強(qiáng)震區(qū)高拱壩抗震安全研究

王開拓，辛全才，馬金磊

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，712100，楊凌；2.水利部海河水利委員會海河下游管理局，301602，天津）

一、前 言

我國位于世界兩大地震帶——環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，受太平洋板塊、印度洋板塊和菲律賓海板塊的擠壓，地震斷裂帶十分發(fā)育，具有地震活動頻度高、強(qiáng)度大、震源淺、分布廣、破壞性強(qiáng)等特點。近幾年，全球地震災(zāi)害頻發(fā)，“5·12”汶川大地震、海地地震、智利大地震和“4·14”玉樹地震，對人類的生存、生活和基礎(chǔ)建設(shè)都造成了極大的威脅。汶川大地震后，大壩的抗震安全成為社會各界關(guān)注的焦點。我國水力資源總量十分豐富，而且我國水力資源的70%集中分布在西南地區(qū)、西北地區(qū)，這些地區(qū)的地形、地質(zhì)條件適宜修建高拱壩。我國西部已建或在建的一批高拱壩如表1所示。但是，這些地區(qū)也正是地震頻發(fā)的高烈度區(qū)，近年來壩址區(qū)還出現(xiàn)了高應(yīng)力、高邊坡、大型地下隧洞和廠房等新的特點。地震成為高拱壩設(shè)計的控制工況，水庫大壩的抗震安全成為最突出的問題。當(dāng)前，強(qiáng)震區(qū)高烈度區(qū)的高拱壩抗震設(shè)計理論研究還落后于高拱壩工程建設(shè)的步伐，這使得研究解決強(qiáng)震區(qū)高拱壩的抗震安全問題十分迫切。

表1 我國西部地區(qū)已建和在建的重要高拱壩

二、高拱壩地震破壞機(jī)理研究

高拱壩地震破壞機(jī)理是保證其抗震安全所要關(guān)注的首要問題，而拱壩壩肩巖體的抗滑穩(wěn)定則是拱壩壩體結(jié)構(gòu)安全的基本前提。因此強(qiáng)震區(qū)高拱壩的地震破壞應(yīng)該包括高拱壩壩體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞和壩肩巖體的穩(wěn)定破壞兩個方面。

1.壩體強(qiáng)度的地震破壞機(jī)理

目前拱壩設(shè)計規(guī)范規(guī)定，設(shè)計主要受控于用拱梁分載法求出發(fā)生在壩體的最大主壓應(yīng)力和最大主拉應(yīng)力須分別符合規(guī)定的容許壓應(yīng)力和容許拉應(yīng)力，而控制標(biāo)準(zhǔn)則是一種與材料強(qiáng)度無關(guān)的經(jīng)驗指標(biāo)，難以真實反映壩體內(nèi)部的剪切破壞。

地震作用是破壞強(qiáng)震區(qū)高拱壩的主要荷載，動力放大效應(yīng)在壩體上會出現(xiàn)最大可達(dá)7～8MPa的動拉應(yīng)力，遠(yuǎn)超過混凝土的極限抗拉強(qiáng)度。拱壩各壩段間經(jīng)灌漿的伸縮縫抗拉強(qiáng)度極低，由靜水荷載在此處產(chǎn)生的壓應(yīng)力很小，使得伸縮縫在壩面發(fā)生局部的反復(fù)張開和閉合，拱壩上部不再是整體結(jié)構(gòu)，應(yīng)力將重新分布，導(dǎo)致拱向地震拉應(yīng)力大幅度降低，局部梁向應(yīng)力增加，不利于拱壩的整體穩(wěn)定，同時也削弱了拱壩的抗震安全性。

大壩混凝土材料動力性能的研究是影響拱壩壩體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度地震破壞機(jī)理的第二個重要的因素。強(qiáng)震區(qū)高拱壩自頻較低，但是混凝土等級較高，在1/4周期達(dá)到材料極限強(qiáng)度的加速度仍可達(dá)到20 MPa/s，比常規(guī)靜態(tài)試驗中采用的0.4 MPa/min提高近3 000倍。國外和我國少量混凝土材料的動強(qiáng)度試驗資料表明，動態(tài)強(qiáng)度可較靜態(tài)時提高30%以上，表明靜態(tài)下混凝土材料的強(qiáng)度不能準(zhǔn)確分析地震作用下的混凝土大壩安全，因此混凝土材料動力特性試驗對研究高拱壩地震破壞機(jī)理，并提出確定的大壩混凝土抗震動態(tài)指標(biāo)，對高拱壩的抗震設(shè)計具有重要意義。

