盧 羽 平

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

近年來(lái)，西部地區(qū)擬建的高土石壩越來(lái)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(wèn)題之一。高土石壩的震害實(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，壩頂?shù)牡卣鸱磻?yīng)最為強(qiáng)烈，壩體初始破壞主要發(fā)生在壩頂附近。這是因?yàn)閴误w地震加速度的放大效應(yīng)導(dǎo)致4/5壩高以上結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)較大，即“鞭梢效應(yīng)”明顯。由于較大的加速度產(chǎn)生較大的地震慣性力，地震時(shí)壩體頂部土石料承受較大剪應(yīng)力。在此動(dòng)剪應(yīng)力的作用下，壩體產(chǎn)生較大的地震變形。過(guò)大的地震變形會(huì)使壩頂產(chǎn)生裂縫等，裂縫壩體在強(qiáng)震的持續(xù)作用下會(huì)演化為滑坡等災(zāi)害。壩頂區(qū)堆石料在地震荷載作用下也會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)、顆粒滾落甚至滑塌，其破壞形式是坡面的顆粒松動(dòng)并沿平面或近乎平面滑動(dòng)，然后坡面顆?；瑒?dòng)的數(shù)量和范圍逐漸擴(kuò)大，同時(shí)壩頂不斷塌陷，進(jìn)而導(dǎo)致下游壩體發(fā)生局部坍塌。汶川地震紫坪鋪面板壩經(jīng)受了烈度為Ⅹ度的地震檢驗(yàn)，下游壩坡堆石料出現(xiàn)了震松喪失結(jié)構(gòu)性現(xiàn)象，但并沒(méi)有形成大規(guī)模顆粒滾落及坍塌等嚴(yán)重?fù)p壞。

減緩上部1/5壩高范圍內(nèi)的堆石壩壩坡、增設(shè)馬道以及加寬壩頂對(duì)提高壩頂抗震穩(wěn)定性效果顯著，但這勢(shì)必會(huì)增大壩體斷面，導(dǎo)致工程投資大幅增加。相對(duì)而言，對(duì)壩體上部1/5～1/4壩高范圍采用土工格柵或鋼筋網(wǎng)加筋堆石等措施進(jìn)行抗震加固，可以較小的經(jīng)濟(jì)代價(jià)換取壩體整體穩(wěn)定性的顯著改善，可以增大上部堆石區(qū)的整體性，防止在地震過(guò)程中表層堆石體的松動(dòng)或滑落。本文結(jié)合卡基娃面板壩的抗震設(shè)計(jì)，對(duì)面板壩下游壩坡抗震措施進(jìn)行了探索和研究。

1 工程設(shè)計(jì)概述

卡基娃水電站位于四川省涼山州木里縣境內(nèi)的木里河干流上，系木里河干流水電規(guī)劃“一庫(kù)六級(jí)”的第二個(gè)梯級(jí)，是該河段梯級(jí)開(kāi)發(fā)的“控制性水庫(kù)”工程。水庫(kù)正常蓄水位為2 850 m，總庫(kù)容3.745 億m3，具有年調(diào)節(jié)能力。電站采用混合開(kāi)發(fā)方式，樞紐建筑物主要由攔河大壩、兩岸泄洪及放空建筑物、右岸引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。攔河大壩為混凝土面板壩，最大壩高171 m。電站總裝機(jī)容量452.4 MW，多年平均年發(fā)電量為16.51 億kW·h。

壩區(qū)河流流向微呈反“S”型，呈深切略微不對(duì)稱(chēng)“V”型峽谷地貌，左岸陡右岸較緩，兩岸基巖多裸露，局部為陡崖地形。壩軸線位置左岸為凸岸，右岸為凹岸，右岸上游、左岸下游分別發(fā)育有深切的則窩溝和卡基娃巨型古滑坡體。

面板壩壩頂高程2 856 m，最大壩高171 m，壩頂寬11 m，壩頂長(zhǎng)355 m，大壩立面寬高比為2.08：1。上游壩坡1：1.4，下游壩坡設(shè)置三級(jí)5 m寬?cǎi)R道，第一級(jí)馬道以上壩坡為1：1.5，其下兩級(jí)馬道間壩坡均為1：1.4，綜合壩坡1：1.496。下游壩腳和下游圍堰間設(shè)置壓重區(qū)，頂高程2 710 m。大壩自上游至下游依次為：棄碴壓重區(qū)、黏土鋪蓋區(qū)、墊層區(qū)、過(guò)渡區(qū)、主堆石區(qū)、下游堆石區(qū)、排水堆石區(qū)、干砌石(漿砌石)護(hù)坡區(qū)和下游壓重區(qū)。

