王櫻畯，王愛林，趙 琳

（1.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，杭州 311122；2.浙江省抽水蓄能工程技術(shù)研究中心，杭州 311122）

0 前言

我國西部、西南部等地區(qū)處于地震活動頻繁和多發(fā)地帶，已建、在建和正在設(shè)計中的高堆石壩工程往往存在強震的地質(zhì)構(gòu)造背景、斷裂帶等。經(jīng)歷“5.12”汶川大地震后，按照現(xiàn)代工程技術(shù)建造的紫坪鋪等大壩遭受遠遠超過原設(shè)計標準的地震強度，產(chǎn)生的震害輕微，發(fā)生的震害尚具備可修復性，表明在現(xiàn)行技術(shù)和標準同時保證施工質(zhì)量的前提下，建設(shè)高堆石壩具有良好的抗震性能，也大大增強了我們在強震區(qū)建設(shè)高堆石壩的信心[1]。

提高高堆石壩抗震性能的有效措施之一是減少和控制地震時壩體變形，因此國內(nèi)歷來對壩體變形控制非常重視，其途徑是提出較為嚴格的密實度指標、級配曲線，施工時采用重型振動碾、薄層碾壓等，以期增加堆石體的整體壓縮模量，并對壩體較高部位采取有效抗震構(gòu)造措施[2-3]。但是，高堆石壩防滲面板的抗震性能也是需要重視的，若是地震時發(fā)生一定程度的破壞，比如面板垂直縫擠壓破壞、張拉裂縫、止水破壞等，造成水庫大壩滲漏量增加，不僅成為大壩運行的重大隱患，更可能放空檢修或降低水位運行，從而帶來不可估量的經(jīng)濟損失[4]。

本文依托某在建抽水蓄能電站的上水庫主壩高堆石壩工程，對防滲面板在地震工況下的工作性態(tài)開展了深入研究和論證工作。在建立整體有限元模型網(wǎng)格基礎(chǔ)上，合理確定計算參數(shù)及計算模型，得到面板動應(yīng)力、變形及接縫變形成果。通過深入分析提出合理可行的工程措施，保證防滲面板安全可靠運行，可為類似工程建設(shè)提供指導或借鑒。

1 工程概況與計算模型

1.1 工程概況

1.1.1 總體布置

某抽水蓄能電站樞紐由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房及地面開關(guān)站等建筑物組成，屬一等大（1）型工程。上水庫流域面積約0.63 km2，由主壩、副壩和庫周山嶺圍成。正常蓄水位267.00 m，死水位239.00 m，總庫容1748 萬m3（相應(yīng)于校核洪水位），有效庫容1577萬m3。主、副壩壩型均為混凝土面板堆石壩，壩頂高程272.40 m，主壩最大壩高182.30 m，壩頂長度811.45 m，壩頂寬度10.0 m，上游面坡比1：1.4，下游面240 m 高程以上坡比為1：1.9，以下1：1.8，下游壩坡每隔35 m 設(shè)一級馬道，馬道寬3 m。副壩最大壩高36.60 m，壩頂長度194.00 m，壩頂寬度8.5 m。

庫盆由一庫底大平臺及庫周1：1.4 坡比的開挖坡形成，平臺高程237.00 m。開挖后采用“庫岸混凝土面板+庫底厚1.5 mm 的HDPE 土工膜”防滲。上水庫沿庫周設(shè)庫岸公路，路面高程272.40 m，路面寬度8.5 m，總長約3.0 km（含壩頂公路）。

上水庫大壩及庫底填筑需要的石料，從庫盆石料場開采，其中B區(qū)石料場玢巖巖脈發(fā)育，開采的弱、微風化白云巖與玢巖混合料用于下游堆石及庫底填筑。上水庫主壩和庫盆填筑量近3000萬m3。

1.1.2 壩體分區(qū)

如圖1 所示，大壩混凝土防滲面板下的壩體填筑材料分成墊層區(qū)、過渡區(qū)、上游堆石區(qū)、下游堆石區(qū)等。墊層區(qū)及過渡區(qū)坡比均為1：1.4，水平寬度分別為3.0 m、5.0 m。大壩混凝土面板與庫底土工膜之間采用連接板銜接，連接板頂高程為237.00 m，其下游設(shè)特殊墊層區(qū)，過渡區(qū)。上、下游堆石區(qū)之間分界坡比為1：0.5（傾向下游）。