2.壩肩巖體的地震破壞機(jī)理

高拱壩是一個復(fù)雜的高次超靜定不規(guī)則殼體結(jié)構(gòu)，與重力壩相比，拱壩對地形地質(zhì)條件特別是兩岸壩肩地質(zhì)條件要求較高，在水壓力作用下壩體的穩(wěn)定不需要依靠本身的重量來維持，因為拱壩的水推力、溫度荷載等外力最終傳遞到兩岸壩肩，主要是利用拱端基巖的反作用來支撐。在強(qiáng)烈的地震中，拱壩兩岸壩肩巖體的失穩(wěn)滑動或嚴(yán)重破壞引發(fā)潰壩的可能性非常高?，F(xiàn)階段壩肩巖體的地震破壞機(jī)理的主要研究方法是根據(jù)相似原理采用模型試驗。由周秋景等對四川銅頭拱壩、金沙江溪洛渡高拱壩、構(gòu)皮灘拱壩、江口雙曲拱壩以及小灣拱壩模型試驗的總結(jié)分析，得出拱壩的破壞形式不盡相同，但壩肩破壞機(jī)理可分為兩類：一類是由于壩肩巖體開裂或者壩肩變形過大最終導(dǎo)致壩體失去承載能力；另一類是因壩體材料強(qiáng)度不夠?qū)е聣误w自身出現(xiàn)裂縫，且不斷擴(kuò)張影響到壩肩，最終使得壩體結(jié)構(gòu)整體破壞。

三、高拱壩抗震設(shè)計理念的完善

1.抗震評價準(zhǔn)則

抗震評價準(zhǔn)則是高拱壩抗震安全分析的依據(jù)，對于新建的大壩工程，大多數(shù)國家都制定有建筑物的抗震安全條例。1989年世界大壩委員會頒布的現(xiàn)行抗震安全指南中指出，大型壩必須能經(jīng)受壩址處發(fā)生最大可信 地 震 MCE （Maximum Credible Earthquake）而引起的最大地面運動。這就意味著要求最大可信地震MCE震后大壩可遭受一定程度的震害，但又不會使水庫發(fā)生無法控制的泄水災(zāi)難。所謂高拱壩抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)主要是指高拱壩工程設(shè)計地震或校核地震在基準(zhǔn)期內(nèi)發(fā)生該地震的超越概率?，F(xiàn)在在國際上逐步采用兩級或者分級抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，如美國大壩抗震采用運行基準(zhǔn)地震OBE（Operational Basis Earthquake）及最大設(shè)計地震MDE （Maximum Design Earthquake）兩級設(shè)防：要求運行基準(zhǔn)地震OBE，震后結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞或僅有輕微破壞而能夠繼續(xù)運行且易于修復(fù)；要求最大設(shè)計地震MDE，震后大壩不發(fā)生災(zāi)難性破壞。汶川大地震后，水電水利規(guī)劃設(shè)計總院對我國現(xiàn)行大壩抗震標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了復(fù)核，對于1級擋水建筑物在設(shè)計地震的基礎(chǔ)上增加了校核地震，即將規(guī)范中采用一級設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)期100年超越概率2%，再取基準(zhǔn)期100年超越概率1%或最大可信地震MCE動參數(shù)進(jìn)行校核，并要求進(jìn)行極限抗震能力分析。因此國外對大壩抗震設(shè)防的理念值得我們深入研究和借鑒，以完善高拱壩抗震的評價標(biāo)準(zhǔn)，按照安全性和經(jīng)濟(jì)性的原則使大壩的抗震設(shè)計更為實際，更為合理。

