震害调查也表明，浅层滑坡是土坝、土堤和土石坝震害的主要表现形式之一[1]。因此，堤防和土石坝的安全与低应力下土的工程性质密切相关。在已有的地震震害调查中，液化发生的深度大多在15m以内，得到确认的液化深度在20m以上的深层液化案例很少。
2.2.1 堤防滑坡
一般来说，堤防的高度较小，大多在地面以上2～3m，高的也不过5～6m。因此，堤身土体和地基一般处于较低的应力状态下。在遭遇地震时，堤身往往容易出现裂缝、滑坡、塌陷等震害，或者由于地基液化而导致滑坡和塌陷同时出现，引起堤身下陷。如1966年河北邢台地震、1993年Hokkaido-Nansei-Oki地震、1995年Hyogoken-Nambu地震和2003年Tokachi-Oki地震中，很多高3～6m的堤防由于地基液化而发生了严重震害。
1966年3月8日和22日河北邢台地震中，地震烈度Ⅷ度和Ⅷ度以上地区内的滏阳河系堤防和河岸遭到了严重破坏，这主要是由于河岸和堤基中存在易液化砂层（如浑河、太子河和辽河堤防）或软弱黏土（如澧河堤防）。1966年邢台地震中Ⅸ度震区内滏阳河堤岸震害见图2-1，1966年邢台地震中的澧河堤防震害见图2-10。
2003年9月26日日本Tokachi-Oki地震（震级M=8.1级）中，距震中125km（实测最大地震加速度为0.4g）的Tokachi河堤（高6m）出现大面积滑坡，滑坡体横向位移为3.65km，竖向沉陷为2m（见图2-11）[14]。1993年Kushiro-Oki地震中，该地区的河堤也发生了类似的震害。
2.2.2 坝体滑坡
图2-10 1966年邢台地震中的澧河堤防震害示意图[13]
图2-11 Tokachi river河堤滑坡（右岸，距河口3.5km）[13]
（1）Kitayama坝[15]。Kitayama坝为坐落在风化花岗岩地基上的心墙堆石坝，坝高为25m。坝壳料主要由粉碎的花岗岩料构成，坝体上游区坝壳料的最大粒径为9.5mm，不均匀系数为300，粉粒和黏粒的过筛率约为20%，坝体压实度超过100%。1995年日本Kobe地震（震级M=7.1级）中，Kitayama坝距震中33km，坝址基岩加速度为0.3g。地震引起水库上游坡发生滑坡，滑坡体顶部在地震时库水位以下1.0～1.5m，滑坡体长为100m（沿坝轴向），滑坡深度为1.5～2.0m。Kobe地震中Kitayama坝震损情况见图2-12。坝体横断面试坑开挖确定的滑动面见图2-13。
图2-12 Kobe地震中Kitayama坝震损情况[14]
图2-13 坝体横断面试坑开挖确定的滑动面示意图[14]
（2）密云水库白河主坝[1，15]。白河主坝坝基为40m厚的砂卵石及卵石覆盖层，为黏土斜墙砂砾石坝，坝高66.4m，坝长960.2m。1976年7月28日河北唐山7.8级地震中，距震中150km，处于Ⅵ度区的白河主坝上游黏土斜墙砂砾料保护层发生液化，导致保护层砂砾料发生了近于全坝长的滑坡，但防渗斜墙基本完好，只受到小面积的浅层擦伤破坏。破坏较严重地段的起点高程138.00～142.00m，在地震时库水位附近（138.40m），破坏轻微地段滑坡滑动起点高程在库水位以下的高程130.00～133.00m附近，其震害见图2-14。白河主坝保护层砂砾料级配不连续，缺少1～5mm的中间粒径，实际上是均匀卵石与中细砂混合料，大于5mm的粗料平均含量为61.3%，小于5mm的细料的平均粒径d50=0.285mm，有效粒径d10=0.096mm，不均匀系数为3.73。设计时未提出相对密度要求，按设计干重度依据最大、最小孔隙比换算相对密度仅为0.6。
