楊 星,劉漢龍,余 挺,王曉東

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610072;2. 重慶大學土木工程學院,重慶 400045)

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高土石壩復合加筋抗震加固技術開發(fā)與應用

楊 星1,劉漢龍2,余 挺1,王曉東1

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,四川 成都 610072;2. 重慶大學土木工程學院,重慶 400045)

針對高土石壩的抗震安全這一我國西部強震區(qū)水電開發(fā)中的重要問題，在總結以往高土石壩抗震措施優(yōu)缺點的基礎上,同時吸收柔性加筋材料(土工格柵)和剛性加筋材料(鋼筋)在高土石壩抗震加固方面的優(yōu)點,開發(fā)了一種高土石壩復合加筋抗震加固技術,并闡明了高土石壩復合加筋抗震加固技術的開發(fā)背景、結構形式及技術特點。通過大型振動臺模型對比試驗驗證復合加筋抗震措施的有效性和可靠性,結果表明：與未加筋模型壩比較，復合加筋抗震加固技術能降低壩體地震永久變形，有效抑制壩頂堆石松動，具有一定的減震與隔震作用。該復合加筋抗震加固技術已在壩高295 m高的兩河口心墻堆石壩抗震設計中得到應用。

高土石壩;抗震安全;復合加筋;抗震措施;振動臺模型試驗

我國80%的水能資源集中在西部地區(qū),隨著社會經濟的發(fā)展和對能源需求的增加,必將在這些地方修建大量高壩以開發(fā)利用這些水能資源。土石壩具有選材容易、造價較低、結構簡單、地基適應性強、抗震性能好等優(yōu)點,是全世界水利水電工程建設廣泛采用的一種壩型。然而,由于水能資源空間分布的限制,我國高土石壩大多修建在西部強震區(qū),這些高土石壩不可避免地要經受強震考驗。大庫高壩一旦因地震潰決失事,其后果將是災難性的。因此,開展高土石壩抗震措施研究,確保大庫高壩的抗震安全,顯得格外迫切和重要[1]。

在高土石壩抗震設計中,壩頂是抗震設計的關鍵部位[2]，這主要基于以下兩方面原因:①壩頂部的地震加速度響應最為強烈。高土石壩在地震中的“鞭鞘效應”會導致壩頂部堆石出現(xiàn)松動、滾落、坍塌、甚至局部淺層滑動,這些局部破壞可能會危及大壩的整體抗震安全;②壩頂部的地震沉降是壩體總沉降的主要部分。章為民等[3-4]利用“5·12”汶川大地震紫坪鋪面板堆石壩地震永久變形實測數(shù)據(jù),引入分區(qū)震陷率的概念,論證了高土石壩震陷主要是由上部壩體地震沉降造成的。過大的地震沉降或不均勻沉降,會使壩體喪失部分超高或導致心墻開裂,存在庫水漫頂和防滲體破壞的風險。

汪聞韶[5]院士曾明確提出“有效的工程抗震措施比理論計算更為可靠,地震變形分析比穩(wěn)定分析更有意義”的土石壩抗震設計理論(思想)和原則。地震的不確定性和高土石壩的復雜性,使高土石壩抗震設計很大程度上還依賴于工程類比以及工程師們的經驗和判斷。目前,除了前蘇聯(lián)修建的努列克(Hypek)心墻堆石壩外,國內外缺乏300 m級高土石壩抗震設計經驗。我國西部強震區(qū)在建、擬建的300 m級超高土石壩有多座,由于在國內外鮮有同類工程可資借鑒,這些高土石壩的抗震安全已成為我國西部水電開發(fā)最突出的問題,確保這些高土石壩的抗震安全是國家經濟發(fā)展和社會公共安全的基礎保障。因此,亟待開發(fā)適合我國西部地區(qū)特點的更加安全、可靠、實用、高效的高土石壩抗震加固技術。

1 開發(fā)背景

圖1 努列克高心墻堆石壩抗震梁結構(高程單位: m)