2.大壩混凝土材料動力特性研究

我國目前在常規(guī)拱壩抗震分析中將混凝土在地震作用下的動態(tài)強(qiáng)度與彈性模量取靜力情況下的1.3倍進(jìn)行分析，忽略加速度對其的影響。那么在混凝土材料的動力試驗中，混凝土材料的動態(tài)強(qiáng)度影響因素有混凝土的強(qiáng)度等級、混凝土試件的濕度、試驗設(shè)備、加載速率、加載方式、加載歷史和試件尺寸等。國內(nèi)外部分專家學(xué)者對此作了深入的試驗研究。20世紀(jì)50—60年代日本的火田野正在對混凝土動態(tài)強(qiáng)度試驗中發(fā)現(xiàn)，加載速率對其有重要的影響。1984年Raphael在五座混凝土壩中取樣進(jìn)行動力試驗，得到混凝土動態(tài)抗壓強(qiáng)度較靜強(qiáng)度平均提高31%，直接拉伸強(qiáng)度平均提高66%，劈拉強(qiáng)度平均提高45%，但是結(jié)果較為離散、粗糙。國內(nèi)對混凝土動態(tài)試驗的研究起步于1986年清華大學(xué)陳肇元等進(jìn)行的混凝土快速變形下的抗壓及抗拉性能試驗。目前國內(nèi)主要有中國水科院、清華大學(xué)、大連理工大學(xué)以及河海大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)和高校進(jìn)行相關(guān)研究。大連理工大學(xué)肖詩云等在分析高拱壩特點的基礎(chǔ)上，研究了應(yīng)變率和濕度條件分別對混凝土動態(tài)強(qiáng)度及變形特性的影響。近年來閆東明等對混凝土動態(tài)特性同樣進(jìn)行了大量試驗研究。

在此要說明應(yīng)當(dāng)注意的幾個問題。首先是關(guān)于加載速率的問題，現(xiàn)在很多有關(guān)混凝土動態(tài)強(qiáng)度的研究都是針對恒定的加載速率而進(jìn)行的，實際上在地震作用下大壩各部分所承受的應(yīng)變速率是不同的，同一部位不同時刻的應(yīng)變速率也不盡相同。第二是關(guān)于加載歷史的問題，實際壩體地震應(yīng)力應(yīng)該是在靜態(tài)應(yīng)力的基礎(chǔ)上疊加的，特別是對于高拱壩來說靜態(tài)應(yīng)力更大，因此不同初始荷載時的動強(qiáng)度試驗對高拱壩抗震設(shè)計意義重大。最后是有關(guān)試件尺寸的問題，當(dāng)前許多試驗是在骨料經(jīng)過濕篩后的試件上進(jìn)行的，與全級配大壩混凝土試驗有著明顯差異，所以說開展不同靜態(tài)預(yù)載水平下全級配大壩混凝土動態(tài)性能研究急需加強(qiáng)。

3.高拱壩抗震設(shè)計分析

對于強(qiáng)震區(qū)高拱壩的抗震設(shè)計，壩體必須滿足強(qiáng)度的要求，壩肩必須滿足穩(wěn)定的要求。當(dāng)前高拱壩抗震理論分析的主要方法可分為數(shù)值分析方法和模型試驗方法兩大類。

拱壩靜力分析的基本方法是試載法，動力分析的基本方法是拱梁分載法，壩肩穩(wěn)定分析的基本方法為剛體極限平衡法，有限單元法則作為動力分析校核的主要方法。目前已在大壩動應(yīng)力、變形分析中廣泛應(yīng)用數(shù)值分析的方法較多，并且可以作為高拱壩抗震分析的一種有效手段，大體可分為連續(xù)變形數(shù)值分析方法（有限單元法、邊界元法等）和非連續(xù)變形數(shù)值分析方法 （剛體彈簧元法、塊體單元法、界面元法、數(shù)值流形方法等）。因此，許多學(xué)者在基本方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)或者提出新的抗震理論分析方法，如，張伯艷、陳厚群等結(jié)合有限元和剛體極限平衡法來進(jìn)行分析；金峰提出有限元—邊界元—無限邊界元（FEBE-IBE）耦合方法；以廖振鵬院士創(chuàng)立的人工透射邊界為核心的人工透射邊界和顯式有限元法等。將壩肩與壩體聯(lián)合進(jìn)行分析或?qū)误w—地基—庫水作為整體考慮，使計算結(jié)果更加切合實際，提高計算精度，有效地解決高拱壩抗震穩(wěn)定性分析難題。