2 下游壩坡抗震措施研究

卡基娃大壩設(shè)計(jì)地震基準(zhǔn)期為50年超越概率10%，相應(yīng)基巖水平峰值加速度為149 gal，抗震設(shè)計(jì)烈度為Ⅶ度；校核抗震標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)期100年超越概率2%，相應(yīng)基巖水平峰值加速度為310 gal，大壩抗震設(shè)計(jì)地震烈度較高。

大壩動(dòng)力反應(yīng)分析表明，地震動(dòng)反應(yīng)最大的部位在壩體頂部。動(dòng)力有限元壩坡穩(wěn)定分析成果也表明，地震過(guò)程中下游壩坡頂部淺層滑弧安全系數(shù)較小。因此在高程2 802 m至壩頂范圍內(nèi)的堆石體內(nèi)需施加抗震措施，以加強(qiáng)壩體上部區(qū)域壩殼的整體性，提高抗震性能。因“壩面混凝土框格梁+壩內(nèi)鋼筋”的方案對(duì)壩頂表層及整體滑動(dòng)抑制作用明顯，可研階段大壩下游壩坡采取的抗震措施為“壩面混凝土框格梁+壩內(nèi)鋼筋+干砌石護(hù)坡”。壩面混凝土框格層距3 m，間距3 m，混凝土框格上下游方向長(zhǎng)1 m，寬和高均為0.6 m，壩內(nèi)錨筋按層距3 m、間距1.5 m布置，直徑25 mm，長(zhǎng)30 m，壩面與框格梁錨固在一起，壩內(nèi)與混凝土錨筋樁相連，混凝土錨筋樁尺寸為0.6 m×0.6 m×1 m。

技施階段考慮到可研階段的大壩下游壩坡采取的“壩面混凝土框格梁+壩內(nèi)鋼筋+干砌石護(hù)坡”的抗震措施施工較為復(fù)雜，混凝土框格梁施工影響大壩填筑進(jìn)度。為了簡(jiǎn)化大壩壩體抗震措施的施工工藝，根據(jù)抗震設(shè)計(jì)研究成果，并參考類(lèi)似工程的經(jīng)驗(yàn)，統(tǒng)籌考慮工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性，對(duì)大壩高程2 802 m以上的抗震措施進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

土石壩通常采用在堆石體內(nèi)加筋的措施來(lái)增加壩頂結(jié)構(gòu)的抗震穩(wěn)定性，主要有土工格柵、鋼筋網(wǎng)格、混凝土框格梁和釘結(jié)護(hù)面板等。

土工格柵作為特種土工合成材料，由于其良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、耐沖擊性以及便于施工等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于土石壩壩頂加固，以提高壩體的整體性和壩頂?shù)目拐鸱€(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(lái)，采用土工格柵加筋壩頂堆石已成為目前高土石壩抗震加固設(shè)計(jì)的主要方法之一。近年來(lái)，160 m高的青峰嶺水庫(kù)主壩加固工程、125.5 m高的冶勒瀝青混凝土心墻堆石壩、186 m高的瀑布溝心墻堆石壩和在建的240 m高的長(zhǎng)河壩心墻堆石壩、223.5 m高的猴子巖面板堆石壩等均已采用或擬采用土工格柵堆石加筋技術(shù)進(jìn)行壩頂抗震加固。土工格柵加筋堆石體結(jié)構(gòu)依靠土工格柵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，從而達(dá)到加固壩頂?shù)哪康摹Ｍ凉じ駯攀遣捎酶呙芏染垡蚁┗蚓郾┙?jīng)擠壓拉伸形成的新型土工合成材料，它在巖土工程中以加筋作用為主。土工格柵的加固效果主要體現(xiàn)在三個(gè)方面，包括：土工格柵縱肋和橫肋表面與堆石體的摩擦作用、堆石體對(duì)格柵肋的被動(dòng)阻抗作用和格柵的孔眼對(duì)堆石體的鑲嵌與咬合作用。土工格柵加筋性能優(yōu)異，其特殊的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)能防止填料局部下陷，可最大程度地減少壩體側(cè)向變形，增加土體的整體穩(wěn)定性能，因而被廣泛地應(yīng)用于土石壩加固工程中。國(guó)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)踐和試驗(yàn)研究表明，加筋土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性均優(yōu)于無(wú)筋土。

糯扎渡大壩采用了不銹鋼鋼筋網(wǎng)加固壩頂堆石，即：將上下游方向的主鋼筋與壩軸線方向的鋼筋焊接成網(wǎng)，分層鋪設(shè)在堆石體中。下游壩面采用條鋼焊接成網(wǎng)，并與壩內(nèi)鋼筋焊接相連，其加筋原理與土工格柵加筋堆石相同。鋼筋的剛度大，變形小，維系的加固力持久。

