楊正權，王 龍，趙劍明，劉小生，劉啟旺，林 建

(1.中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038) 2.新疆新華葉爾羌河流域水利水電開發(fā)有限公司，新疆 喀什 844000)

當前高土石壩在我國水電建設工程中舉足輕重，高土石壩建設中出現(xiàn)的抗震問題更加復雜化，高土石壩的抗震研究工作成為了我國壩工研究的重點之一[1- 2]。尤其在“汶川”大地震之后，我國西部地區(qū)的高壩抗震問題更是成為全民關注的焦點。高土石壩在地震作用下的動力反應性態(tài)、大壩的極限抗震能力以及在極端地震影響下的震損過程與機制，都是科研人員亟需探索的問題。

目前已有許多研究高土石壩動力反應特性的理論分析和計算方法。然而實際經歷過強烈地震的高土石壩數(shù)量極少，也鮮見有因強烈地震產生壩體嚴重破壞情況的實際研究數(shù)據(jù)和資料，因此很難對已有的理論方法和計算程序加以證明和完善[3- 5]。開展高土石壩震害模擬的大型振動臺模型試驗，不僅能夠為上述理論方法和計算程序驗證提供依據(jù)，也可以通過研究模型壩地震動力反應特性來研究原型大壩的相應特性[6- 9]，為大壩抗震設計提供依據(jù)。

本文論述了阿爾塔什高面板壩大型振動臺模型試驗的基本情況，包括模型設計與制作、試驗內容與方法等，并總結了主要試驗成果和研究結論。大壩模型試驗的研究成果不但可以為工程的抗震設計提供技術支撐，同時也是驗證和完善大壩地震動力反應分析方法和計算程序的重要資料。

1 試驗模型

1.1 原型壩概況

阿爾塔什高面板壩壩軸線長度為795.0m，壩頂高程為1825.80m，壩頂寬度為12.0m，最大壩高164.8m，上游壩坡坡比1∶1.7，下游壩坡坡比為1∶1.6，大壩直接建設在最大厚度94.8m的河床覆蓋層上。壩址區(qū)的基本地震烈度為8度，大壩抗震設計烈度為9度，對應100年超越概率2%的設計地震動峰值加速度為320.6g。大壩典型橫斷面如圖1所示。

圖1 大壩典型橫斷面圖

1.2 模型壩設計

模型試驗采用實際筑壩土石料作為模型壩料。由于原型筑壩砂礫料和爆破料粒徑較大，需對原型筑壩材料進行大比例縮尺。模型試驗中控制模型壩料的最大粒徑為20mm，為最大程度模擬實際填筑壩料的級配特性，采用相似級配法和等量代換法綜合確定模型壩填筑料級配。對于原型壩面板中的鋼筋，在模型壩中則采用聚乙烯絲網來模擬。

結合模型試驗振動臺規(guī)模(6m×6m)、載重量(80t)及原型壩壩高259.6m(覆蓋層也作為壩體的一部分)實際情況，確定本次模型試驗三維整體模型和二維壩段模型的壩高均為1.3m，原型與模型壩的幾何比尺為Cl=199.69。基于重力場中土石壩振動臺模型試驗相似律[6]，確定模型試驗相似常數(shù)，匯總見表1。

表1 模型試驗相似常數(shù)匯總

對于壩段模型采用最大斷面作為控制橫斷面，長度2.2m，圖2為壩段模型的控制斷面圖；對于整體模型選擇原型壩的10個控制斷面縮尺后作為模型壩的控制斷面，圖3為三維整體模型的部分斷面圖。

圖2 壩段模型斷面圖

圖3 整體模型部分斷面圖

1.3 模型壩制作

1.3.1模型箱

整體模型近似地把基巖和壩肩山體作為剛度較大的整體剛性結構考慮，參照已選定的原型壩10個典型控制斷面按幾何縮尺來設計制作模型箱體(河谷和兩岸)。模型箱體的制作材料為鋼板，通過各個三角形鋼板單元以焊接的方式連接成為河谷形狀。

和坐落于基巖上的土石壩不同，阿爾塔什高面板壩建設在最大厚度94.8m的河床覆蓋層上。為了模擬覆蓋層地基截斷后近域地基和遠域地基的動力相互作用[10]，在模型箱與覆蓋層地基接觸部分加設了橡膠墊層，用以模擬遠域地基對大壩-覆蓋層地基系統(tǒng)地震響應的“輻射阻尼效應”。

1.3.2基巖河谷

模型壩體坐落的基巖上，基巖則是由在焊接成型的鋼板內部澆筑混凝土而成，澆筑的模板采用前述10個控制斷面組成的鋼板。同時為了提高支模準確性，采用專業(yè)軟件對縮尺后河谷進行三維的幾何構造，用于輔助設計制作模型模板?；炷翝仓幕鶐r與焊接于鋼板內側鋼筋連為一體，目的是保證混凝土河谷模型自振頻率為模型壩自振頻率的2倍以上[10]。澆筑完成后的三維河谷模型如圖4所示。

