張曉將

（中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710065）

強(qiáng)震區(qū)高壩抗震減災(zāi)設(shè)計(jì)研究一直都是水利水電工程的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一，2008 年“5.12”汶川大地震之后，強(qiáng)震區(qū)水工建筑物所出現(xiàn)的震損現(xiàn)象與震害狀況，更加引起了工程界與學(xué)術(shù)界對(duì)抗震問(wèn)題的關(guān)注。混凝土面板壩在我國(guó)迅速發(fā)展，壩高已從100 m 發(fā)展至200 m，逐漸向250 m 乃至300 m 高壩邁進(jìn)，強(qiáng)震區(qū)200 m 級(jí)高面板壩抗震機(jī)理及抗震設(shè)計(jì)方法、標(biāo)準(zhǔn)的研究，已成為制約高混凝土面板壩設(shè)計(jì)壩高提升和筑壩技術(shù)提高的關(guān)鍵因素之一。

本文圍繞強(qiáng)震區(qū)高面板壩的上下游壩坡穩(wěn)定和抗變形能力、面板壩防滲體系防滲與變形控制等方面進(jìn)行研究，開展了抗震及抗震措施研究設(shè)計(jì)，通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬驗(yàn)證了各種抗震加固措施的有效性，提出了面板堆石壩綜合抗震措施?？拐鸫胧┑哪Ｐ驮囼?yàn)研究

1 抗震措施模型試驗(yàn)研究

1.1 壩坡穩(wěn)定的影響因素研究

面板壩在地震中的安全與壩坡土體穩(wěn)定有關(guān)，保持面板壩上下游壩坡的穩(wěn)定是提高其抗震能力的關(guān)鍵。本項(xiàng)研究首先針對(duì)影響壩坡穩(wěn)定的因素，進(jìn)行了一系列模型壩的破壞試驗(yàn)，模型壩采用面板壩，壩高及壩頂寬度根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)分別取80 cm、100 cm、140 m 和7 cm、8 cm、12 cm，上游坡1∶1.4，為研究不同坡比壩破穩(wěn)定的影響擬定了下游壩坡1∶1.4和馬道以下壩坡1∶1.4、馬道以上為1∶1.6 兩種形式。研究不同粒徑筑壩料的抗震反應(yīng)時(shí)，建立了3 mm～27 mm 共6 種粒徑的模型壩。

試驗(yàn)結(jié)果顯示：

1）在壩坡坡比一定的條件下，筑壩材料平均顆粒直徑增大，坡面起滑臨界加速度相應(yīng)有所提高。因此，提高壩頂區(qū)堆石料的粒徑對(duì)壩坡穩(wěn)定是有利的。

2）減緩壩坡對(duì)提高坡面穩(wěn)定是有效的，從試驗(yàn)結(jié)果看，設(shè)置的緩坡起始高程不一，坡面滑動(dòng)時(shí)加速度分布有所不同，坡面起滑臨界加速度也表現(xiàn)不一，但當(dāng)選擇壩高的4/5 作為起始點(diǎn)減緩壩坡是安全的也是比較經(jīng)濟(jì)的。

3）試驗(yàn)觀察到，隨著壩頂寬度加寬，馬道滑平到面板斷裂持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，說(shuō)明壩頂加寬對(duì)面板上部的穩(wěn)定是有利的。從抗震角度，如果壩頂具有足夠?qū)挾?，地震時(shí)坡面的表層滑動(dòng)（削弱）不至于危及整個(gè)壩頂區(qū)土體，那么面板的穩(wěn)定將會(huì)從中受益。

1.2 抗震措施加固效果模型試驗(yàn)

在上述試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，對(duì)不同抗震措施的壩體破壞形式進(jìn)行研究。振動(dòng)臺(tái)尺寸（6 m×6 m)、載重量（80 t），整體模型壩高1.5 m，近似地把基巖和壩肩按剛性考慮，選擇原型壩的9 個(gè)控制斷面縮尺后作為模型壩的控制斷面，用鋼筋混凝土來(lái)成型河谷。