在以往的高土石壩壩頂抗震設計中,一般采取加寬壩頂寬度;在壩坡一定高程設置馬道,并放緩馬道以上高程壩坡的坡比;壩頂一定高程范圍的上、下游壩殼堆石體鋪設柔性加筋材料(土工格柵)或剛性加筋材料(混凝土框格梁、鋼筋)等措施。加寬壩頂寬度和放緩壩坡毫無疑問會對提高土石壩抗震性能有利,但勢必增加壩體填筑體積,增加工程造價。在壩頂一定高程范圍內采用加筋結構是一種經濟、有效的增強壩體抗震性能的措施,在國內外強震區(qū)修建的高土石壩工程中得到了廣泛應用，已成為目前高土石壩抗震加固的最主要方法[6]。

前蘇聯(lián)修建的努列克心墻堆石壩最大壩高300 m,地處9度地震區(qū),為了保證大壩的抗震安全,分別在上游壩殼內的235 m、256 m、274 m 3個高程設置抗震梁系,壩頂292 m高程再設置一層抗震梁系,連接上、下游壩殼?？拐鹆合涤砷L條形鋼筋混凝土板和倒“T”形鋼筋混凝土梁組成,長條板垂直于壩軸線鋪設,板間距(中到中)為9 m,倒“T”形梁平行于壩軸線鋪設,嵌擱在長條板上,梁間距(中到中)為9 m,梁高3 m(圖1[7])。

我國許多高土石壩修建在西部高海拔的高寒山區(qū),如冶勒瀝青混凝土心墻堆石壩,最大壩高124.5 m,設計地震烈度9度,壩址所在地區(qū)高寒多雨,氣候環(huán)境惡劣。冶勒瀝青混凝土心墻堆石壩原有抗震設計借鑒了前蘇聯(lián)努列克壩的抗震經驗,在壩頂采用多層現(xiàn)澆鋼筋混凝土抗震格梁。由于壩址所在地區(qū)氣候環(huán)境惡劣,雨季和寒冷季節(jié)都很難進行混凝土澆筑,且鋼筋混凝土格梁在澆筑完成后還需要一定時間,待其達到一定強度后才能進行壩料填筑,這將造成大量施工機械、臺班和人員的閑置,嚴重制約大壩的施工進度。不管是現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁,還是預制鋼筋混凝土梁,都存在投資費用高,施工工序復雜等問題,且重型碾壓機械不能直接在梁上碾壓,對大壩施工帶來不利影響。此外,鋼筋混凝土梁無法適應大壩建成之后的不均勻自然沉降和地震造成的不均勻永久變形。隨著土工格柵加筋土技術在巖土工程和水利工程中的廣泛應用,冶勒瀝青混凝土心墻堆石壩在實際建造中采取了在壩頂部鋪設多層土工格柵的抗震措施,如圖2[8]所示。土工格柵作為高土石壩抗震體系的主要組成部分,在我國水利水電工程建設中尚屬首例。此后,我國許多高土石壩壩頂均采用了鋪設土工格柵的抗震措施,如160 m高的青峰嶺水庫主壩加固工程[9],186 m高的瀑布溝心墻堆石壩[10]等工程。

雖然土工格柵在邊坡、堤防及土石壩工程中得到廣泛應用,但土工格柵屬于柔性加筋材料,在土石壩壩頂鋪設土工格柵的抗震措施,一般用于200 m級及以下的土石壩工程。2014年6月完建的糯扎渡礫石土心墻堆石壩,最大壩高261.5 m,為目前國內已建成的最高土石壩,設計地震烈度8度,采取了在壩體770.0 m高程至壩頂821.5 m高程的上、下游壩殼堆體中埋設直徑20 mm不銹鋼鋼筋網,壩面布設扁鋼網的抗震措施[11],糯扎渡心墻堆石壩壩頂抗震鋼筋現(xiàn)場施工情況見圖3。

土工格柵和鋼筋由于其自身材料性質和結構形式的不同,用于高土石壩抗震加固分別有其各自的優(yōu)缺點,如表1所示。

圖2 土工格柵在冶勒瀝青混凝土心墻堆石壩中的應用(高程單位: m)

圖3 糯扎渡心墻堆石壩抗震鋼筋現(xiàn)場施工

加筋材料優(yōu) 點缺 點代表性工程實例土工格柵筋材與堆石接觸面大,界面摩擦力大;特有的網肋結構,使其與堆石嵌鎖、咬合作用力強;施工便利,不受氣候環(huán)境影響,不影響壩體填筑進度;費用較低柔性材料,強度和剛度較鋼筋低;重型機械碾壓可能會造成筋材損傷冶勒瀝青心墻堆石壩(壩高124.5m)鋼 筋筋材剛度大,強度高;碾壓不會造成筋材損壞;施工便利,不受氣候環(huán)境影響,不影響壩體填筑進度筋材間距大,與堆石接觸面小,摩擦力小;費用較高糯扎渡心墻堆石壩(壩高261.5m)

