土坝震害评估模型研究

文章编号：1000－7598 (2011) 12－3667－05

土坝震害评估模型研究

郭恩栋1，张丽娜1，王亚东2，王再荣1，王 琼1

（1.中国地震局工程力学研究所，哈尔滨 150080；2.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080）

摘 要：为了快速准确地对遭受地震影响的土坝工程的破坏状态进行评估，以土坝震害经验统计判断模型为基础，选取了更为合理的土坝震害影响因素，采用最小二乘法重新对土坝震害数据资料进行回归分析，得到了各震害影响因素在不同条件下的回归系数取值，从而建立了一个改进的土坝震害经验统计判断模型。与原模型相比，改进模型既剔除了不合理的震害影响因子，同时又使回归模型的预测准确度得到提高，其相关系数为0.908，标准差为0.459，均比原模型要好。采用两种模型对汶川地震中遭到破坏的47座土坝进行震害评估，并与实际震害进行了对比分析，初步验证了改进模型的可靠性。 关 键 词：土坝；震害；改进的经验统计模型；汶川地震 中图分类号：P 315 文献标识码：A

GUO En-dong1, ZHANG Li-na1, WANG Ya-dong2, WANG Zai-rong1, WANG Qiong1

(1. Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration, Harbin 150080, China, 2. Survey Design and Research Institute of the Heilongjiang Water Utilities, Harbin 150080, China)

Study of evaluation model of earthquake damage to earth dams

Abstract: In order to evaluate earthquake damage to earth dams quickly and accurately, more rational influence factors of the damage are chosen based on the empirical model. The least square method is used to re-analyze the earthquake damage data of earth dams. The regression coefficients of the influence factors of earthquake damage under different conditions are presented; and an improved empirical model to evaluate the earthquake damage to earth dams is set up. In the new model, irrational influence factors are eliminated; and the prediction accuracy of the regression model is improved with the correlation coefficient of 0.908 and the standard deviation of 0.459, which are better than the original model. By using both the improved and original model, 47 earth dams damaged in Wenchuan Earthquake are evaluated. The results are analyzed by comparing with the real seismic damages, preliminarily proving the improved model to be more satisfying.

Key words: earth dam; earthquake damage; improved empirical evaluation model; Wenchuan earthquake

1 引 言

地震发生后，遭受地震影响的水利工程，尤其是土坝工程的震害及功能状态如何是当地和民众非常关心的问题，只有快速准确地获取震区土坝工程的震害情况及溃坝灾害危险性，有关部门才能采取有针对性的措施，从而降低溃坝灾害对人民生命财产安全的威胁。我国是一个多地震国家，据史料记载，几乎各省都发生过破坏性地震，虽然因地震造成的水库垮塌的事例很少，但后果非常严重，例如受阿富汗地震的影响，伽师县西克尔水库副坝受地震作用撕裂垮塌，水库下游数村被淹。

2008年5月12日发生的汶川大地震，仅四川境内就有上千座水库大坝受到影响，部分水坝出现高危险情，图1、2为绵竹市两座均质土坝的震害情况。

我国已建各类水坝8.6万多座，尤以中小型土石坝最多，且多数处于地震区，震后若逐个详细评价其震害则耗时、耗力、耗资，又由于震后时间紧迫，较适宜进行快速评估，然后根据具体情况，有需要的再进行详评[1]。目前对土坝震害进行预测评估主要采用以下几种方法：①采用数理统计分析方法对土坝震害进行线性回归，给出不同地震烈度下土坝的震害预测经验公式[2]；②采用概率分析和地震易损性分析相结合的方法[3

－4]

，首先给出在一定

收稿日期：2010-03-30

基金项目：国家科技支撑计划项目（No. 2006BAC13B03-0301）；地震行业科研专项经费项目（No.201008005，No.200808026）。 第一作者简介：郭恩栋，男，1966年生，硕士，研究员，博导，主要从事生命线工程抗震研究。E-mail：iemged@263.net