瀘定大壩上下游過(guò)渡區(qū)及堆石區(qū)設(shè)置水平抗震框格梁，框格梁為矩形斷面預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件，預(yù)制梁采用受力鋼筋與鋼絞線、卡扣連接，同時(shí)，壩體水平抗震框格梁與上下游壩坡面框格梁連接為整體。

吉林臺(tái)一級(jí)大壩下游壩坡上覆蓋了鋼筋混凝土板，通過(guò)錨筋與壩內(nèi)埋設(shè)的錨筋樁相連，以確保下游壩坡和防浪墻的穩(wěn)定。

也有專(zhuān)家主張采用鋼筋籠或其他有機(jī)合成材料籠加筋堆石的，但工程實(shí)踐中，考慮到筋籠與堆石碾壓可能相互干擾，因而目前還沒(méi)有應(yīng)用實(shí)例。

通過(guò)對(duì)壩體上部的“壩面混凝土框格梁+壩內(nèi)鋼筋”“土工格柵”等加固措施的比較，認(rèn)為土工格柵的鋪設(shè)受氣候環(huán)境影響小、施工簡(jiǎn)捷、快速，且對(duì)堆石壩的填筑施工進(jìn)度影響很小，加之土工格柵在類(lèi)似高土石壩中的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和在汶川大地震中起到了很好的抗震效果。確定卡基娃大壩下游壩坡的抗震措施調(diào)整為“壩內(nèi)土工格柵+漿砌塊石”，土工格柵埋設(shè)高程范圍為2 820～2 851.2 m，約為1/5壩高范圍，每層格柵垂直間距2.4 m，水平埋設(shè)深度20 m，高程2 800 m以上下游壩面護(hù)坡進(jìn)行加強(qiáng)，由1 m厚的干砌石護(hù)坡調(diào)整為1 m厚的M10漿砌石護(hù)坡。

3 動(dòng)力有限元法抗滑穩(wěn)定計(jì)算分析

考慮地震過(guò)程總壩體應(yīng)力的瞬時(shí)變化，計(jì)算出每一時(shí)刻壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，稱(chēng)之為“動(dòng)力有限元時(shí)程法”。動(dòng)力有限元時(shí)程法可以考慮巖土材料的不均勻性以及其非線性的應(yīng)力應(yīng)變特性，從合理性而言，動(dòng)力有限元時(shí)程法優(yōu)于擬靜力極限平衡法。為了檢驗(yàn)不同加筋方案的加固效果，計(jì)算大壩下游壩坡在地震過(guò)程中的動(dòng)力穩(wěn)定性，選取河床最大剖面，對(duì)“壩內(nèi)無(wú)加筋方案”“壩面混凝土框格梁+壩內(nèi)鋼筋+干砌石護(hù)坡方案”(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“鋼筋加筋方案”)和“壩內(nèi)土工格柵+漿砌石護(hù)坡方案”(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“土工格柵加筋方案”)運(yùn)用動(dòng)力有限元時(shí)程法計(jì)算出壩坡的靜應(yīng)力和每一瞬時(shí)的動(dòng)應(yīng)力，然后根據(jù)單元的靜動(dòng)應(yīng)力計(jì)算整個(gè)地震過(guò)程中每一時(shí)刻的最小安全系數(shù)并搜索最危險(xiǎn)滑裂面，當(dāng)安全系數(shù)小于1時(shí)，自動(dòng)激活Newmark法進(jìn)行滑移量分析。

3.1 計(jì)算方法

在常規(guī)動(dòng)力有限元時(shí)程法的基礎(chǔ)上，考慮了土工格柵或鋼筋的作用，即：將堆石體采用等參單元離散，采用強(qiáng)度等效和模量等效的原則，土工格柵或鋼筋采用桿單元離散，建立加固后大壩的有限元模型，分別計(jì)算出大壩的震前應(yīng)力和地震時(shí)每一瞬時(shí)的動(dòng)應(yīng)力，假定破壞時(shí)土工格柵或鋼筋的拉力沿滑弧的切向作用。安全系數(shù)計(jì)算示意如圖1所示。

圖1 安全系數(shù)計(jì)算示意

根據(jù)單元的靜動(dòng)應(yīng)力疊加成果可對(duì)大壩進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，其安全系數(shù)為：

(1)

式中，ci、φi分別為第i單元土體的凝聚力和內(nèi)摩擦角；li為第i單元滑弧面的長(zhǎng)度；∑f為土工格柵或鋼筋的拉力；∑F為土工格柵或鋼筋的抗拉強(qiáng)度，計(jì)算時(shí)取HRB400鋼筋的極限抗拉強(qiáng)度為540 MPa，土工格柵每延米縱向拉伸力取120 kN(格柵的極限抗拉強(qiáng)度)。σni、τi分別為第i單元滑弧面上法向應(yīng)力和切向應(yīng)力，表示為下式：

