冉從勇，喻 暢

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 應(yīng)用背景介紹

土或堆石體具有一定的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，但抗拉性能較差。土或堆石結(jié)構(gòu)在自重或外力的作用下易產(chǎn)生變形或失穩(wěn)。加筋土工技術(shù)正是基于這點(diǎn)，在土或堆石體中一定部位鋪設(shè)水平方向的加筋材料，在土或堆石體壓實(shí)后，由于土或堆石體與筋帶材料密切結(jié)合成加筋土或加筋堆石體，其依靠筋材與土或堆石體的相互作用以及格柵網(wǎng)眼所具有的特殊的嵌鎖和咬合作用，限制其上下土或堆石體的側(cè)向變形［1－2］，從而增加土或堆石體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高土或堆石體的抗剪強(qiáng)度和變形特性。

我國從20世紀(jì)80年代開始應(yīng)用土工加筋技術(shù)以來，因其實(shí)用有效、施工簡單、造價(jià)較低而迅速得到推廣。土工格柵是一種常用的土工加筋材料，目前已被廣泛應(yīng)用于軟基加固、堤防、高速公路、鐵道、機(jī)場(chǎng)和擋土墻等工程實(shí)踐中，取得了良好的工程效果與經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)土工格柵的加筋機(jī)理和變形特性作了大量的理論分析和試驗(yàn)研究。工程實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)研究表明，加筋土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性比無筋土有較大的提高［3－5］。

近年來，我國西部地區(qū)擬建的高土石壩越來越多。但由于西部地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜、地震頻繁且強(qiáng)度高，高土石壩的抗震安全是工程設(shè)計(jì)關(guān)注的主要問題之一。土石壩震害實(shí)例、振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)及地震動(dòng)力反應(yīng)分析均表明，壩體上部1/5～1/4壩高范圍壩體的地震動(dòng)力反應(yīng)較大，是土石壩抗震設(shè)計(jì)防護(hù)的主要部位［6］。在高心墻堆石壩抗震設(shè)計(jì)中，對(duì)壩體上部1/5～1/4壩高范圍進(jìn)行抗震加固是目前高土石壩抗震設(shè)計(jì)的主要措施。借鑒土工格柵加筋技術(shù)，對(duì)壩頂堆石進(jìn)行加筋，依靠筋材與堆石體之間的摩擦和嵌鎖咬合作用傳遞拉應(yīng)力，增加堆石體的變形模量，改善加筋堆石復(fù)合體的抗剪強(qiáng)度和變形特性，以提高堆石的整體性及抗震穩(wěn)定性。

自1986年首次在Cascade土石壩上鋪設(shè)土工格柵進(jìn)行壩頂抗震加固以來，壩頂加筋已成為目前高土石壩抗震加固設(shè)計(jì)的主要方法。近年來，已建的冶勒瀝青混凝土心墻堆石壩、水牛家礫石土心墻堆石壩、蹺磧礫石土心墻堆石壩以及瀑布溝礫石土心墻堆石壩等均采用土工格柵進(jìn)行壩頂抗震加固。

筆者結(jié)合瀑布溝水電站礫石土心墻堆石壩的抗震設(shè)計(jì)和施工對(duì)土工格柵在高堆石壩抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用作一總結(jié)，愿與同行探討。

2 在汶川大地震中相關(guān)工程土工格柵加筋體的抗震性能

2.1 國道G213加筋土結(jié)構(gòu)在汶川大地震中的震害及試驗(yàn)研究

(1)汶川大地震后，西南交通大學(xué)對(duì)國道G213都江堰—映秀段加筋土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了震害調(diào)查統(tǒng)計(jì)［7］。

加筋土擋墻震害情況:調(diào)查共統(tǒng)計(jì)了6處加筋土擋土擋墻，加筋土擋墻最大高度為14～20m，擋墻長度50～135m;擋墻分二級(jí)設(shè)置，填料為碎礫石土，筋帶采用CAT300200C鋼塑復(fù)合帶，長度為5～8m;墻面板為C25鋼筋混凝土矩形面板;每隔10～15m處設(shè)置伸縮縫，伸縮縫寬2cm。在汶川大地震中僅2處擋墻在地震中遭受破壞。破壞原因一處為路基強(qiáng)度不夠，一處也僅第二級(jí)平臺(tái)有輕微開裂鼓脹現(xiàn)象，但不影響擋墻使用和功能。