試驗(yàn)中采用的抗震措施包括：a）壩體下游壩坡表面采用砌石護(hù)坡；b）壩頂區(qū)每隔一定距離鋪設(shè)一層仿真土工格柵材料；c）壩頂區(qū)域采用膠結(jié)粗粒土整體置換；d）壩頂區(qū)利用混凝土層進(jìn)行分層加筋。試驗(yàn)時(shí)共建立了9 個(gè)模型壩，模型詳情見(jiàn)表1。

表1 模型概況

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)不同抗震措施下的壩頂沉降率δ，壩寬改變率δ'，坡面顆粒運(yùn)動(dòng)速度v，下游壩坡表層顆粒起滑加速度ay，面板斷裂加速度af和面板壓剪破壞（錯(cuò)臺(tái)）加速度ad的影響進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)比不同加固措施的加固效果。四種抗震措施加固效果分析見(jiàn)表2。

表2 抗震措施加固效果分析

試驗(yàn)研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)下游壩面護(hù)坡與其它三種抗震措施聯(lián)合實(shí)施時(shí)，加固效果更為明顯。另外當(dāng)對(duì)壩頂區(qū)進(jìn)行膠結(jié)堆石料置換或混凝土層分層加筋時(shí)，膠結(jié)區(qū)域與非膠結(jié)區(qū)域接觸處容易出現(xiàn)分離現(xiàn)象。因此，應(yīng)對(duì)交接處采取必要的工程措施。

2 抗震措施加固效果數(shù)值分析

依托茨哈峽、滾哈布奇勒面板壩進(jìn)行了基于數(shù)值分析的抗震措施加固效果研究，計(jì)算采用大連理工大學(xué)開發(fā)的GEODYNA 三維非線性靜、動(dòng)力分析軟件。研究時(shí)采用抗震措施有土工格柵加固措施和釘結(jié)護(hù)面板加固措施。各加固措施數(shù)值計(jì)算結(jié)果匯總于表3、表4。

由各加固方案計(jì)算結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

表3 茨哈峽面板壩各加固措施計(jì)算結(jié)果匯總表

表4 滾哈布奇勒面板壩各加固措施計(jì)算結(jié)果匯總表

1）當(dāng)采用土工格柵加固后，下游壩坡的穩(wěn)定最小安全系數(shù)提高20%～30%，下游最大滑移量減少65%～95%，安全系數(shù)小于1 的持續(xù)時(shí)間降低65%～75%。說(shuō)明采用土工格柵加固后，壩頂區(qū)堆石體的整體穩(wěn)定性增強(qiáng)，最大滑移量也大幅減小。

2）當(dāng)加格柵堆石料“凝聚力”提高時(shí)，下游壩坡的穩(wěn)定最小安全系數(shù)明顯提高，下游最大滑移量大幅減小，安全系數(shù)小于1 的持續(xù)時(shí)間也有所降低?？梢?jiàn)，土工格柵加固與其施工質(zhì)量關(guān)系密切，土工格柵施工質(zhì)量越好，其與周圍堆石料聯(lián)接越密實(shí)，壩體堆石穩(wěn)定性越好。

3）當(dāng)采用釘結(jié)護(hù)面板加固后，下游壩坡的穩(wěn)定最小安全系數(shù)提高10%～30%，下游最大滑移量減少55%～65%，安全系數(shù)小于1 的持續(xù)時(shí)間降低50%～60%。說(shuō)明采用釘結(jié)護(hù)面板加固后，增強(qiáng)了壩頂區(qū)堆石體的整體穩(wěn)定性。

4）采用釘結(jié)護(hù)面板加固時(shí)，鋼筋布置越密，壩頂堆石體整體性越好，大壩整體抗震性能越優(yōu)。

5）采用釘結(jié)護(hù)面板加固時(shí)，鋼筋長(zhǎng)度1.5 D 與2.0 D 相比，下游壩坡安全系數(shù)有所下降，最大滑移量有所增大，說(shuō)明鋼筋深入壩體長(zhǎng)度越長(zhǎng)，壩頂區(qū)堆石體的整體穩(wěn)定性越好。

