張雪東，李 綱，魏迎奇，張紫濤，粱建輝，胡 晶

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100038；2.商都縣水土保持工作站，內(nèi)蒙古 商都 013450）

1 研究背景

地震荷載作用下土石壩易發(fā)生震陷、水平永久變形、滑坡失穩(wěn)、液化、防滲體破壞和次生破壞等破壞形式［1-5］。根據(jù)Tani等［6］的統(tǒng)計結(jié)果，1995年日本神戶地震造成了1362座土石壩不同程度的破壞，在其中的4次大地震中每次地震均造成超過100座土石壩的損壞。因此，采取一定的抗震措施以降低土石壩破壞程度具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。隨著我國西南、西北等強(qiáng)震區(qū)水電資源的開發(fā)，未來將有大量的心墻堆石壩建于地震烈度達(dá)到甚至超過Ⅷ度的場地，這無疑對心墻堆石壩的抗震設(shè)計帶來了巨大挑戰(zhàn)。目前，針對面板堆石壩的抗震設(shè)計主要依靠經(jīng)驗，抗震設(shè)計理論遠(yuǎn)未成熟，心墻堆石壩抗震問題研究的重要性和迫切性越來越突出。

壩頂加筋是一項重要的工程抗震措施，為工程界和學(xué)術(shù)界所認(rèn)可［7-9］。由于壩體破壞往往始于壩頂附近壩坡的淺層滑動，壩頂加筋能夠有效降低地震荷載作用下壩頂淺層滑動的風(fēng)險。利用土工格柵加筋是壩頂加筋的主要形式之一，土工格柵的鋪設(shè)適用于多種氣候條件，在惡劣環(huán)境下依然實(shí)用，且施工簡捷、快速，對堆石壩的填筑進(jìn)度影響?。?］，已在瀑布溝、長河壩、冶勒水電站攔水堆石壩等工程中得以應(yīng)用。但是，盡管已積累了一定的工程經(jīng)驗，工程界、學(xué)術(shù)界對鋪設(shè)土工格柵加固壩頂?shù)目拐鹦Ч恼J(rèn)識仍待深入研究。目前，這一領(lǐng)域的研究多采用數(shù)值模擬的方法［9-10］，系統(tǒng)的試驗研究較少。

土工離心模型試驗是利用離心機(jī)所產(chǎn)生的離心力場來提高模型的體積力，模擬原型在自然重力場下的行為，通過控制離心加速度保證在原型與模型幾何相似的前提下，保持原型與模型的力學(xué)特性相似、應(yīng)力應(yīng)變相同以及破壞機(jī)理相同等，達(dá)到在小比尺模型中再現(xiàn)原型的應(yīng)力狀態(tài)以模擬各類土工構(gòu)筑物的工程特性的目的。在離心機(jī)振動臺模型試驗中，利用離心力產(chǎn)生的超重力場在模型內(nèi)重現(xiàn)原型應(yīng)力場，進(jìn)而保證模型與原型動力特性的相似性。較之普通振動臺模型試驗，離心機(jī)振動臺模型試驗在研究地震作用下壩體動力響應(yīng)、變形特征、破壞形式等方面具有一定的優(yōu)越性［11-14］。因此，本文擬結(jié)合西藏如美水電站高心墻堆石壩工程，基于中國水利水電科學(xué)研究院離心機(jī)及雙向離心機(jī)振動臺模型試驗技術(shù)，開展一系列動力離心模型試驗研究，以探究心墻堆石壩鋪設(shè)土工格柵加固壩體這一措施的抗震效果，重點(diǎn)探究加固間距及土工格柵剛度對抗震效果的影響。

2 依托工程概況

本文依托西藏如美水電站工程開展。如美水電站位于瀾滄江干流水電基地上游河段西藏自治區(qū)芒康縣境內(nèi)，是瀾滄江西藏段規(guī)劃6個梯級開發(fā)的第五級，控制流域面積為7.94萬km2，多年平均流量為653 m3/s，多年平均徑流量為206億m3，裝機(jī)2100 MW。其擋水建筑物初擬壩型為礫石土心墻堆石壩，心墻堆石壩壩頂高程為2902.00 m，河床段心墻建基面高程為2587.00 m，最大壩高315.00 m，壩頂寬度為18.00 m，上游壩坡坡比為1：2.1。大壩防滲體采用礫石土直心墻型式，心墻與上、下游壩殼堆石之間均設(shè)有反濾層、過渡層。大壩防滲心墻頂寬5.00 m，頂高程2898.00 m，心墻上、下游邊坡系數(shù)均為0.23，心墻底部高程為2589.00 m，順河向?qū)挾葹?81 m。心墻底部坐落在混凝土墊層上，墊層混凝土河床段厚2 m，岸坡段水平厚1 m。如美水電站位于羌塘地塊內(nèi)部的瀾滄江斷裂帶附近，經(jīng)受強(qiáng)地震的可能性較高。因當(dāng)前高心墻堆石壩經(jīng)受強(qiáng)地震的實(shí)例較少，可借鑒的工程經(jīng)驗較少，相關(guān)抗震設(shè)計尚不成熟，壩體動力分析的相關(guān)理論、方法以及壩體加固措施有待進(jìn)一步研究。