加筋土路基震害情況:該路段加筋土路基一共32處，加筋土路基段長度范圍為32～153m，筋材為土工格柵。在斜坡路堤下部鋪設(shè)土工格柵進(jìn)行加固處理，上部和下部每填土壓實(shí)60cm鋪設(shè)一層土工格柵，在外側(cè)回折2m;土工格柵上、下側(cè)填料的最大粒徑上限為壓實(shí)厚度的2/3(在緊靠格柵層8cm內(nèi)的填料小于6cm)。在地震作用下，加筋土路堤的路基(路面)、坡面防護(hù)遭受到了一定的破壞，但路堤土工格柵良好，未受到地震破壞。

(2)汶川大地震后，相關(guān)學(xué)者對(duì)國道G213都江堰—映秀段加筋路基的抗震性能進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究［8］，認(rèn)為土工格柵能有效地降低土體對(duì)地震加速度的放大效應(yīng)，在地震作用下邊坡中下部到坡肩為最易破壞失穩(wěn)部位，加筋措施能顯著減弱土體的破壞程度。

2.2 冶勒水電站大壩在汶川大地震中地震反應(yīng)分析［9］

冶勒大壩壩頂高程2654.5m，最大壩高125.5m ，壩頂寬14m，上游壩坡為1∶2.0，下游壩坡為1∶1.8。壩體主要由瀝青混凝土心墻、壩殼堆石料在心墻，以及在心墻與壩殼堆石之間的碎石反濾料和過渡料組成。心墻底部設(shè)鋼筋混凝土墊座，墊座下為混凝土防滲墻。

結(jié)合靜、動(dòng)力計(jì)算并參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，在大壩上、下游堆石體2624.5m高程以上設(shè)置抗震土工格柵，其中2624.5～2634.5m高程之間每兩米鋪設(shè)一層土工格柵;2634.5m高程以上，每米鋪設(shè)一層土工格柵。

“5.12”汶川大地震后，對(duì)地震時(shí)冶勒大壩最大斷面(壩0+220.00m)沿壩坡的加速度、速度和位移監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行了分析。從加速度的反應(yīng)看，沿大壩下游坡面順河向和橫河向加速度沿高程先減小再增大，在壩頂和下游壩腳位置同時(shí)達(dá)極值，但壩頂?shù)募铀俣纫笥趬文_;在豎直向，沿大壩下游坡面的加速度沿高程先增大再減小，在2624.5m高程達(dá)極值。從加速度各方向的分量來看，順河向的加速度最大，橫河向的次之，豎直向的最小，但橫河向加速度與順河向加速度相差的幅度并不大。速度反應(yīng)總體上是沿著高程的增加而略有增大;三方向的位移反應(yīng)都是壩頂最小。

大壩地震反應(yīng)從壩體內(nèi)監(jiān)測(cè)廊道的位置到壩頂位置沿高程放大。其中，順河向加速度放大倍數(shù)約為3.0，橫河向及豎直向加速度放大倍數(shù)約為2.0。大壩地震反應(yīng)從監(jiān)測(cè)廊道位置到下游壩腳位置沿水平距離放大。其中，順河向加速度放大倍數(shù)約為3.5，橫河向加速度放大倍數(shù)約為1.7，豎直向加速度放大倍數(shù)約為2.3。這明顯地表現(xiàn)出大壩地震反應(yīng)由壩體內(nèi)部向壩體表面的放大作用。