圖4 制作完成的三維河谷模型

1.3.3壩體填筑

為保證模型壩體填筑質量，依據(jù)河谷及10個控制斷面形狀將模型壩分9層填筑，圖5(a)為壩體填筑分層示意圖。壩料填筑前，先在模型箱內的基巖表面標出各層的填筑高度控制線，按模型壩的控制填筑密度分層計算各層壩料重量。圖5(b)為實際填筑過程情況。

圖5 整體模型壩體分層填筑

1.3.4壩坡和面板

為保證模型壩與原型壩坡度一致，上、下游壩坡用預制模板設定的斜度來進行控制。對于模型壩混凝土面板澆筑主要由以下3個環(huán)節(jié)進行控制：①澆筑前對上游壩坡進行整平；②將用來模擬混凝土面板中鋼筋作用的聚乙烯絲網展開均勻鋪設于壩坡表面；③將按配比制作而成的混凝土澆筑于壩坡和聚乙烯絲網上。為了模擬面板縫對面板動力反應特性的影響，參考實際設計，沿順坡向設置了面板垂直縫，制作完成的整體模型壩上游壩坡如圖6所示。

圖6 制作完成的整體模型壩上游壩坡

2 試驗內容

大壩振動臺模型試驗重點作了以下幾方面的試驗測試：①在壩體結構內部和淺層布設加速度傳感器，測試壩體不同部位的地震加速度動力反應；

②在壩頂和壩坡上布置位移測量點，測試大壩表層各點在地震中的殘余變形；③在面板不同高度布設應變測點測量面板應變值，進而根據(jù)混凝土的應力應變關系推求出各點的應力時程；④觀察壩體的動力反應情況和地震破壞過程。

2.1 壩體加速度反應

整體模型壩選取靠近河床中央的0+2175.9斷面(六號斷面)作為加速度反應測量的主控制斷面，圖7為主控制斷面內和壩體表面加速度測點布置情況。平面圖中與壩軸線方向平行的線為各填筑層面與壩坡交線的水平投影，與壩軸線垂直方向的線為控制斷面位置線；橫斷面圖中，水平虛線為分層填筑界面線。圖中編號數(shù)值為測點編號，x、y、z分別表示順河水平方向。圖8給出了壩段模型加速度測點布置情況。

圖7 整體模型部分加速度測點分布圖

圖8 壩段模型部分加速度測點分布圖

2.2 壩體地震殘余變形

模型壩壩體地震殘余變形通過在壩頂和下游壩坡布置的位移測點測量壩坡表面位移變形的方式量測，將測點固定于壩坡表面，然后在模型箱上固定基準線，通過量測測點和基準線之間的位移來獲得壩坡表面的地震殘余變形情況，圖9為整體模型和壩段模型表面殘余變形測點布置情況。

圖9 壩坡表面位移測地測點分布圖

2.3 面板應變

上游面板的應變反應通過測點應變片來獲得。所有測點應變片使用同一批次的BX120- 5AA型電阻應變片，其電阻約為120Ω，絲柵5mm×3mm。應變片固定前需對角度和高度進行劃線定位。黏貼時先用砂布將面板表面磨平拋光，而后用膠黏劑將應變片黏固。

整體模型的應變片主要設置在靠近河床中心的六號控制斷面(0+2175.9斷面)上，另外在山谷地勢起伏較大的三號斷面(0+821.1斷面)和八號斷面(0+3125.5斷面)上，應變片自壩頂向壩趾布置于各填筑層的中間高程上。對于壩段模型在河谷中間和靠近中間位置布置了兩條測線。圖10給出了整體模型和壩段模型面板應變測點的具體布置情況。

圖10 應變測點分布圖

2.4 壩體反應現(xiàn)象

模型壩動力反應現(xiàn)象和過程主要通過以下兩方面加以考察：①對模型壩動力反應現(xiàn)象加以觀測，主要是在振動過程中記錄壩體振動破壞情況；②根據(jù)布置的位移測點對模型壩體殘余變形進行測量。

3 試驗方案

3.1 輸入地震動

大壩振動臺模型試驗輸入的地震波包括白噪聲、不同壓縮比的壓縮場地地震波和壓縮規(guī)范地震波，圖11為歸一化的場地地震波和規(guī)范地震波的地震動時程曲線對比。

圖11 試驗輸入地震動時程

3.2 工況設計

對整體模型，按照地震動輸入類型和輸入方向的差異共設計了29個方案，每個工況又根據(jù)輸入的不同加速度峰值細分了若干個數(shù)量不等的小工況，共計72個。對壩段模型，輸入的地震動設計工況與整體模型基本保持一致。通過壩體模型測試蓄水對壩體動力反應特性的影響，因此在空庫試驗工況后又進行了滿庫蓄水工況的試驗。空庫條件下設置了25個方案、52個小工況的試驗，滿庫條件下設置了16個方案、36個小工況的試驗。地震動的輸入順序為先小震后大震，振動方向為先單向后多向，在每個振動工況前均采用白噪聲對壩體進行掃頻。