图2-14 河北唐山地震中白河主坝震害示意图[1]
（3）石门土坝[1]。石门土坝为黏土心墙砂砾石坝，坐落在厚3～5m的砂砾石层上，坝高为46m，坝长为338m。石门水库砂砾料坝壳施工时未经专门碾压，砾质砂处于相对疏松状态。1976年辽宁海城地震中，石门土坝距震中33km，地震中上游发生较大滑坡，坝高35m以下普遍滑动，滑动面积达15万m2，体积为3万m3，滑坡最大深度为4.7m。石门土坝震害见图2-15。
图2-15 石门土坝震害示意图[1]（单位：m）
（4）Bhuj地震中的坝体滑坡[16]。Chang坝建于1959年，为宽心墙土坝，坝高为15.5m，坝长为370m。坝基冲积覆盖层为松散到中密状态的砂和淤泥的混合物，在最初设计时未考虑覆盖层可能液化的问题。Bhuj地震时基本上处于空库状态，但坝基覆盖层基本上处于饱和状态。地震中坝基覆盖层液化，几乎导致整个坝体滑坡塌陷（见图2-16）。
图2-16 Chang坝震害示意图[8]
Fatehgadh坝建于1979年，为心墙土坝，最大坝高为11.6m，坝长为4050m。坝基覆盖层为松散到中密状态的粉土和砂的混合物，厚度为2～5m，标贯击数N=13～19击。地震时水库基本上处于空库状态，但坝体上游下可液化覆盖层处于饱和状态。地震引起上游坡坡脚处和下游坡顶部发生滑坡，滑坡最大深度分别约为1.0m和1.5m，其震害示意见图2-17。
图2-17 Bhuj地震中Fatehgadh坝震害示意图[16]
Kaswati坝建于1973年，为心墙土坝，坝高为8.8m，坝长为1455m。坝基为松散到中密状态的砂和淤泥混合物冲积层。坝址处有厚2～5m的粗粒土覆盖层（N=13～19击），其下为相对较密实的粗粒土（N=25击以上）。地震时水库水位接近空库，但上游坝壳下冲积层处于饱和状态，地震引起上游坡下部发生浅层滑坡，滑坡深度约为0.8m，坝脚处隆起，其震害见图2-18。
Shivlakha坝为分区土坝，坝高为18m，建于1954年，坝基为砂和粉土混合物。地震中上游坝壳下坝基液化，导致上游发生滑坡，滑坡深度约5.5m，其震害示意见图2-19。
此外，在地震中，Rudramata，Suvi和Tapar等几座分区土坝上游坝趾附近的坝基覆盖层可能发生了液化，上游坝坡也发生浅层滑坡。
图2-18 Bhuj地震中Kaswati坝震害示意图[16]
图2-19 Bhuj地震中Shivlakha坝震害示意图[16]
（5）西克尔水库土坝滑坡[1]。西克尔土坝建于1959年，全长为13km，坝高为1.0～7.1m。坝基为表层较松的砂土、粉质土及黏性土互层（距地表2m以内干重度约12.0～14.0kN/m3），坝身为砂壤土碾压均质土坝（干重度为15.6～17.5kN/m3）。在1961年4月14日新疆维吾尔自治区巴楚6.8级地震中，距震中35km位于Ⅷ度区的西克尔土坝发生了221m坝段的严重沉陷和滑坡，坝顶中部下陷约1.0m以上，坝肩下陷0.3m，下游坡缓，地基隆起破裂，并普遍向下游推移35～50m，上游坡亦有向水库内推移的迹象，该段坝高在地震破坏前约4m，水深1.5m。
（6）1969年渤海湾地震中黏土心墙砂壳坝的滑坡[1]。1969年7月18日，山东省渤海湾内发生7.2级地震，山东省Ⅵ度区内几座土坝的上游坡发生了流动性滑坡，其中比较典型的是王屋水库、冶源水库和黄山水库等几座黏土心墙砂壳坝。