3668 岩 土 力 学 2011年

预测年限的地震烈度的超越概率，然后建立表示土坝和土堤地震易损性的震害概率矩阵，并取10%超越概率为标准，估计土坝的震害等级；③动力非线性有限元分析方法[5]；④人工神经元网络方法[6]等。以上方法大都基于土坝震害经验数据，可见采用震害经验数据进行震害评估或预测具有一定的优越性。本文主要针对震后土坝工程震害的快速评估，采用经验统计回归分析的方法，对文献[7]中的经验统计模型进行改进，剔除了不合理的震害因素——液化，又考虑到地震中可能发生液化对震害的影响，使得新模型的合理性和可靠性得到进一步提升。

的震害指数取值范围。将震害指数作为因变量，将影响土坝震害因素的参数称为震害因子，作为自变量，主要震害因子有坝型、坝料、坝基、施工质量、液化和地震烈度。回归公式为

DIi=∑am+∏∏bjkijk （1）

m=1

j=1k=1

M

J

K

δ式（1）是由乘积项和求和项组成的，将式中的乘积项两边取对数，可化为一般的线性回归：

lnDIi=b0+∑∑δijklnbjk （2）

j=1k=1J

K

b0=ln∑am （3）

m=1

M

式中：DIi为第i个坝的震害指数；am为第m个求和项回归系数；bjk为乘积项中第j个项目中第k个类别的回归系数；δijk为克拉奈特记号，表示第i个坝对乘积项因子的选择，当第j个项目中有第k个类别因子影响时取1，否则取0。

图1 新油房水库大坝裂缝

Fig.1 Dam crack of the Xinyoufang Reservoir

震害经验统计判断模型震害因子分类及其系数取值、土坝震害等级划分参见文献[7]，由于篇幅原因，不在文中列出。本文在此模型基础上进行了合理的改进。

3 改进的土坝震害经验统计判断模型

上一节中介绍的土坝震害经验统计判断模型，将液化作为一项震害前提影响因素。实际上，液化是震害的一种具体表现形式，是由于浸润线以下的坝体材料在地震荷载作用下导致的，未发生地震时无法判断坝基或坝体是否液化，故将液化作为土坝

图2 民乐水库副坝滑坡

Fig.2 Auxiliary dam landslide of the Minle Reservoir

震害前提影响因素是不合理的，因此，在改进模型中将液化因素剔除掉。

但地震中一旦发生液化，会对震害结果造成很大的影响，所以在震害评估时又必须考虑到地震中发生液化的可能性。地震发生时，孔隙水压力升高，使土体有效应力减小，对于砂土而言，会发生液化，而对于黏土而言，会发生沉陷，无论液化还是沉陷都会使坝体失去原有的承载能力，提高坝体的震害等级。砂土在地震作用下是否发生液化、规模大小、震害轻重都与土的类型、状态有密切关系。所以在土坝震害评估时，可以认为地震中坝体、坝基是否发生液化与坝基、坝体材料的性质息息相关，因此，在坝基、坝体震害因子中应考虑导致液化发生的可能性及对整体震害程度的贡献，这样也就兼顾考虑到发生沉陷对震害的影响，考虑的更加合理全面。

2 土坝震害经验统计判断模型

土坝的主要震害现象有裂缝、沉陷、液化、渗漏量增大、滑裂滑坡、防浪墙破坏、护坡破坏及溃坝等，一般情况下几种震害现象可能同时发生。土坝震害评估模型，应该综合考虑土坝结构类型及几何因素、建设年代、施工质量、使用现状、场地条件、震时库水位、抗震设防水平以及所遭受地震作用等因素。

袁一凡[7]给出了土坝震害经验统计判断模型，将土坝的震害程度划分为基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏及毁坏5个等级，分别对应不同