圖1 上水庫主壩典型斷面圖（單位：m）Fig.1 Typical section of main dam of upper reservoir(unit:m)

為保證壩體排水，在下游堆石料下部設(shè)置堆石排水層，岸坡部位排水層厚3.0～5.0 m，河床部位厚8.0 m，河床寬約150 m。壩體及岸坡滲水由岸坡向河床部位匯集后，沿河床流向下游，并引至主壩壩后棄渣場溝底設(shè)置的排水箱涵。

1.1.3 防滲結(jié)構(gòu)

壩體的防滲結(jié)構(gòu)包括庫岸及大壩混凝土面板、庫底土工膜及混凝土連接板。面板混凝土強度等級為C30，抗?jié)B等級W8，抗凍等級F100。面板厚度0.40 m，承受最大水力梯度為75。面板采用單層雙向配筋，在面板撓曲變形較大部位和周邊縫、張拉縫附近適當配置加強鋼筋。

面板設(shè)置垂直縫，板塊寬度12 m，分張性縫和壓性縫兩種。面板與連接板之間接縫為周邊縫，與防浪墻之間接縫為防浪墻底縫。周邊縫、垂直縫內(nèi)均設(shè)兩道止水，底部止水銅片，頂部為塑性填料嵌縫。

庫底鋪設(shè)厚1.5 mm的HDPE土工膜，與大壩防滲面板采用連接板連接，連接板寬6 m，厚0.6 m，用角鋼將土工膜固定。

1.2 計算參數(shù)及計算模型

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》GB18306-2015及場地地震安全性評價報告，本工程場地50 年超越概率10%的基巖地震動水平向峰值加速度為0.092 g，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ度。上下水庫大壩等壅水建筑物的抗震設(shè)防類別為甲類，抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度，取基準期100 年超越概率2%、1%的地震動參數(shù)作為設(shè)計、校核地震，加速度代表值0.20 gal、0.23 gal。

通過壩體填筑料靜動力特性室內(nèi)試驗，取得相應(yīng)的筑壩材料試驗指標。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，在地震工況下，混凝土材料的動態(tài)強度、動彈性模量可較其靜態(tài)標準值提高20%、50%，動態(tài)抗拉強度標準值取動態(tài)抗壓強度標準值的10%。

圖2 和圖3 為計算過程中采用的100 年超越概率2%和1%的場地譜基巖加速度時程曲線。各基巖加速度時程的時程數(shù)據(jù)采樣間隔0.02 s，持續(xù)時間為40.94 s。地震動輸入采用軸向、順河向和垂直向三向輸入，垂直向地震動輸入峰值加速度取水平向的2/3。

圖2 場地100年超越概率2%基巖加速度時程曲線Fig.2 Time history curve of bedrock acceleration with 100 years exceedance probability of 2%

圖3 場地100年超越概率1%基巖加速度時程曲線Fig.3 Time history curve of bedrock acceleration with 100 years exceedance probability of 1%

動力計算采用時程分析法，應(yīng)用等效線性粘彈性模型和逐步積分法模擬地震過程，分成若干時段進行分析。本次計算分析中采用了等效線性粘彈性模型，剪切模量和阻尼比隨著剪應(yīng)變的關(guān)系按沈珠江模型確定，從而考慮了堆石體動力變形的非線性性質(zhì)。為了反映面板與墊層之間的相互作用，設(shè)置接觸面單元，面板垂直縫采用分離縫單元模擬，可以張開和錯動；面板周邊縫接縫材料采用連接單元模擬。

計算分別考慮場地譜人工合成地震波和規(guī)范譜人工合成地震波，場地譜人工合成波由地震工程研究院提供，規(guī)范譜人工地震波根據(jù)規(guī)范譜人工合成。反應(yīng)譜βmax=2.25；場地類別為II，取特征周期Tg=0.30 s。

2 主要計算成果

2.1 面板動應(yīng)力與變形

表1～表2分別給出了場地譜及規(guī)范譜在設(shè)計和校核地震作用下，上水庫主壩面板順坡向應(yīng)力、面板壩軸向應(yīng)力和震后撓度。由表可以看出，規(guī)范譜地震下面板順坡向應(yīng)力、壩軸向應(yīng)力及震后撓度比場地譜小。

表1 場地譜及規(guī)范譜地震作用下面板順坡向應(yīng)力成果表Table 1 Results of stress along slope of slab under site spectrum and code spectrum earthquake