王屋水库为黏土宽心墙砂壳坝，最大坝高为26.5m，坝顶长761m。黏土心墙是经过碾压的，但没有严格的控制标准，砂壳仅由人工抛倒松砂而成。震前王屋水库大坝主河槽附近由于蓄水先后发生过4次滑坡，每次滑坡后都采用松砂回填并抛少量块石修复。1969年渤海湾地震中，在上游砂壳原来的滑坡部位，发生了两个更大规模的流动性滑坡，最大滑坡深度约5m，滑坡顶距坝顶分别为3m和10m，滑脱方量各为3.9万m3和3000m3，其水库震害见图2-20。
图2-20 渤海湾地震中王屋水库震害示意图[1]
冶源土坝最大坝高为25.7m，坝顶长为615m。黏土心墙曾被碾压至干重度为16.5kN/m3，砂壳用松砂抛填。地震中主坝上游在砂壳坝顶下6m处发生滑坡，滑坡长度为104m，面积为3328m2，滑脱方量为9400m3，滑坡面距原坝坡平面平均深约3m，最大深度为4.9m，其震害示意见图2-21。
图2-21 渤海湾地震中冶源土坝震害示意图[1]
黄山水库为黏土宽心墙砂壳坝，最大坝高为16.69m，坝顶长860m。施工中心墙分层碾压，砂壳未予压实。地震中上游坝壳发生了3个大小不等的滑坡段，后开闸放水，水位降低后又发现了1个小滑坡。每段滑坡长18～20m，深5～6m。
2.2.3 地基液化
历次大地震中，严重的震害很多都与土体液化密切相关。考察这些液化案例的应力条件，在搜集整理历次大地震中的液化数据资料基础上，绘制液化砂层中点上覆有效应力与中心点距地下水位深度图（见图2-22）。
图2-22 液化砂层的上覆有效应力统计图
图2-22中共包含106组地震液化数据，其中液化砂层的上覆有效应力大多在100kPa以内，共97组，在100～150kPa之间的共有8组，而超过150kPa的仅有1组。对液化深度的统计分析表明，液化发生的深度绝大部分在10m以内，少数在10～15m之间。由此可知，液化大多发生在上覆有效应力小于150kPa，尤其是小于100kPa的地基浅层。为进一步说明上覆有效应力对液化的影响，以1964年Nigata地震液化数据和1976年唐山地震陡河水库地基砂层液化数据为例进行分析。
表2-1给出了1964年Nigata地震（M=7.5级）中，不同地点砂层上覆有效应力与液化情况的对照结果，并绘于图2-23。由表2-1、图2-23可见，当上覆有效应力小于60kPa时，砂层均发生液化。在原始数据中，Rail Road-2不能确定是否液化，但从本次地震中其他点的上覆有效应力情况看，该点应该是没有发生液化的。
表2-1 1964年Nigata地震（M=7.5级）不同地点砂层上覆有效应力与液化情况对照表[17]
图2-23 Nigata地震中砂层的液化情况图
1976年，河北唐山发生7.8级地震，陡河水库坝址距震中20km，坝址区地震烈度为Ⅸ度强。地震中陡河坝坡脚及下游地段较大范围内出现喷水冒砂[18]。震后在喷水冒砂比较集中的地区和未喷水冒砂的地区进行了勘探试验，据此获得的上覆有效应力与喷水冒砂情况见表2-2和图2-24。
表2-2 唐山地震陡河水库主坝坡脚地基砂层上覆有效应力与冒水喷砂情况对照表[18]
由表2-2、图2-24可知，当砂层上覆有效应力σ'v≥93kPa时，砂层未液化；当砂层上覆有效应力σ'v≤88kPa时，砂层均发生液化。
通过对图2-22～图2-24和表2-1、表2-2的分析可获得以下两点认识。
（1）液化大多发生在上覆有效应力小于100kPa的低应力条件下，已有的液化案例中很少有上覆有效应力超过200kPa的情形出现。
图2-24 陡河水库地基砂层的液化情况图
（2）地震动条件相近、土性相近的土层，当上覆应力较小时发生液化，而上覆有效应力达到一定值时，就不会发生液化。