3 離心模型試驗方案

試驗利用中國水科院雙向離心機(jī)振動臺開展，其原理及設(shè)備介紹可參閱文獻(xiàn)［15］，主要指標(biāo)參見表1。該離心機(jī)振動臺能夠模擬各類土工結(jié)構(gòu)物（構(gòu)筑物）在各種水平及豎向地震情況下的動力特性。所用的模型箱為中國水科院ESB（Equivalent Shear Beam）等效剪切梁層狀模型箱，其內(nèi)部凈尺寸810 mm×353 mm×415 mm（長×寬×高）。該模型箱從下到上平面尺寸逐漸減小，分底部、中部和頂部3大部分，共15層。底部5層共13 cm，中部7層共18.5 cm，頂部3層共8 cm。每層間均鑲嵌有橡膠層。在試驗時，模型箱內(nèi)部敷設(shè)一層橡皮膜，橡皮膜上部采用卡扣與模型箱壁夾緊。

表1 中國水科院離心機(jī)振動臺性能指標(biāo)

如表2及圖1所示，共開展4組離心模型試驗。4組試驗?zāi)Ｐ筒贾们闆r類似，均分為堆石區(qū)、心墻、反濾層、過渡層等壩體區(qū)和上游蓄水區(qū)。模型尺寸主要受離心機(jī)振動臺有效負(fù)載（440 kg）與模型箱尺寸（長×寬×高：810mm×353mm×415mm）的限制。依據(jù)如美工程原型壩體最大橫剖面典型圖，采用1615的長度比尺確定模型壩體尺寸，模型壩高確定為195 mm。受動力試驗容許離心運(yùn)轉(zhuǎn)加速度（最大值為50g）限制，采用的離心加速度為40g，動力試驗中按照N=40的相似率對原型場地波進(jìn)行調(diào)整以確定輸入激勵地震波。因此，模型對應(yīng)原型高度為7.8 m，遠(yuǎn)小于如美工程原型壩高315.0 m。受離心機(jī)振動臺設(shè)備技術(shù)指標(biāo)限制，當(dāng)前開展的動力離心模型試驗在模擬高壩時存在一定的不足，這是動力離心模型試驗領(lǐng)域存在的一大難題。盡管如此，本文的試驗結(jié)果可為工程加固措施的比選提供一定的依據(jù)。模型堆石料級配由原型堆石料經(jīng)縮尺獲得，如美心墻壩采用階梯式爆破開采的堆石料一般為連續(xù)級配料，故在堆石料級配設(shè)計時，參照國內(nèi)外的工程經(jīng)驗，一般僅控制堆石料的最大粒徑、細(xì)粒含量和含泥量。參考其它類似工程經(jīng)驗，并考慮到如美大壩為300 m級超高壩，對上游堆石Ⅰ區(qū)（建基面至0.4倍壩高間的區(qū)域）、上游堆石Ⅱ區(qū)（0.4倍壩高至壩頂間的區(qū)域）及下游堆石區(qū)的配要求如下：最大粒徑為800 mm；粒徑小于5 mm的顆粒含量不超過15%；0.075 mm以下的顆粒含量小于5%。采用等量替代法確定初步模型堆石料級配，再進(jìn)一步微調(diào)以模擬原型壓實(shí)度，最終確定模型堆石料的級配曲線（如圖2所示）。心墻料選用摻砂紅黏土，反濾層及過渡層材料選用福建平潭標(biāo)準(zhǔn)砂，土料干密度控制在1.8 g/cm3。另外，采用剛度差別較大的兩種材料（窗紗與鋼絲網(wǎng)）作為壩頂加筋材料，初步研究加筋材料剛度對加固效果的影響，在后續(xù)研究中擬采用實(shí)際工程中應(yīng)用的土工格柵等多種材料開展進(jìn)一步的研究。