第12期 郭恩栋等：土坝震害评估模型研究 3669

将影响土坝的震害因素坝型、坝料、坝基、施工质量和地震烈度分别归类为震害因子，列于表1第1、2、3列，本文用于统计回归分析的资料是文献[7]中134座土石坝震害资料，限于篇幅，逐座分列的土坝详细资料略，根据式（2）进行线性回归，回归分析得到的常数因子太大，如果将它作为震害起算值，则不符合常规认识，引入常数因子用来考虑未计入因素的影响，为此要作归一化调整，使之符合易损性分析的认识，可将每个项目的回归系数除最小值[7]，列于表1中的第4列。

由于液化、沉陷发生与否是一项不定因素，只能根据数据进行试凑拟合，在试算当中，曾将坝料、坝基中的第1、2、3类都处理为和项，但只有将坝料第3类、坝基第3类处理为和项得到的结果最为理想，也符合实际的情况，坝料第3类和坝基第3

类的是最差的情况，发生液化或沉陷的可能性也就更大。根据实际震害指数进行试凑拟合，得出和项因子及拟合后的建议系数列于表1的第5列。相关系数为0.908，标准差为0.459，相关系数变大，标准差变小，改进的模型得到了更好的结果。

4 汶川部分土坝震害实例分析

对汶川地震中遭到破坏的47座土坝[8]进行评估，土坝震害因子取值及评估结果见表2，其中X1、

X2分别为改进的土坝震害经验统计型判断模型预测的震害指数与震害等级；Y1、Y2分别为原土坝震害经验统计型判断模型预测的震害指数与震害等级。对两种模型的评估结果、标准差及相关系数进行对比分析，详见表3，由表可见，改进的经验统计型模型比原模型好。

表1 土坝震害因子分类及系数取值

Table 1 Classification and coefficient value of earth dams damage factors

项目

类别 1

坝型

2 3 4

均质坝 心墙坝 斜墙坝

水中填土坝，水坠坝

均质坝用料强度好，符合筑坝要求，例如用重壤土（黏土）或粉质黏土，土料中砂粒含量不超过 75%，黏粒含量不超过50%～60%，压实干密度达1.6～1.7 g/cm3或以上。心墙坝和斜墙坝的坝壳料用级配均匀的风化料或砂砾土，压实相对密度达70%～75%。

用料较差，对均质坝如粉土含量太大，不满足设计要求，或用料不均匀，掺合不符合要求的土料， 如表层风化土、含砾石过多或含腐植质多的土料等。心墙坝和斜墙坝的坝壳料用级配不够均匀土 料，压实相对密度不足0.70，或掺合不符合要求的土料。

均质坝用料很差，严重不符合要求。心墙坝和斜墙坝，坝壳用料严重不符合要求，级配不匀，或 使用大量风化表层土等，坝料严重不符合要求，震中发生液化或沉陷的可能性就很大。

分类根据

回归系数

建议系数

1.00 1.00 1.04 1.10 1.15 1.20 1.27 1.25

1 1.00 1.00

坝料

2 1.27 1.25

3 1

坝基

2 3

+1.10

岩石地基或5 m以内的砂砾层地基。 1.0 1.00 覆盖土层20 m以内，无淤泥层或粉细砂层，或经过处理（如砂垫层、挤淤、围封、人工加固、灌浆胶结）的地基。

覆盖土层组成复杂，有分布普遍的软土层，有厚度1 m以上淤泥层或粉细砂层或夹层，或其他不利抗震的因素，如断层通过，岩石破碎等。在此情况下，发生液化和沉陷的可能性也很大。 坝料充分压实，黏土干密度和砂料相对密度达到要求；坝基清理彻底，用截水墙或帷幕灌浆防止 地基渗漏；设置反滤体并用料级配良好，位置得当，浸润线低；与岸坡接合良好；有较好的维护保养措施。