另一方面，高拱壩地震動力模型試驗也是高拱壩抗震安全性分析的重要手段，對于深入地研究強(qiáng)震區(qū)拱壩地震破壞機(jī)理尤為關(guān)鍵，為評價強(qiáng)震區(qū)高拱壩抗震安全等級提供更加全面合理而且有力的資料、依據(jù)。通過量綱分析可得到模型與原型結(jié)構(gòu)間的各種物理參數(shù)，以模型試驗的結(jié)果推斷實際結(jié)構(gòu)的性能及在給定外荷載作用下的響應(yīng)。但是高拱壩的抗震模型試驗的方法在實際操作中還存在一些問題：①受地震振動試驗臺的限制，難以對高拱壩進(jìn)行模擬；②受模型加載方式的限制，難以模擬強(qiáng)震區(qū)高拱壩復(fù)雜的三維地應(yīng)力場、溫度場和滲流場的耦合；③受模型跟蹤監(jiān)測技術(shù)的限制，難以觀測大壩和高邊坡破壞的全過程；④進(jìn)行降強(qiáng)破壞試驗無論是靜力還是動力都很難在同一個模型上完成，因此與數(shù)值模擬相比試驗成本高、周期長；⑤不同模型間還存在差異的影響。

四、高拱壩抗震措施研究

隨著我國水電事業(yè)的蓬勃發(fā)展，高拱壩的抗震設(shè)計水平也在不斷提高，對于強(qiáng)震區(qū)高拱壩抗震措施的研究也在不斷深入。為了減少大型水庫的風(fēng)險，提高強(qiáng)震區(qū)高拱壩的抗震安全性能，在高拱壩的抗震措施中必須采取非工程措施和工程措施。其中高拱壩非工程抗震措施包括大壩地震安全預(yù)警系統(tǒng)、高拱壩壩體及壩肩的結(jié)構(gòu)性能監(jiān)測系統(tǒng)、大壩安全事故應(yīng)急措施以及大壩管理人員的培訓(xùn)等等。高拱壩抗震結(jié)構(gòu)工程措施包括大壩抗震壩形的優(yōu)化，壩基交接面附近設(shè)置底縫和周邊縫、配置橫縫抗震鋼筋、橫縫間布設(shè)阻尼器、設(shè)置適應(yīng)橫縫張開大變形的止水、壩體上部設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼索、調(diào)整壩體混凝土的分區(qū)以及拱壩兩岸壩肩巖體的抗滑穩(wěn)定措施等等。

近年，中國水科院、清華大學(xué)、河海大學(xué)以及大連理工大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)和高校都對此作了深入研究。諸多研究表明，高拱壩的橫縫在強(qiáng)烈地震作用下很容易開裂，而且寬深比越大，橫縫張開的可能性和程度也就越大。橫縫的張開可能會導(dǎo)致縫間止水的破壞和拱梁應(yīng)力的重新分配，降低拱壩拱的作用，增大梁向應(yīng)力，影響拱壩的整體性和抗震安全性。因此采取抗震措施控制橫縫的張開度是高拱壩抗震的重點。而壩體橫縫處安裝阻尼器就是控制橫縫張開度的新設(shè)想，而且與跨橫縫鋼筋相比有不屈服、工程量小、不影響工期和抗震效果明顯等優(yōu)點。由清華大學(xué)王品江等學(xué)者對設(shè)置跨橫縫鋼筋和阻尼器進(jìn)行了系統(tǒng)的比較，提出了這兩種措施的優(yōu)化組合方案，采用橫縫配筋可顯著降低橫縫開度，并選擇在較大的橫縫上配置阻尼器，充分發(fā)揮兩者優(yōu)勢，其抗震方案更經(jīng)濟(jì)合理，效果更明顯。高拱壩抗震措施匯總于表2。