表2 場地譜及規(guī)范譜地震作用下面板壩軸向應(yīng)力和震后撓度成果表Table 2 Results of axial stress and post earthquake deflection of slab dam under site spectrum and code spectrum earthquake

圖5～圖10分別給出了場地譜設(shè)計地震作用下，上水庫主壩面板順坡向和壩軸向在地震過程中出現(xiàn)的最大動拉、壓應(yīng)力分布。計算表明：面板在地震過程中出現(xiàn)了較明顯的拉、壓應(yīng)力波動。順坡向動應(yīng)力主要受面板地震過程中撓曲變形的影響，頂部由于“鞭梢效應(yīng)”的影響，地震慣性力較大，面板順坡向瞬時彎曲應(yīng)力作用明顯；壩軸向動應(yīng)力主要受壩軸向加速度的影響。面板順坡向地震瞬間最大動拉應(yīng)力為1.90 MPa，最大動壓應(yīng)力為2.70 MPa，出現(xiàn)在面板中部。面板壩軸向地震瞬間最大動拉應(yīng)力為0.95 MPa，出現(xiàn)在轉(zhuǎn)折處的面板頂部，最大動壓應(yīng)力為1.25 MPa，出現(xiàn)在壩中面板中上部。

圖4 上水庫主壩三維有限元動力計算模型Fig.4 Three dimensional finite element dynamic calculation model of main dam of upper reservoir

圖5 蓄水期面板順坡向應(yīng)力（MPa）Fig.5 Slope stress of face slab during impoundment period（MPa）

圖6 蓄水期面板壩軸向應(yīng)力（MPa）Fig.6 Axial stress of concrete face dam during impounding period（MPa）

圖7 面板順坡向最大動拉應(yīng)力（MPa）Fig.7 Maximum dynamic tensile stress of face slab along slope（MPa）

圖8 面板順坡向最大動壓應(yīng)力（MPa）Fig.8 Maximum dynamic pressure stress of face slab along slope（MPa）

圖9 面板壩軸向最大動拉應(yīng)力（MPa）Fig.9 Maximum axial dynamic tensile stress of concrete face dam（MPa）

圖10 面板壩軸向最大動壓應(yīng)力（MPa）Fig.10 Maximum axial dynamic pressure stress of concrete face dam（MPa）

設(shè)計地震工況面板靜動應(yīng)力疊加如圖11～圖14所示。靜動應(yīng)力疊加后，面板順坡向最大壓應(yīng)力為3.60 MPa，最大拉應(yīng)力為1.15 MPa。面板壩軸向最大壓應(yīng)力為1.76 MPa，最大拉應(yīng)力為1.03 MPa。根據(jù)現(xiàn)行抗震規(guī)范的規(guī)定，在地震工況下，混凝土材料的承載力可較靜力工況下提高20%。因此動靜應(yīng)力疊加后沒有超過C30材料的允許強度，面板在地震中不至破壞。

圖11 面板順坡向靜應(yīng)力+最大動拉應(yīng)力（單位：MPa）Fig.11 Static stress along slope+maximum dynamic tensile stress of panel（unit：MPa）

圖12 面板順坡向靜應(yīng)力+最大動壓應(yīng)力（單位：MPa）Fig.12 Static stress along slope+maximum dynamic pressure stress of face slab（unit：MPa）

圖13 面板壩軸向靜應(yīng)力+最大動拉應(yīng)力（單位：MPa）Fig.13 Axial static stress+maximum dynamic tensile stress of concrete face dam（unit：MPa）

圖14 面板壩軸向靜應(yīng)力+最大動壓應(yīng)力（單位：MPa）Fig.14 Axial static stress+maximum dynamic pressure stress of concrete face dam（unit：MPa）

圖15 給出了地震后面板的撓度。由圖可見，由于深厚覆蓋層的影響，震后面板最大撓度依然發(fā)生在底部，最大撓度變形為22.1 cm，面板撓度約為壩高的0.11%。

圖15 面板震后撓度（單位：cm）Fig.15 Face slab deflection after earthquake（unit：cm）

2.2 接縫變形

表3 為上水庫主壩在設(shè)計和校核地震工況分別采用規(guī)范譜動輸入和場地譜動輸入時的震后接縫變位最大值。由表可見，隨著地震動輸入加速度的增大，接縫變形均有所增大。