2 結構形式

在巖土工程和水利工程領域,同時吸收幾種工程技術的優(yōu)點,形成一種新的工程技術不乏先例,例如,近年來在常規(guī)土釘墻基礎上發(fā)展起來的新型基坑支護結構——復合土釘墻技術,該技術于2011年9月由我國住房和城鄉(xiāng)建設部發(fā)布并列入國內外首部復合土釘墻技術規(guī)范[12]。在同時吸收土工格柵和鋼筋在高土石壩抗震加固方面優(yōu)點的基礎上,筆者開發(fā)了一種高土石壩復合加筋抗震加固技術及其施工方法,并獲得國家發(fā)明專利授權[13]。高土石壩復合加筋抗震加固技術主要構成包括:①鋼筋;②土工格柵;③不銹鋼扁鋼網;④預制混凝土錨固端。高土石壩復合加筋抗震加固技術示意圖及結構放大圖分別如圖4和圖5所示(圖中H為壩高)。

圖4 高土石壩復合加筋抗震加固技術示意圖

圖5 高土石壩復合加筋抗震加固技術局部結構

高土石壩復合加筋抗震加固技術主要技術特征在于:在3/4H～4/5H以上壩頂區(qū)域的上、下游壩殼堆石體中,根據(jù)堆石料碾壓層數(shù),每隔一定高程沿順河向鋪設一層鋼筋,鋼筋一端與預制混凝土錨固端相連,另一端與壩面不銹鋼扁鋼網相連;鋼筋表面上澆瀝青進行防銹處理;在豎向兩層鋼筋的堆石體中鋪設有土工格柵;壩面處土工格柵預留一定長度,待土工格柵上的堆石料填筑、碾壓完成后,將壩面預留的土工格柵翻卷到碾壓后的堆石體上,形成土工格柵包裹段;心墻頂面的鋼筋貫穿整個堆石體,將上、下游壩面的不銹鋼扁鋼網相連。

3 技術特點

高土石壩復合加筋抗震加固技術主要具有以下技術特點:①同時吸收了柔性加筋材料(土工格柵)和剛性加筋材料(鋼筋)在高土石壩抗震加固方面的優(yōu)點,剛柔結合,施工方便,施工不受氣候環(huán)境影響,不影響壩體填筑進度,不增加壩體尺寸;②壩殼堆石體內沿順河向鋪設的鋼筋,通過一端連接壩內預制混凝土錨固端,一端連接壩面不銹鋼扁鋼網,對散粒體堆石料起到了錨固作用,相比在堆石體內布設鋼筋網的抗震措施,工程造價低;③土工格柵通過與堆石料之間的界面摩擦作用,縱、橫肋所形成的獨特網孔結構與堆石料之間的嵌鎖、咬合作用,以及壩面處的包裹段,限制了堆石料的側向變形,提高了壩體抵抗地震變形的能力;④心墻頂面的鋼筋貫穿整個堆石體,將上、下游壩面的不銹鋼扁鋼網相連,進一步將壩頂部散粒體堆石料約束成為一個整體,增強了壩體的抗震整體性;⑤鋼筋表面上澆瀝青進行防銹處理,避免了筋材因生銹老化導致抗震能力降低的問題;⑥高土石壩復合加筋抗震加固技術不需要現(xiàn)澆混凝土,尤其適合在我國水能資源分布豐富的西部高寒地區(qū)使用。