綜合分析認(rèn)為，在壩體上部2624.5m高程以上上、下游壩坡堆石體中增加抗震措施是很必要的，土工格柵在汶川大地震中起到了很好的抗震效果。

3 土工格柵在瀑布溝礫石土心墻堆石壩抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況

瀑布溝水電站的礫石土直心墻堆石壩，大壩抗震設(shè)防類別為甲類，設(shè)計(jì)烈度為8度。

大壩壩頂高程856.00m，壩頂寬度14m，最大壩高 186m，上游壩坡 1∶2和 1∶2.25，下游壩坡 1∶1.8。壩體分為礫石土心墻、反濾層、過渡層和堆石區(qū)。心墻頂高程854.00m，頂寬4m，上、下游側(cè)坡度均為1∶0.25，底寬96.0m。心墻上、下游側(cè)各設(shè)二層反濾層。在心墻底部壩基防滲墻下游也設(shè)兩層反濾料，并與下游堆石基礎(chǔ)反濾層連接。反濾層壩殼堆石間設(shè)過渡層。為了減少不均勻沉降，防止壩體開裂，在心墻與兩岸基巖接觸面上鋪設(shè)3m厚的高塑性黏土，在上游防滲墻頂刺墻、下游防滲墻廊道周圍和心墻底部也鋪設(shè)高塑性黏土。

壩基采用2道全封閉混凝土防滲墻，墻厚1.2m，中心間距 14m。上游防滲墻最大深度76.85m，下游防滲墻最大深度75.55m。上游防滲墻頂刺墻插入大壩心墻，下游防滲墻頂部設(shè)灌漿兼觀測(cè)廊道。為了增加下游壩基中砂層的抗液化能力，在下游壩腳設(shè)兩級(jí)壓重體。大壩結(jié)構(gòu)見圖1。

3.2 大壩抗震計(jì)算［10－11］

按現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范要求，瀑布溝水電站大壩抗震安全性評(píng)價(jià)和抗震設(shè)計(jì)既采用了規(guī)范要求的擬靜力法，也采用了基于靜力和動(dòng)力有限元分析的抗震穩(wěn)定評(píng)價(jià)方法。

“5.12”汶川地震后，根據(jù)相關(guān)要求對(duì)壩址區(qū)地震動(dòng)特性重新進(jìn)行了安評(píng)分析，確定了大壩設(shè)計(jì)地震采用100年超越概率0.02(基巖峰值水平加速為225gal);校核地震采用100年超越概率0.01(基巖峰值水平加速度為268gal)。

3.2.1 擬靜力法的壩坡穩(wěn)定分析

圖1 瀑布溝礫石土心墻堆石壩剖面圖

結(jié)合抗震設(shè)計(jì)，本文僅介紹大壩穩(wěn)定滲流期、穩(wěn)定滲流遇設(shè)計(jì)地震和校核地震的穩(wěn)定性分析。計(jì)算采用簡化畢肖普法，計(jì)算剖面為河床中部典型剖面(擬合剖面)。計(jì)算假定上游壩殼內(nèi)浸潤線與上游水位相同;心墻及下游壩殼料內(nèi)浸潤線依據(jù)滲流計(jì)算確定。在滑裂面的搜索計(jì)算時(shí)，考慮了上、下游砂層可能對(duì)滑動(dòng)面產(chǎn)生的影響，除了采用常規(guī)的搜索方法外，還采用了折線過砂層的計(jì)算方法;滑裂面位置先用窮舉法，再用最優(yōu)化法進(jìn)行搜索;垂直地震力分別計(jì)算向上和向下兩個(gè)方向;壩殼料參數(shù)用線性和非線性參數(shù)分別進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算指標(biāo)參數(shù)見表1。計(jì)算結(jié)果見表2、圖2和 圖3。

表1 壩坡穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)

計(jì)算表明:大壩的穩(wěn)定主要由心墻料(包括反濾料、過渡料)及基礎(chǔ)覆蓋層控制，堆石料采用非線性參數(shù)和線性參數(shù)計(jì)算結(jié)果幾乎一致，各種工況下大壩上、下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足要求。

3.2.2 三維靜、動(dòng)力反應(yīng)分析

大壩位于大渡河河灣處，河谷深切，壩體空間效應(yīng)顯著，為了分析大壩抗震安全性，進(jìn)行了大壩三維靜、動(dòng)力有限元分析，本文僅介紹動(dòng)力計(jì)算成果。

3.2.2.1 計(jì)算參數(shù)的選取

技施階段在前期大量試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合瀑布溝壩體施工實(shí)測(cè)級(jí)配、密度等指標(biāo)和復(fù)核力學(xué)試驗(yàn)成果，同時(shí)參考地基和筑壩材料相近、同在大渡河上、具有高低圍壓研究成果的長河壩、雙江口和龍頭石工程的動(dòng)力特性試驗(yàn)參數(shù)，通過反復(fù)論證確定動(dòng)力計(jì)算參數(shù)(見表3和表4)。