表2 離心模型試驗方案

圖1 模型布置（單位：mm）

就壩頂加筋情況而言，試驗T1中壩頂不加筋，試驗T2、T3中分別以0.08H、0.16H的間距在壩頂埋設(shè)3層窗紗加筋，試驗T4中以0.08H的間距在壩頂埋設(shè)3層鋼筋網(wǎng)加筋，H為模型壩高。對比試驗T1與T2，可探究采用柔性加筋材料加固壩頂?shù)男Ч?；對比試驗T2與T3，可探究加筋材料層間距對加固效果的影響；對比試驗T2與T4，可探究加筋材料剛度對壩頂加固效果的影響。在輸入地震波方面，基于原型工程設(shè)計場地波，按照動力離心模型試驗相似率確定輸入模型地震波。以試驗T1、T2為例，實(shí)測的輸入地震波（已計算至原型尺度）如圖3所示，各組試驗中輸入相近的雙向地震波，其原型順河向、豎向峰值加速度約為0.25g、0.2g。

圖2 模型堆石料的級配曲線

在模型量測設(shè)計方面，如圖2所示，沿模型壩軸線及上游壩坡埋設(shè)微型加速度傳感器，該加速度傳感器的量程為500g，靈敏度為10 mV/g，量測頻段為1.6—10 000 Hz。

圖3 T1、T2臺面實(shí)測的輸入地震波

4 試驗結(jié)果分析

由于振動臺的有效振動頻率為10～400 Hz（對應(yīng)模型），本文試驗加速度為40g，因此在整理數(shù)據(jù)時以0.25 Hz～10.00 Hz帶通濾波。再根據(jù)各測點(diǎn)加速度時程曲線確定其峰值加速度，進(jìn)一步確定加速度放大系數(shù)。

4.1 壩頂加筋效果初探圖4（a）對比了不加筋（T1）、加筋壩體（T2）壩軸線順河向加速度放大系數(shù)，圖4（b）對比了兩個壩體壩坡順河向加速度放大系數(shù)。圖中z/H為測點(diǎn)至建基面的垂直距離z與壩高H的比值，z/H=0與z/H=1分別對應(yīng)臺面與壩頂。由圖4可以看出，壩軸線、壩坡峰值加速度均沿高程增大，壩頂處峰值加速度較大。另外，對比壩軸線、壩坡峰值加速度數(shù)據(jù)可知，相同高程壩坡處的峰值加速度大于壩軸線處。壩軸線頂部的放大系數(shù)在1.5～2范圍內(nèi)，壩坡頂部的放大系數(shù)在2～2.25范圍內(nèi)。該結(jié)果符合對土石壩動力響應(yīng)的一般認(rèn)識，與1g條件下振動臺試驗所反應(yīng)的規(guī)律相吻合。

圖4 T1、T2順河向加速度放大系數(shù)

圖5（a）對比了兩個壩體壩軸線豎向加速度放大系數(shù)，圖5（b）對比了兩個壩體壩坡豎向加速度放大系數(shù)。由圖5可見，就其沿高程的分布模式而言，與水平向地震動的分布存在差異，壩軸線處豎向峰值加速度放大系數(shù)隨高程先增大至2.17～3.46后減小至1.46～1.68；壩坡處豎向峰值加速度隨高程放大的趨勢也不太明顯，壩頂放大系數(shù)估計為0.85～1.97。

對比加筋、不加筋模型動力響應(yīng)可知，不加筋壩體、加筋壩體的順河向壩頂加速度放大系數(shù)分別為1.80、1.89，豎向壩頂加速度放大系數(shù)分別為1.46、1.68，加筋壩體的壩頂順河向和豎向的加速度放大系數(shù)比不加筋壩體的對應(yīng)數(shù)值大。這是因為，壩頂加筋提高了壩頂剛度，從而導(dǎo)致壩頂附近區(qū)域加速度放大系數(shù)變大。該結(jié)果與楊光等［5］的有限元數(shù)值模擬結(jié)果相似。參考楊光等［5］的有限元模擬結(jié)果，較大的壩頂動力響應(yīng)將明顯減低壩體順河向和豎向殘余變形。

圖5 T1、T2豎向加速度放大系數(shù)

圖6 間距0.08H、0.16H加筋試驗順河向加速度放大系數(shù)