圖6 模型壩主斷面及主要儀器布置示意圖

4 大型振動臺模型試驗

為了驗證高土石壩復合加筋抗震加固技術的有效性和可靠性,開展了不同幅值、不同頻率、不同持時的地震波作用下未加筋模型壩和復合加筋模型壩大型振動臺對比模型試驗。模型壩壩高100 cm,上、下游坡比1∶1.7,壩頂寬10 cm,級配依據(jù)某典型高土石壩的堆石料級配進行選配,最大粒徑為20 mm。模型壩主斷面及主要儀器的布置見圖6。在模型壩壩頂20 cm范圍(1/5壩高)內采取復合加筋抗震加固技術,分別采用直徑2 mm的鍍鋅鐵絲、經編聚酯纖維(PET)和1 mm厚的鐵條網模擬高土石壩復合加筋抗震加固技術中的鋼筋、土工格柵和壩面不銹鋼扁鋼網,在壩頂部上、下游堆石體中共布置5層筋材,筋材的豎向間距為4 cm,鍍鋅鐵絲和經編聚酯纖維(PET)由下向上交替布置,即在2層鍍鋅鐵絲之間布置1層經編聚酯纖維,鍍鋅鐵絲的水平向間距為5 cm,順河向最長鋪設20 cm,壩頂鍍鋅鐵絲貫穿上、下游,將壩面鐵條網相連。為考慮庫水作用,在模型壩上游采用復合土工膜蓄水來模擬庫水,蓄水高程為80 cm。限于篇幅,只給出蓄水工況時,不同峰值的松潘波作用下,未加筋模型壩和復合加筋模型壩的部分試驗成果,其中模型試驗輸入的松潘波如圖7所示,填筑完成后的未加筋模型壩和復合加筋模型壩如圖8所示。

圖7 輸入的松潘波加速度時程

圖8 填筑完成后的模型壩

圖9 壩頂豎向永久位移時程曲線

圖9為0.5g松潘波作用下,未加筋模型壩和復合加筋模型壩壩頂激光位移計監(jiān)測的壩頂豎向永久位移時程曲線,由圖9的位移時程曲線可知,壩體在振動過程中都產生了不可恢復的豎向永久變形,并在地震波能量主要集中的時間段(約3～12 s,見圖7)豎向永久變形迅速增加,隨著地震波能量的減弱,永久變形趨于穩(wěn)定,但復合加筋模型壩的壩頂豎向永久位移明顯小于未加筋模型壩。同時還可以看出,未加筋模型壩的壩頂豎向位移時程曲線在振動過程中出現(xiàn)了較大的波動,其原因是在較強振動過程中未加筋模型壩壩頂堆石顆粒出現(xiàn)了松動、隆起,但總的變形是產生不可恢復的豎向沉降。

圖10為不同峰值的松潘波作用下,未加筋模型壩和復合加筋模型壩壩頂累積沉降隨輸入加速度峰值的變化。由圖10可以看出,未加筋模型壩和復合加筋模型壩壩頂累積沉降隨輸入加速度峰值的增加均呈現(xiàn)非線性增大,但復合加筋抗震加固技術較未加筋可有效減小壩頂沉降,且隨著輸入加速度峰值的增加,復合加筋抗震加固技術對減小壩頂沉降的貢獻增大,0.3g時復合加筋抗震加固技術較未加筋減小41.7%,0.5g時復合加筋抗震加固技術較未加筋減小55.0%,說明復合加筋抗震加固技術非常適合于強震區(qū)高土石壩的抗震加固。

圖10 壩頂累積沉降與輸入加速度峰值的關系

圖11 加速度放大系數(shù)沿壩高分布

圖11為0.5g松潘波作用下,未加筋模型壩和復合加筋模型壩加速度放大系數(shù)沿壩高的分布。由圖11可見,未加筋模型壩和復合加筋模型壩加速度放大系數(shù)沿壩高的分布呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律,均隨壩高的增加而增大,并在壩頂部增加迅速,但采取復合加筋抗震措施后,壩頂加速放大系數(shù)小于未加筋模型壩壩頂加速度放大系數(shù),這與南京水利科學研究院王年香等[14-15]采用離心機振動臺進行長河壩壩頂土工格柵抗震加固模型試驗得出的結論一致。Kim等[16]開展的土石壩離心機振動臺模型試驗發(fā)現(xiàn)壩頂堆石振松后加速度放大系數(shù)會顯著增大,復合加筋抗震加固技術能有效限制壩頂堆石料松動,從而降低了壩頂加速度的放大效應,即復合加筋抗震加固技術具有一定的減震和隔震作用。