3.2.2.2 計(jì)算方法及計(jì)算結(jié)論

大壩動(dòng)力計(jì)算采用等價(jià)線性粘彈性模型，地震永久變形采用舍夫(Serff)和西特(Seed)等提出的應(yīng)變勢(shì)概念為基礎(chǔ)建立的整體變形計(jì)算方法。對(duì)于粒徑較大的堆石材料，考慮到地震過程中顆粒的破碎，殘余應(yīng)變應(yīng)考慮振動(dòng)過程中堆石的體積變形和剪切變形;地震液化利用試驗(yàn)動(dòng)孔壓比與動(dòng)剪應(yīng)力比關(guān)系曲線計(jì)算動(dòng)孔壓與液化度的方法進(jìn)行研究;動(dòng)力計(jì)算采用W ilson－θ法，進(jìn)行時(shí)程逐步數(shù)值積分，求解動(dòng)力平衡方程式;將整個(gè)地震過程分為若干時(shí)段，以提高迭代收斂速度，同時(shí)反映地震過程中材料的軟化。主要計(jì)算結(jié)論如下:

表2 典型剖面壩坡穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)

圖2 瀑布溝大壩典型剖面正常蓄水位穩(wěn)定滲流期上、下游壩坡危險(xiǎn)滑弧示意

圖3 瀑布溝大壩典型剖面正常蓄水位穩(wěn)定滲流期遇地震上、下游壩坡危險(xiǎn)滑弧示意

表3 壩料動(dòng)彈性模量和阻尼比計(jì)算參數(shù)(河海大學(xué)振動(dòng)強(qiáng)化模型)

表4 壩料永久變形計(jì)算參數(shù)

(1)在設(shè)計(jì)地震波作用下，大壩的水平、豎直和壩軸向絕對(duì)加速度反應(yīng)極值放大倍數(shù)分別為3.80、2.61和2.97倍，主要分布在河床壩段的壩體頂部;壩坡地震抗滑穩(wěn)定分析的安全系數(shù)小于1.2的滑弧位置基本位于壩頂附近;壩坡最大累積滑移量14.8cm。參照美國和瑞士的抗震安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，大壩壩坡在給定地震條件下不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)失穩(wěn)破壞。大壩最大永久變形82.9cm，位于河床最大斷面壩頂位置，地震沉陷量為壩高(不含覆蓋層厚度)的0.4%。在校核地震波作用下，大壩的加速度與動(dòng)應(yīng)力反應(yīng)分布規(guī)律與設(shè)計(jì)地震一致，反應(yīng)量值有所增大，水平向絕對(duì)加速度反應(yīng)極值放大倍數(shù)達(dá)3.73倍;壩坡最大累積滑移量24.3cm;大壩最大永久沉降變形109.4cm。

(2)在設(shè)計(jì)地震作用下不考慮消散，砂層透鏡體的孔壓極值為357.6kPa，動(dòng)孔壓比為0.62，不會(huì)發(fā)生液化;大壩反濾層的最大動(dòng)孔壓比為0.37，不會(huì)發(fā)生液化。在校核地震作用下不考慮消散，砂層透鏡體的孔壓極值為481.7kPa，動(dòng)孔壓比為0.89，不會(huì)發(fā)生液化;大壩反濾層的最大動(dòng)孔壓比為0.47，不會(huì)發(fā)生液化。

(3)大壩極限抗震能力計(jì)算表明:壩基砂層液化和壩頂較強(qiáng)的鞭梢效應(yīng)成為大壩抗震的薄弱環(huán)節(jié)，大壩的極限抗震能力為0.45g左右。