圖7 間距0.08H、0.16H加筋試驗豎向加速度放大系數(shù)

4.2 加筋間距的影響圖6（a）對比了間距0.08H、0.16H加筋試驗壩軸線順河向加速度放大系數(shù)，圖6（b）對比了兩組試驗壩坡順河向加速度放大系數(shù)。圖7（a）對比了間距0.08H、0.16H加筋試驗壩軸線豎向加速度放大系數(shù)，圖7（b）對比了兩組試驗壩坡豎向加速度放大系數(shù)。由圖可知，改變加筋層間距對峰值加速度沿剖面的分布影響較小。間距增大后，模型壩體依然表現(xiàn)出壩軸線水平向峰值加速度隨高程逐漸增大的趨勢，壩軸線豎向峰值加速度隨高程先增大后減小的趨勢。在各高程上，壩坡壩軸線、豎向峰值加速度值相近。以上結(jié)果說明，改變加筋層間距對壩體動力響應(yīng)的影響較小。由此說明采用0.08H至0.16H間距加筋都將起到增強(qiáng)壩體剛度、提高壩體抗震穩(wěn)定性的作用。

圖8 窗紗、鋼絲網(wǎng)加筋試驗順河向加速度放大系數(shù)

圖9 窗紗、鋼絲網(wǎng)加筋試驗豎向加速度放大系數(shù)

4.3 加筋材料剛度的影響圖8（a）對比了窗紗、鋼絲網(wǎng)加筋試驗壩軸線順河向加速度放大系數(shù)，圖8（b）對比了兩組試驗壩坡順河向加速度放大系數(shù)。圖9（a）對比了窗紗、鋼絲網(wǎng)加筋試驗壩軸線豎向加速度放大系數(shù)，圖9（b）對比了兩組試驗壩坡豎向加速度放大系數(shù)。在沿壩軸線的分布方面，采用柔性材料時，峰值加速度沿高程逐漸增大；采用剛性材料時，峰值加速度沿高程增大趨勢不明顯。在沿壩坡的分布方面，兩模型均呈現(xiàn)隨高程逐漸增大的趨勢。就壩頂放大系數(shù)而言，鋼絲網(wǎng)加筋壩頂順河向加速度放大系數(shù)明顯低于窗紗加筋的壩頂放大系數(shù)，而其豎向加速度放大系數(shù)則大于窗紗加筋的相應(yīng)放大系數(shù)。這是由于鋼絲網(wǎng)的剛度過大，在制備土樣的壓實(shí)過程中很難將鋼絲網(wǎng)與土體完好結(jié)合。因此，雖然鋼絲網(wǎng)剛度較大，壩頂整體的剛度則較低，因而，鋼絲網(wǎng)加筋壩體表現(xiàn)出較弱的壩頂動力響應(yīng)。這也啟示了在工程實(shí)踐中，進(jìn)行壩頂加筋時，采取必要的措施使加筋材料與土體充分結(jié)合是十分必要的。本文中僅考慮了加筋材料剛度兩種極端情況，依據(jù)現(xiàn)有試驗數(shù)據(jù)，較難得出隨加筋材料剛度增加加速度動力響應(yīng)的變化趨勢。需采用不同材料開展更為系統(tǒng)的離心機(jī)振動臺模型試驗研究，以進(jìn)一步明確加筋材料剛度對加固效果的影響。

5 結(jié)論

本文基于中國水科院離心機(jī)及雙向離心機(jī)振動臺，開展了4組離心模型試驗，探究了鋪設(shè)土工格柵加固壩頂這一措施的抗震效果，并探討了埋設(shè)間距及土工格柵材料剛度對心墻堆石壩動力響應(yīng)的影響。結(jié)論如下：（1）對比未加筋壩體及采用柔性材料加筋壩體的動力響應(yīng)，加筋壩體的壩頂順河向和豎向的加速度放大系數(shù)比不加筋壩體的對應(yīng)數(shù)值大，壩頂加筋提高了壩頂剛度，導(dǎo)致壩頂附近區(qū)域順河向和豎向動力響應(yīng)變強(qiáng)；（2）采用0.08H至0.16H間距加筋都將起到增強(qiáng)壩體剛度、提高壩體抗震穩(wěn)定性的作用；（3）土工格柵的剛度對心墻堆石壩的動力響應(yīng)影響較大，剛度過大的材料難以造成土料與土工格柵的緊密結(jié)合，從而不能起到良好的抗震效果。