坝料压实一般，有部分坝段可能不符合要求；坝基清理不够彻底，铺盖式防渗，漏水明显；反滤体效果一般；护坡有裂缝。

分期施工，质量较差，有明显的不均匀接缝，合拢处施工赶进度，施工草率；坝料压实不足，或多个坝段未经压实；坝基未做清理，未做截水槽或漏水严重；与岸坡接合处理不够完善，边坡削陡；施工中曾经出现过裂缝、沉陷，但经过了灌浆等处理，效果不理想。

病险水库，不能正常工作，或不能蓄水；施工中出现过裂缝、沉陷、滑坡等事故，处理不善；有重大隐患，如铺盖有裂缝空穴，护坡水下部分被掏空等。 Ⅵ度 Ⅶ度 Ⅷ度 Ⅸ度

1.07 1.10 +1.10

1 1.00 1.00

2

施工质量

3

1.31 1.30

1.77 1.80

4 1

地震烈度

2 3 4

常数项 相关系数 标准差

2.20 2.20 1.00 1.00 1.12 1.10 1.20 1.20 1.46 1.45 0.90 0.90 0.711 0.908 0.321 0.459

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表2 汶川地震部分土坝震害因子取值与震害评估结果

Table 2 Damage factor values and evaluation results of part earth dams of Wenchuan earthquake

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47

坝名

坝型

坝长 / m

坝高 / m

水库 规模

坝料系数

坝基系数

施工质量系数

地震烈度/ 度

实际 震害

X1

X2

Y1

Y2 4 3 4 4 3 2 3 4 4 4 3 2 2 2 3 2 2 3 2 2 2 2 3 3 2 1 1 3 3 2 3 3 4 3 2 3 3 4 4 2 2 4 5 1 3 3 3

九岭镇大田水库 1 100 7.55 小二 2 3 4 战旗镇洞子沟水库 1 182 18.00 小二 2 1 4 八一乡观音堂水库 1 148 9.00 小二 2 3 4 九岭镇合作水库 1 120 20.00 小二 2 3 4 二郎庙镇火烧坡水库 1 45 二郎庙镇漆树坝水库 1 38

9.00 9.00

小二 2 1 4 小二 2 1 4

永胜镇牛角埝水库 1 37 6.00 小二 2 1 3 龙凤镇岐山水库 1 314 21.00 小一 2 3 4 大埝乡狮儿河水库 1 241 17.40 小一 2 3 4

小二 2 3 4

城郊乡朝阳水库 1 130 18.00 小二 2 3 3 城郊乡红旗水库 1 420 11.40 小二 2 2 3 龙门镇锦江水库 1 222 18.70 小二 2 2 3 河边镇上游水库 1 470 22.67 中型 2 2 3 玉皇镇团结水库 1 161 16.15 小一 2 3 3 丰谷镇新建水库 1 231 8.75 小二 2 2 3 磨家镇跃进水库 1 110 14.40 小二 2 2 3 新鲁镇向阳水库 1 405 20.00 小一 2 2 4 来龙乡袁板桥水库 2 98 11.50 小二 2 2 3 朝真乡崇林水库 1 150 10.00 小二 2 2 3 新桥镇和平水库 1 175 24.40 小一 2 2 3 街子乡金花水库 1 240 18.60 小一 2 2 3 仙海区三要水库 1 400 7.40 小二 2 3 3 文昌镇长岭水库 1 256 10.60 小二 2 2 4 双板乡五七水库 1 110 21.60 小二 2 1 3 建兴乡新桥水库 1 107 17.00 小二 2 1 3 交泰乡幸福水库 1 80 11.20 小二 2 1 3 西北乡上坝水库 1 120 28.00 小二 2 2 4 松林镇景顶水库 1 145 18.20 小二 2 3 3 雒城镇龙泉水库 2 183 33.60 小一 2 2 3 孟家乡大同水库 1 184 10.00 小二 2 3 3 双东镇青山水库 1 95 6.90 小二 2 3 3 八一水库 1 130 10.50 小二 2 3 4 鄢家镇旱长湾水库 1 150 7.00 小二 2 2 4 德安镇尖梁子水库 1 167 10.00 小二 2 2 3 金山镇罗家湾水库 1 246 12.80 小一 2 2 4 新盛镇一根松水库 1 167 9.80 小二 2 3 4 遵道镇陈家湾水库 1 308 19.00 小二 2 3 3 东北镇红刺藤水库 1 156 12.00 小二 2 2 2 孝德镇众力水库 1 1 095 9.30 小二 2 2 3 167 10.00 小一 2 3 3 土门镇民乐水库 1