3 地震荷載對(duì)防滲體系的影響分析

3.1 面板應(yīng)力分析

由圖1 可知，震前滿蓄時(shí)，面板沿壩軸向壓應(yīng)力最大值位于河谷中央靠近面板下部的區(qū)域，面板應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，面板兩岸壩肩存在較小的拉應(yīng)力。地震時(shí)，面板沿壩軸向靜動(dòng)（瞬時(shí)）疊加應(yīng)力的最大值分布規(guī)律與滿蓄時(shí)基本相同。但震后由于大壩發(fā)生整體沉陷，面板沿壩軸向壓應(yīng)力最大值增加且位置發(fā)生了變化，位于河谷中央的壩頂區(qū)域。

圖1 面板沿壩軸向應(yīng)力（壓為負(fù)，單位：MPa）

3.2 垂直縫模量對(duì)面板應(yīng)力的影響

為保證面板堆石壩止水結(jié)構(gòu)的正常工作，一般會(huì)在面板之間垂直縫設(shè)定具有一定強(qiáng)度的填充板。圖2 為面板沿壩軸向應(yīng)力隨高程變化。

由圖2 可以看出，采用模量較低的垂直縫填充材料后，無(wú)論震前滿蓄期還是遭遇地震后，面板沿壩軸向擠壓應(yīng)力均有所減小，對(duì)于高面板堆石壩，可在面板主要受壓區(qū)的河谷部位采用壓縮模量較低的填充材料，為面板向河谷中部的壓縮變形提供了一定的變形空間，有效減輕面板沿壩軸向的壓應(yīng)力集中。研究還發(fā)現(xiàn)，隨著垂直縫模量的降低，垂直縫的壓縮量與周邊縫沿趾板方向的剪切位移隨之增加。

3.3 面板與墊層料摩擦系數(shù)對(duì)面板應(yīng)力的影響

面板沿壩軸向應(yīng)力過(guò)大的部分原因是墊層堆石對(duì)混凝土面板的約束，以及堆石體沉降時(shí)對(duì)混凝土面板的摩擦引起。圖3 為面板與墊層之間采用不同材料后面板沿壩軸向應(yīng)力隨高程變化。

隨著摩擦系數(shù)的降低，滿蓄期面板沿壩軸向應(yīng)力逐漸減小，最大值位置有所上升，摩擦系數(shù)的變化對(duì)震后面板沿壩軸向應(yīng)力最大值影響不大。

研究還發(fā)現(xiàn)，隨著面板與墊層材料摩擦角的降低，周邊縫相對(duì)位移增加，面板與墊層材料摩擦角的變化對(duì)周邊縫的相對(duì)位移影響較大。

圖3 面板沿壩軸向應(yīng)力（壓為負(fù)）

3.4 擠壓邊墻對(duì)面板應(yīng)力的影響

在擠壓邊墻與混凝土面板之間采用不同的表面處理措施，研究對(duì)面板沿壩軸向應(yīng)力影響。圖4 為采用擠壓邊墻后面板沿壩軸向應(yīng)力隨高程變化。

圖4 面板沿壩軸向應(yīng)力（壓為負(fù)）

由圖4 可以看出，采用擠壓邊墻后，無(wú)論震前滿蓄期還是遭遇地震后，面板的壩軸向應(yīng)力最大值均降低；擠壓邊墻對(duì)壩頂部面板軸向應(yīng)力影響較大。若面板與邊墻間采用瀝青油氈填料（接觸摩擦角為4°），面板的壩軸向應(yīng)力會(huì)大幅度降低。

若擠壓邊墻施工且面板與邊墻之間的填料采用土工膜時(shí)，除周邊縫張開值稍有增大外，面板周邊縫和垂直縫相對(duì)位移均降低，面板與邊墻間采用瀝青油氈填料，其接觸面摩擦角僅為4°，面板和擠壓邊墻易發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)而導(dǎo)致周邊縫和豎縫的相對(duì)位移較大。