表3 場地譜及規(guī)范譜地震作用下震后接縫位移成果表Table 3 Results of post earthquake joint displacement under site spectrum and code spectrum earthquake

場地譜設(shè)計地震作用下，上水庫主壩震后面板周邊縫變形見圖16～圖18。周邊縫三向變形震后都有所增大，最大張開為17.5 mm，位于樁號0+178 m 左右；最大錯動為8.8 mm，位于樁號0+158 m 附近；最大沉陷為16.9 mm，位于樁號0+248 m左右，接縫止水變形在允許范圍內(nèi)。

圖16 震后面板周邊縫張拉變形（單位：mm）Fig.16 Tension deformation of peripheral joint of panel after earthquake（unit：mm）

圖17 震后面板周邊縫錯動變形（單位：mm）Fig.17 Dislocation deformation of peripheral joint of panel after earthquake（unit：mm）

圖18 震后面板周邊縫沉陷變形（單位：mm）Fig.18 Subsidence and deformation of peripheral joints of panel after earthquake（unit：mm）

面板垂直縫震后變形增大，最大張開為5.0 mm，距離右岸30 m 左右；最大錯動為5.8 mm，位于樁號0+208 m 附近；最大沉陷為3.8 mm，距離右岸10 m左右，接縫止水變形在允許范圍內(nèi)。

3 面板及接縫極限抗震能力分析[5-7]

3.1 面板應(yīng)力分析

不同輸入基巖加速度峰值下上水庫大壩面板的應(yīng)力計算結(jié)果匯總于表4。由表4 可見，對于上水庫大壩，當輸入峰值加速度達到0.50 g 時，面板中順坡向最大靜動疊加拉應(yīng)力為2.29 MPa超過C30混凝土允許抗拉強度，此時面板拉應(yīng)力，壩軸向拉應(yīng)力較大部位主要集中在面板兩側(cè)，順坡向拉應(yīng)力較大部位主要集中在面板的中上部。因此從面板安全性角度來看，上水庫面板堆石壩極限抗震能力在0.40～0.50 g左右。

表4 不同峰值加速度下面板應(yīng)力特征值（單位：MPa）Table 4 Characteristic values of panel stress under different peak accelerations（unit：MPa）

3.2 接縫變形分析

表5 給出了不同峰值加速度下計算得到的震后面板周邊縫三向變位特征值。由于地震永久變形的影響，震后面板周邊縫位移將有所增加，且隨著地震強度的增大而增大。本工程接縫止水變形按張開50 mm、錯動25 mm、沉陷為80 mm 設(shè)計。為此，根據(jù)周邊縫的極限變形可以將上水庫的極限抗震能力定為0.6～0.7 g。

表5 不同峰值加速度下震后面板周邊縫變形特征值（單位：mm）Table 5 Characteristic values of deformation of peripheral joints of panel after earthquake under different peak accelerations（unit：mm）

雖然從面板、接縫安全性角度分析，上水庫面板極限抗震能力在0.40～0.50 g 左右，但這只是理論值，與工程實際可能存在一定的出入。大壩的極限抗震能力，目前沒有統(tǒng)一的標準可供參照，需要結(jié)合實際震害資料、模型試驗、動力分析等進行更多的探索性研究。面板、接縫的抗震能力，與墊層、堆石密實度、施工質(zhì)量、地震荷載與輸入方向、運行條件等多種因素有關(guān)。

4 計算成果分析及工程措施

（1）防滲面板位于大壩堆石體上，因此堆石體的變形控制，減小震陷對面板抗震安全性至關(guān)重要。主要工程措施是提高壩體壓縮模量。紫坪鋪大壩堆石壓縮模量達180 MPa，是大壩震陷較小的主要原因。因此，應(yīng)以控制面板撓度為目的限制震陷?？紤]到本工程大壩填筑高度大，抗震設(shè)防烈度高，可以在壩體頂部1/4～1/3 壩高范圍設(shè)置增模區(qū)，減小地震作用下堆石料的剪縮，以進一步減少震陷量[8-9]。

（2）計算分析表明，設(shè)計地震工況下，靜動應(yīng)力疊加后，面板順坡向最大拉應(yīng)力為1.15 MPa，壩軸向最大拉應(yīng)力為1.03 MPa，面板拉應(yīng)力分布區(qū)域較大，地震時存在開裂風險。為此，適當加大面板下墊層料細顆粒含量、保證足夠?qū)挾仁潜匾摹?/p>