5 工程應用

我國在建的兩河口水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內的雅礱江干流上,電站水庫為雅礱江中、下游的龍頭水庫,水庫的正常蓄水位為2 865.00 m,相應庫容為101.54億m3,校核洪水位為2 870.34 m,總庫容為107.77億m3,電站裝機容量為3 000 MW。攔河大壩采用礫石土心墻堆石壩,最大壩高295 m,壩頂寬度16 m,上、下游壩坡坡比分別為1∶2.0和1∶1.9,防滲心墻頂寬6 m,心墻上、下游坡比均為1∶0.2。該工程為一等大(1)型工程。根據(jù)國家地震局場地安全性評價成果,并經國家地震安全性評定委員會審定,工程場地地震基本烈度為7度,100年超越概率2%的基巖水平峰值加速度為287.8 cm/s2。

兩河口心墻堆石壩屬于300 m級超高土石壩,壩址所處地區(qū)為我國西部強震區(qū),因此,其抗震安全問題尤為突出。鑒于工程的重要性,兩河口高心墻堆石壩的抗震設計采用了復合加筋抗震加固技術,即在壩體2 820.0 m高程至壩頂范圍的上、下游壩殼堆石料、過渡料及反濾料內鋪設水平鋼筋和土工格柵,其中鋼筋和土工格柵沿順河向最長鋪設長度為30 m,不足30 m的伸至心墻外表面,鋼筋直徑為20 mm,豎向層距為3 m,水平向間距為1 m,并在鋼筋外表面上澆瀝青進行防銹處理,豎向2層水平鋼筋之間鋪設2層土工格柵,其層距為1 m,如圖12所示[17-18]。

6 結 語

由于我國水能資源空間分布的限制,我國高土石壩大都修建在西部強震區(qū),抗震安全問題是我國高土石壩建設最突出的問題之一。筆者在總結以往高土石壩抗震措施優(yōu)缺點的基礎上,開發(fā)了一種高土石壩復合加筋抗震加固技術,通過大型振動臺模型對比試驗驗證了復合加筋抗震加固技術的有效性和可靠性,并應用于295m高的兩河口礫石土心墻堆石壩抗震設計中,為我國西部強震區(qū)在建和擬建的高土石壩的抗震設計提供了借鑒和參考。

圖12 復合加筋抗震加固技術在兩河口高土石壩中的應用(高程單位:m)

高土石壩的抗震設計是一個復雜的巖土工程問題,涉及工程場地未來可能地震活動性評價,壩體及壩基材料靜、動力條件下的物理性質和力學性能確定等許多復雜問題,強震區(qū)修建的高土石壩除特別重視壩頂?shù)目拐鸢踩?高土石壩抗震設計涉及壩體結構與材料分區(qū)、壩料設計與填筑標準、壩坡坡比與壩面護坡、壩頂超高與壩基處理等諸多方面,高土石壩復合加筋抗震加固技術應與其他方面的抗震設計相結合,共同保證大壩的抗震安全。

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Technological development of composite reinforcement aseismic measure for high earth rockfill dams and its application

//YANG Xing1, LIU Hanlong2, YU Ting1, WANG Xiaodong1

(1.PowerChinaChengduEngineeringCorporationLimited,Chengdu610072,China; 2.CollegeofCivilEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400045,China)

The aseismic safety of high earth rockfill dams is one of the key problems in hydropower development in western China, where strong earthquakes often occur. Based on a summary of advantages and disadvantages of previous aseismic measures for high earth rockfill dams, a composite reinforcement aseismic measure (CRAM) and the related construction method were developed. The CRAM also takes advantage of the strong aseismic performances of the flexible material (geogrid) and rigid material (steel bars). The development background, structural form, and technical features of the CRAM are introduced. The effectiveness and reliability of the CRAM were validated through comparative model tests using a large-scale shaking table. The results show that the CRAM can effectively decrease the earthquake-induced permanent deformation and inhibit the loosening of rockfill at the crest, and has certain effects on shock absorption and isolation. Finally, an engineering application of the CRAM in the aseismic design of the Lianghekou Earth Rockfill Dam, 295m in height, is introduced.

high earth rockfill dam; aseismic safety; composite reinforcement; aseismic measure; shaking table model test

10.3880/j.issn.1006-7647.2016.06.013

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)(2013CB036404)

楊星(1982—),男,工程師,博士,主要從事高土石壩相關設計與研究。E-mail:yangxing032515@126.com

TV641.1

A

1006-7647(2016)06-0069-06

2015-09-25 編輯：鄭孝宇)