(2)

(3)

3.2 計(jì)算成果分析

地震作用下，各方案壩坡穩(wěn)定動(dòng)力計(jì)算成果見(jiàn)表1，抗震措施和最小安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的滑弧如圖2～4所示。

由壩坡抗滑穩(wěn)定動(dòng)力有限元計(jì)算成果可知，在無(wú)加筋方案中，設(shè)計(jì)地震和校核地震工況下游壩坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的安全系數(shù)分別為1.31和0.79，滑弧位置較淺，設(shè)計(jì)地震作用下安全系數(shù)大于1，壩坡不會(huì)發(fā)生滑移。校核地震作用時(shí)，下游壩坡穩(wěn)定性較差，采用Newmark滑塊法計(jì)算得到壩頂部壩坡淺層的累積最大滑移量為2.6 cm，安全系數(shù)小于1的時(shí)間0.56s，下游壩坡滑動(dòng)僅限于堆石體表層約8m范圍內(nèi)，并不影響大壩的整體穩(wěn)定性。加筋后壩體整體性得到加強(qiáng)，下游壩坡潛在滑動(dòng)面最小安全系數(shù)得到較大幅度的提高，最小安全系數(shù)均大于1，表明加固后下游壩坡將不會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)滑移，大大提高了壩坡的抗震穩(wěn)定性；最危險(xiǎn)滑動(dòng)面位置向壩體內(nèi)部發(fā)展，滑弧位置較深，土工格柵加筋方案設(shè)計(jì)地震和校核地震工況下游壩坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的安全系數(shù)分別為1.52和1.08，鋼筋加筋方案設(shè)計(jì)地震和校核地震工況下游壩坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的安全系數(shù)分別為1.57和1.15。從最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的位置可以看出，加筋后壩體下游最危險(xiǎn)滑弧穿過(guò)加筋體內(nèi)部，加筋前的最危險(xiǎn)滑動(dòng)體的穩(wěn)定性得到較大改善。

表1 壩坡穩(wěn)定動(dòng)力計(jì)算成果

圖2 無(wú)加筋方案最危險(xiǎn)滑弧位置(單位：m)

圖3 鋼筋加筋方案最危險(xiǎn)滑弧位置(單位：m)

圖4 土工格柵加筋方案最危險(xiǎn)滑弧位置(單位：m)

由于鋼筋加筋方案剛度大，對(duì)壩頂表層及整體滑動(dòng)抑制作用優(yōu)于土工格柵加筋方案，但土工格柵加筋方案也能滿足卡基娃大壩下游壩坡抗震的要求，與鋼筋加筋方案相比，下游壩坡抗震安全性相差不大，也滿足規(guī)范要求。故卡基娃大壩下游壩坡抗震工程措施由“壩面混凝土框格梁+壩內(nèi)鋼筋+干砌石護(hù)坡”方案優(yōu)化為“土工格柵+漿砌石護(hù)坡”方案是合適的，大壩完全可以抵御超設(shè)計(jì)地震荷載的考驗(yàn)。優(yōu)化方案可以簡(jiǎn)化施工工藝，減小對(duì)大壩填筑進(jìn)度的影響，并節(jié)省工程投資1 120萬(wàn)元。

4 結(jié) 語(yǔ)

目前高土石壩抗震設(shè)計(jì)大多采用堆石加筋技術(shù)加固壩頂，但如何準(zhǔn)確評(píng)價(jià)堆石加筋對(duì)提高高土石壩抗震安全的工程效果是設(shè)計(jì)人員非常關(guān)注的問(wèn)

題。本文結(jié)合卡基娃面板壩，對(duì)堆石加筋壩坡的抗震安全評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了初步地研究與探討，得到以下結(jié)論：

(1)堆石加筋技術(shù)且可顯著地改善高土石壩壩頂部分的抗震性能。以卡基娃面板壩為例，加筋堆石提高抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最高可達(dá)46%。

(2)對(duì)Ⅶ度地震設(shè)防的土石壩，可采用土工格柵加筋技術(shù)加固壩頂，既經(jīng)濟(jì)又可靠；對(duì)Ⅷ度以上地震設(shè)防的土石壩，可采用“土工格柵+混凝土框格梁”的復(fù)合加筋技術(shù)加固壩頂，以更有效地增強(qiáng)壩頂?shù)目拐鸱€(wěn)定性。

(3)加筋堆石體施工引起的筋材損傷及筋材強(qiáng)度變形特性的改變和加筋體的技術(shù)性能要求、布置間距等均需進(jìn)一步深入研究。