3.3 土工格柵在大壩抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

由計(jì)算分析可知，在地震動(dòng)力作用下，810m高程以上壩體的加速度反應(yīng)相對(duì)較大，鞭梢效應(yīng)較強(qiáng)，有必要在壩頂810m高程以上增加抗震措施，以提高壩頂部位壩體的整體性和穩(wěn)定性，減小地震引起的永久變形，進(jìn)而提高壩體的抗震能力。通過對(duì)壩體上部的鋼筋混凝土錨固梁、土工格柵等加固措施的綜合比較，認(rèn)為土工格柵的鋪設(shè)受氣候環(huán)境的影響小、施工簡捷快速，且對(duì)堆石壩的填筑施工進(jìn)度影響很小，加之土工格柵在冶勒大壩、水牛家大壩、蹺磧大壩中的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，確定采用土工格柵。其布置范圍為大壩上部810.00～834.00m高程之間垂直間距2.0m、835.00～855.00m高程之間垂直間距1.0m，水平最大寬度30m。

3.3.1 土工格柵技術(shù)指標(biāo)及要求

為增強(qiáng)格柵對(duì)回填料的崁鎖，提高壩體抗蠕變能力，同時(shí)考慮到本工程的重要性，選用了性能較好、強(qiáng)度較高的雙向土工格柵。縱、橫向極限抗拉強(qiáng)度，每延米縱向拉伸屈服力150kN;縱、橫向伸長率為2%時(shí)，其每延米抗拉力應(yīng)不小于85kN;縱橫向屈服伸長率不大于8%。土工格柵埋設(shè)在強(qiáng)度較高的硬質(zhì)堆石體內(nèi)，要求材料具備較高的抗折、抗沖擊能力，土工格柵在堆石的撞擊和碾壓機(jī)具的沖擊作用下不會(huì)產(chǎn)生斷裂，并保持原有的強(qiáng)度和延伸率;要求在縱、橫兩個(gè)方向均具有一定強(qiáng)度和抗變形的整體性;抗紫外線能力、化學(xué)穩(wěn)定性和生物穩(wěn)定性等應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范的要求。

3.3.2 土工格柵的施工

土工格柵鋪設(shè)前先對(duì)鋪設(shè)面進(jìn)行清理，對(duì)作業(yè)面突起的石塊進(jìn)行挖除，并對(duì)局部不平部位采用細(xì)料找平、碾壓，以保證土工格柵鋪設(shè)面平整，經(jīng)驗(yàn)收合格后鋪設(shè)土工格柵。土工格柵鋪設(shè)平鋪、拉直，不能有褶皺，盡量張緊，然后用插釘固定，不得重疊，不得卷曲、扭結(jié)。土工格柵的鋪設(shè)按受力方向進(jìn)行，縱向垂直壩軸線，橫向幅與幅之間的連接采用人工綁扎，綁扎材料為母材，搭接寬度不小于15cm，同時(shí)保證不同鋪設(shè)層的土工格柵在上下層間必須錯(cuò)縫。土工格柵鋪設(shè)定位后，隨即采用填筑料進(jìn)行覆蓋，裸露時(shí)間不超過48h。為保證施工進(jìn)度，采用邊鋪設(shè)邊回填的流水作業(yè)法，卸料后采用推土機(jī)進(jìn)行攤鋪，25t自行平碾壓實(shí)，以保證填筑料滿足壩體填筑的施工質(zhì)量要求。

4 結(jié)束語

由于土工格柵的鋪設(shè)受氣候環(huán)境的影響小、施工簡捷、快速，且對(duì)堆石壩的填筑施工進(jìn)度影響很小，土工格柵在冶勒瀝青混凝土心墻堆石壩、水牛家礫石土心墻堆石壩、蹺磧礫石土心墻堆石壩以及瀑布溝礫石土心墻堆石壩中成功應(yīng)用，為高堆石壩壩頂抗震設(shè)計(jì)和計(jì)算創(chuàng)造了良好的開頭;但目前關(guān)于土工格柵與堆石體之間的作用機(jī)理、抗震效果、材料抗變形特性等尚未得到清楚的認(rèn)識(shí)，計(jì)算分析方法欠完善和成熟，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料更少，設(shè)計(jì)理論與方法還不能滿足工程建設(shè)的需要。

建議科研和設(shè)計(jì)部門加強(qiáng)合作以進(jìn)一步清楚認(rèn)識(shí)格柵與堆石體之間的作用機(jī)理、抗震效果、材料抗變形等特性。隨著土工格柵生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，土工格柵在高堆石壩抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用一定具有很好的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

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