坝顶加固对小土坝抗震稳定性的影响：离心模型实验与工程启示

为解决亚洲高地震活动区小土坝抗震性能不足的问题，研究人员通过离心模型实验探究了水泥改良土（cement-stabilized soil）加固坝顶对坝体抗震稳定性的影响。结果表明，加固措施可显著抑制坝体沉降（4.5 m/s2地震下沉降减少75%），降低响应加速度放大系数和超孔隙水压力比，但存在改良土与未处理土边界分离引发渗漏的风险。该研究为小土坝经济高效的抗震加固提供了实验依据。

　　

在亚洲多地震地区，大量用于农业灌溉的小土坝（高度<15 m）因年代久远且缺乏现代抗震设计标准，面临严重的地震威胁。例如2011年日本东北地震中，高度18.5 m的藤沼水库溃坝导致7人死亡。传统抗震措施如配重填土法会减少库容，钢板桩法则成本高昂。因此，采用水泥改良土加固坝顶（crest improvement）因其经济性和施工便捷性成为潜在解决方案，但其对整体坝体抗震性能的影响机制尚不明确。

为探究这一问题，日本国立农业食品产业技术综合研究机构农村工学研究部门的研究团队通过50 G离心模型实验，模拟了10 m高小土坝在1.5-4.5 m/s²地震加速度下的响应。研究设计了五种改良方案（CASE1-5），包括未加固对照组、不同厚度改良层（30-60 mm）及A/T形改良结构，采用激光位移计、孔隙水压力计和加速度传感器监测坝体变形与动力响应。

关键实验技术

1. 离心加载：在4.8 m半径离心机上施加50 G加速度，模拟原型应力状态；
2. 模型制备：使用日本茨城县砂土（90%最大干密度）构建1:50比例模型，坝高200 mm（原型10 m）；
3. 动态监测：通过孔隙水压力计（KPG-200KPA等）和加速度计（111BW/2302CW）采集数据；
4. 改良土特性：控制无侧限抗压强度（UCS）为200 kN/m²，对比不同形状改良体的效果。

研究结果
3.1 坝体变形特征

• 1.5 m/s²地震下，改良坝体沉降<0.1 m（未加固组为0.1 m）；
• 4.5 m/s²地震时，CASE3（60 mm改良）沉降仅占未加固组的25%，但改良土边界出现分离裂缝（图17）。

3.2 响应加速度放大
改良坝体使加速度放大系数从2.6倍（未加固）降至1.5-2.0倍，CASE3抑制效果最佳，归因于水泥土较高的剪切模量和阻尼特性。

3.3 超孔隙水压力比
改良坝体将P1测点的超孔压比从>0.8（未加固）降至0.4（CASE3），但强震下仍可能引发局部液化。

3.5 边界分离问题
所有改良方案在4.5 m/s²地震后均出现水泥土与天然土边界开裂（图18），导致渗漏和下游坡面侵蚀，其中T形改良体（CASE5）延缓了渗漏发展。

结论与意义
该研究首次通过离心实验证实：坝顶改良可有效提升小土坝抗震性能，但需警惕改良土脆性断裂（brittle fracture）和边界分离引发的次生灾害。最优方案为改良高度30%坝高的梯形结构（CASE3），其沉降控制效果显著且经济性较好。未来研究需聚焦于：①优化改良体形状（如W形）以延长渗径；②开发抗拉/抗弯增强材料；③制定基于土性的水泥掺量标准。论文发表于《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》，为地震高风险区小土坝的加固设计提供了实验支撑。