4 試驗成果

(1)模型壩在初始未經強震作用時，其順河水平向一階自振頻率為30.0Hz左右，推算原型壩為1.09Hz左右。隨著白噪聲激振強度的增加，壩體自振頻率減小，其阻尼比也隨激振白噪聲強度的增加而提高，體現(xiàn)了土石材料明顯的非線性特征。大壩自振頻率變化同振動歷史密切相關，加速度峰值較低的地震動基本不會使壩體自振頻率發(fā)生顯著變化，而較強地震則會使大壩自振頻率明顯降低，阻尼比顯著增加。水庫蓄水后，大壩的自振頻率相對比較空庫時略有上升。整體模型壩初始振動時主要測點順河水平向一階自振頻率和阻尼比匯總見表2。

表2 整體模型壩初始振動時的一階自振頻率和阻尼比匯總

(2)隨著輸入地震動強度的提高，壩體加速度反應放大倍數(shù)變小，表現(xiàn)出了土石材料結構動力響應的非線性特性。下游壩坡的表層加速度放大效果比較明顯，由于上游壩坡受到面板的保護，加速度放大效果較下游邊坡略小。豎直方向上，加速度反應最為強烈的是壩頂至3/4壩高區(qū)域。加速度反應的這一空間分布規(guī)律表明有必要對壩頂和下壩坡表面進行重點加固防護。圖12給出了壓縮場地波作用下，不同幅值地震動作用下整體模型壩中心線上加速度放大倍數(shù)沿壩高方向的對比。

圖12 不同幅值地震動作用下整體模型壩中心線上加速度放大倍數(shù)沿壩高方向的對比

(3)在地震作用下，充分壓實的模型壩壩體各向殘余變形值較小，在達到校核水準的多向地震的作用下，壩頂最大沉降變形值在總壩高的1%之內。同等地震作用下，采用了抗震阻滑鋼筋和混凝土框格梁加砌石護坡等抗震增強措施后，下游壩坡表面的地震殘余變形顯著降低。

(4)空庫時，面板的大主應力、剪應力和大主應變峰值都發(fā)生在靠近壩頂處，而小主應力、小主應變的峰值都出現(xiàn)在約0.6倍壩高處；滿庫蓄水時，面板的大、小主應力，大、小主應變和剪應力峰值都發(fā)生在約0.6倍壩高處。

(5)極端地震作用下，壩坡表面堆石料塊石由于地震作用脫離原位、順坡滑移造成壩坡表面松動、整體結構性變差，引發(fā)大面積的壩料順坡滑移，進而造成了大面積壩坡淺層滑動，導致壩坡表層發(fā)生破壞。抗震阻滑鋼筋和混凝土框格梁加砌石護坡的抗震措施體系，可以顯著提升下游壩坡在地震作用下的穩(wěn)定性和大壩的整體抗震性能。圖13給出了極端地震作用下作用下，有無抗震措施時大壩下游壩坡地震破壞情況的對比。

圖13 有無抗震措施時大壩下游壩坡地震破壞情況的對比

5 結語

本文論述了阿爾塔什高面板壩大型振動臺模型試驗的基本情況，包括模型設計與制作、試驗內容與方法等，并總結了主要試驗成果和研究結論。大壩模型試驗的研究成果不但可以為工程的抗震設計提供技術支撐，同時也是驗證和完善大壩地震動力反應分析方法和計算程序的重要資料。主要的研究結論為：

(1)依據(jù)振動臺模型試驗相似率設計、制作了幾何比尺為1/199.69(模型壩高為130cm)的阿爾塔什高面板壩整體模型和壩段模型。

(2)對整體模型進行了不同輸入地震波類型、不同加速度幅值和不同輸入方向共29個方案、72個小工況的振動試驗；對壩段模型進行了不同蓄水條件、不同輸入地震波類型、不同加速度幅值和不同輸入方向共41個方案、88個小工況的振動試驗。

(3)基于振動臺模型試驗成果，研究了模型壩的結構動力特性、加速度反應特性、殘余變形特性和破壞模式等相關特征參數(shù)和變化規(guī)律，并通過模型試驗相似率推求了原型大壩的有關參數(shù)和變化規(guī)律，還論證了大壩設計抗震加固措施的有效性。

(4)大壩結構的動力特性同輸入地震動的強度和振動歷史相關，地震強度及頻譜特性、蓄水等因素對大壩結構的地震反應特性有重要影響，大壩在設計地震作用下的地震殘余變形量值較小，抗震阻滑鋼筋和混凝土框格梁加砌石護坡的大壩抗震加固措施體系可以有效提升大壩的抗震性能。