謝拉德認為，面板下應(yīng)設(shè)置滲透系數(shù)較低，施工中又不產(chǎn)生顆粒分離的墊層料，既可起限漏作用，又可為面板水下堵漏創(chuàng)造條件[2]。高堆石壩的滲控設(shè)計中，應(yīng)要求墊層料起第二道防滲線的作用，本工程墊層料要求級配連續(xù)，小于5 mm 顆粒含量在30%～55%范圍較合適，其滲透性屬半透水。墊層料采用3 m 寬度，以提高滲流穩(wěn)定性，一旦在地震時面板受到破壞，能夠有效限滲和反濾。

（3）由于地震工況下，防滲面板受力欠佳，同時，結(jié)構(gòu)縫的表面塑性止水“V”型槽進一步削弱了面板斷面，因此應(yīng)在規(guī)范規(guī)定范圍內(nèi)盡量采用較厚面板，以降低面板拉應(yīng)力水平。面板厚度t=0.3～0.4+0.002～0.0035H（H為壩基至面板頂部高度，m），應(yīng)按照接近厚度計算公式的上限確定面板厚度。

混凝土面板一般采用單層雙向配筋，每向配筋率0.3%～0.5%，布置在面板中部。為防止地震發(fā)生時面板混凝土的擠壓破壞，在庫岸周邊縫和面板垂直縫附近可配置加強鋼筋，長度約1.5 m，雙層雙向配筋，置于面板的頂部和底部。

（4）計算表明，地震本身對面板接縫止水結(jié)構(gòu)的影響很小，本工程大壩在場地譜設(shè)計地震作用下，震后面板周邊縫最大張開17.5 mm，錯動8.8 mm，沉陷16.9 mm，變形在允許范圍內(nèi)。由于地震引起面板嚴重錯位導致接縫止水的二次破壞是要予以重視的，如紫坪鋪面板堆石壩在汶川地震后，大部分止水是有效的，在面板錯位較大部位，表面止水有所破壞。因此，對接縫設(shè)計進行優(yōu)化，加強止水結(jié)構(gòu)抗震性能還是必要的。

為避免地震產(chǎn)生面板的擠壓破壞，可在面板中部壓性縫內(nèi)填塞浸瀝青松木板，縫寬12 mm，以達到削減地震波的目的；面板垂直縫與周邊縫、防浪墻底縫之間銅止水片采用“T”字型異型接頭，要求整體沖壓成型；接縫止水材料應(yīng)是完全塑性的，能在水壓作用下擠入因地震而張開的縫腔，止水面膜有較大的強度和延伸率，能適應(yīng)地震沖擊波。

（5）本工程大壩堆石料采用庫內(nèi)開挖的弱、微風化白云巖，飽和抗壓強度40～60 Mpa，碾壓后破碎料高，大壩變形控制難度大；上水庫采用全庫盆面板防滲，在大壩與庫岸轉(zhuǎn)折處的面板受力復雜，地震工況下出現(xiàn)開裂、錯位等可能性大；本工程抗震設(shè)防烈度高，地震工況下面板的拉應(yīng)力區(qū)域大，受力復雜。因此，可進一步開展瀝青混凝土面板的適應(yīng)性研究。

5 結(jié)語

本文對某在建抽水蓄能電站上水庫主壩高堆石壩進行了地震工況下的動應(yīng)力與變形計算，并開展面板及接縫極限抗震能力分析，研究提出了控制壩體變形、壩頂設(shè)置增模區(qū)，適當加大面板下墊層料細顆粒含量，優(yōu)化面板及接縫結(jié)構(gòu)等工程措施。

瀝青混凝土面板由于具有較好的柔性，地震時面板應(yīng)力分布均勻，且在庫盆轉(zhuǎn)彎處可設(shè)置成曲線，總體對上水庫適應(yīng)性更好，可通過計算分析比較后得出明確結(jié)論。本文的研究思路、工程措施等，可為其他類似工程提供參考或借鑒。

高堆石壩抗震安全計算分析是涉及多因素、非線性、非連續(xù)的復雜問題，今后要加強防滲體局部損傷和漸進破壞機理研究，開展精細化計算，地震破壞全過程高仿真模擬等方面工作，以使計算成果更加接近工程實際，工程措施合理有效[10]。