遵道镇太平水库 1 190 23.20 小一 2 3 4 龙台镇拦沟堰水库 1 234 5.00 小二 1 2 2 黄鹿镇水库 2 247 15.10 小一 2 1 4 太平乡太平水库 1 294 10.20 小一 2 3 4 南华镇新坪水库 1 106 17.40 小一 2 3 3

8 4 4.07 4 4.028 3 2.97 3 2.878 4 4.07 4 4.028 4 4.07 4 4.028 3 2.97 3 2.878 3 2.43 2 2.258 3 2.97 3 2.878 4 4.07 4 4.028 4 4.07 4 4.028 4 4.07 4 4.027 3 3.33 3 2.887 2 2.45 2 2.277 3 2.45 2 2.277 3 2.45 2 2.277 3 3.33 3 2.887 3 2.45 2 2.277 3 2.45 2 2.277 3 2.99 3 2.7 3 2.70 3 2.498 4 2.67 3 2.478 3 2.67 3 2.478 3 2.67 3 2.477 3 3.33 3 2.887 3 2.99 3 2.8 3 2.43 2 1.627 3 2.23 2 1.497 3 2.23 2 1.498 3 3.27 3 3.167 3 3.33 3 2.887 2 2.45 2 2.497 3 3.33 3 2.887 3 3.33 3 2.887 4 3.82 4 3.687 3 2.99 3 2.7 3 2.45 2 2.277 3 2.99 3 2.7 3 3.28 3 2.837 3 3.82 4 3.6 4 4.04 4 3.679 4 2.33 2 2.088 2 2.67 3 2.479 4 4.04 4 3.679 3 4.04 4 4.696 1 1.29 1 1.147 3 2.72 3 2.6 4 3.58 4 3.347 3 3.33 3 2.88

10 太康镇吴家大堰水库 1 120 8.00

37 新盛镇百善团结水库 1 118 11.20 小二 1 3 4

注：在这些震害资料中，都没有提及液化方面的信息，在采用原土坝震害经验统计型判断模型进行评估时，则认为液化取值为0，因此，表中未列出液化这一项。

表3 两种模型对比分析

Table 3 Comparative analysis of two models

判断模型

震害等级相符的土坝震害等级差1个等级的土坝数量震害等级差2个等级的土坝数量 数量/座

比例/%70

数量/座 13

比例/% 28

数量/座 1

比例/% 2

标准差0.459

相关系数0.9080.886

改进的土坝震害经验统计型判断模型 33

原经验统计型判断模型 30 12 26 5 10 0.506

第12期 郭恩栋等：土坝震害评估模型研究 3671

5 结 语

在土坝震害经验统计判断模型的基础上，提出了一个改进模型，剔除了原模型中不合理的震害影响因素——液化，而是将可能导致液化发生的坝基、坝体材料的性质与液化这种震害现象联系起来，综合考虑了液化对震害结果的影响，使得震害因子的选择更合理，结果更可靠。基于汶川地震中47座土坝震害资料，采用两种模型进行评估并与实际震害对比分析，改进模型既剔除了不合理的震害影响因子，同时又使回归模型的预测准确度得到提高，其相关系数为0.908，标准差为0.459，而原模型结果的相关系数为0.886，标准差为0.506，因此，改进的模型得到的结果比原模型更好。

致谢：在论文完成过程中，得到了袁一凡研究员、张令心研究员、景立平研究员、陈国兴教授、黄龙生研究员及李永强硕士的大力协助，在此表示衷心的感谢。

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