3.5 面板綜合抗震對(duì)策

以上研究可以看出，面板間主要受壓區(qū)的垂直縫模量降低后，面板擠壓應(yīng)力減小，但面板周邊縫和豎縫相對(duì)位移增加。采用面板豎縫優(yōu)化方案（垂直縫模量分高程設(shè)置）后，面板擠壓應(yīng)力降低同時(shí)面板縫的相對(duì)位移有所增加，但幅度不大。

面板與墊層材料采用不同摩擦角后，雖然滿蓄期面板擠壓應(yīng)力減小，但對(duì)震后面板壩頂擠壓應(yīng)力影響不大，且隨面板與墊層材料摩擦角減小，面板周邊縫相對(duì)位移增加幅度較大。

當(dāng)采用擠壓邊墻施工且面板與邊墻之間鋪設(shè)土工膜后，面板擠壓應(yīng)力降低，且面板周邊縫和豎縫相對(duì)位移也減小。

因此，可以考慮綜合采用擠壓邊墻施工、面板與邊墻之間鋪設(shè)土工膜且面板受壓區(qū)豎縫采用優(yōu)化方案。計(jì)算表明，采用綜合方案后，無(wú)論震前滿蓄期還是遭遇地震后，面板的壩軸向應(yīng)力最大值均大幅降低，且除周邊縫張開值稍有增大外，面板縫（周邊縫和垂直縫）的其他相對(duì)位移值均減小。

4 結(jié)語(yǔ)

本文依托強(qiáng)震區(qū)大型水電站工程，通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究分析各種抗震措施對(duì)提高大壩抗震安全的作用效果和影響程度，驗(yàn)證各種抗震加固措施的有效性，并從面板壩防滲體變形與破裂控制方面研究抗震措施，提出了強(qiáng)震區(qū)高面板壩的抗震措施：

（1）在壩坡一定的條件下，提高壩頂區(qū)堆石料的粒徑對(duì)壩坡穩(wěn)定是有利的。減緩壩坡對(duì)提高坡面穩(wěn)定是有效，4/5 壩高以上從1∶1.4 減緩到1∶1.6，坡面臨界加速度將會(huì)提高45%左右。壩頂加寬對(duì)面板上部的穩(wěn)定是有利的，在地震區(qū)修建面板堆石壩，應(yīng)適當(dāng)放寬壩頂寬度。

（2）采用土工格柵加筋可以增強(qiáng)壩頂區(qū)土體的穩(wěn)定性，減小壩體沉降，可以有效減少壩寬的改變量，降低顆粒的運(yùn)動(dòng)速度，對(duì)面板錯(cuò)臺(tái)有很大的抑制作用。但是，加土工格柵對(duì)表層土體的抑制作用不明顯。

（3）下游壩面干砌石護(hù)坡可以提高壩體開始沉降加速度，減小壩體沉降，有效抑制表層堆石的滑動(dòng)，提高壩坡顆粒起滑加速度。

（4）壩頂區(qū)堆石體的材料改性，如采用膠結(jié)堆石料，可以大大提高壩頂區(qū)土體的穩(wěn)定性，降低壩體沉降變形，減小壩寬變化率，提高壩坡顆粒起滑加速度，增強(qiáng)面板的抗震能力。

（5）對(duì)于超過(guò)200 m 的高面板堆石壩，面板可能會(huì)發(fā)生擠壓破壞。采用擠壓邊墻施工、降低面板與邊墻摩擦、面板豎縫填充材料優(yōu)化布置后，面板的壩軸向應(yīng)力最大值大幅降低，且除周邊縫張開值稍有增大外，面板縫（周邊縫和豎縫）的其他相對(duì)位移值均減小，是合理的面板綜合抗震對(duì)策。

（6）強(qiáng)震區(qū)的高面板壩應(yīng)針對(duì)大壩抗震安全特點(diǎn)，在減緩下游壩坡、適當(dāng)放寬壩頂寬度、干砌石護(hù)坡、土工格柵護(hù)坡、框格梁護(hù)坡、壩頂區(qū)采用膠結(jié)堆石料改性等抗震措施中進(jìn)行比較分析，選擇經(jīng)濟(jì)合理的綜合抗震措施的方法。