另外兩岸壩肩巖體穩(wěn)定是拱壩安全的根本保證，強(qiáng)震區(qū)高拱壩的安全性在很大程度上取決于壩肩巖體的穩(wěn)定性，故在此對高拱壩兩岸壩肩巖體的抗滑穩(wěn)定措施作以下說明。由于地形和地質(zhì)條件的不同，兩岸壩肩拱座內(nèi)存在斷層、軟弱夾層、斷裂、破碎帶及層間錯動等軟弱結(jié)構(gòu)面，將直接影響到拱壩的穩(wěn)定與安全。壩肩巖體失穩(wěn)最常見的形式是壩肩巖體受荷載后發(fā)生的滑動破壞，根據(jù)陳勝宏對巖體滑動破壞形式的分類，有無滑動面的自由脫離、單面滑動和雙面滑動破壞三種形式。故在拱壩抗震中，通常采取的做法是清除壩肩松動巖體、壩基帷幕灌漿以及對節(jié)理發(fā)育地基進(jìn)行固結(jié)灌漿、對壩肩潛在滑動體進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索加固、在壩肩薄弱部位增加混凝土墊座，配置鋼筋網(wǎng)以增強(qiáng)其整體性，防止壩肩局部壓縮變形；同時要在壩肩下游側(cè)設(shè)置排水設(shè)施，防止?jié)B流破壞，減少壩肩的滲透壓力等等。根據(jù)壩肩巖體抗滑穩(wěn)定的復(fù)核，并采取上述相應(yīng)的抗滑穩(wěn)定措施，使其滿足規(guī)范的要求。

表2 高拱壩抗震措施一覽表

除此之外，對于高拱壩設(shè)計還需特別重視高邊坡及泄洪設(shè)施的抗震安全。近年來高邊坡導(dǎo)致的無交通條件是西部地區(qū)高拱壩工程所面臨的另一個顯著的問題，那么高邊坡處理的對象主要是指左右岸壩頂以上的不穩(wěn)定的松動體、堆積體和雞冠梁、青石梁等以及零星的危石。通常對其采取清坡、系統(tǒng)錨固、主動防護(hù)網(wǎng)緊貼邊坡包囊防護(hù)、被動防護(hù)網(wǎng)擋護(hù)和混凝土噴護(hù)等處理措施，使加固處理后各工況組合抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)到設(shè)計控制標(biāo)準(zhǔn)。

五、結(jié) 語

①高拱壩的抗震安全必須包括壩體自身的安全和壩肩巖體的抗震穩(wěn)定。強(qiáng)震區(qū)高拱壩的地震破壞機(jī)理研究應(yīng)該包括高拱壩壩體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞和壩肩巖體的穩(wěn)定破壞兩個方面。

②在強(qiáng)震區(qū)高拱壩的抗震設(shè)計理念中，應(yīng)當(dāng)不斷完善強(qiáng)震區(qū)高拱壩的抗震評價機(jī)制，加強(qiáng)混凝土材料動態(tài)特性的研究，提出并建立起大壩混凝土材料的動態(tài)指標(biāo)。

③今后在高拱壩抗震設(shè)計研究中應(yīng)當(dāng)形成“由靜轉(zhuǎn)動、動靜結(jié)合”的設(shè)計思想，以數(shù)值分析方法為基礎(chǔ)的模型仿真與動力分析軟件的開發(fā)將會推動高拱壩抗震安全分析的長足發(fā)展；雖然模型試驗的受制條件較多，但是模型試驗對高拱壩抗震安全分析的重要作用不可忽視，可作為其校核或檢驗的有效手段。

④在地震中高拱壩抗震措施是強(qiáng)震區(qū)高拱壩抗震安全的重要保障，不僅應(yīng)加強(qiáng)拱壩結(jié)構(gòu)工程抗震措施的研究，而且要重視非工程措施的建設(shè)與完善。高拱壩的眾多抗震措施都各具優(yōu)缺點，根據(jù)當(dāng)前高拱壩抗震措施的研究與工程抗震的效果來看，兩種或兩種以上不同的抗震措施聯(lián)合使用（如跨橫縫配置鋼筋與壩體橫縫處安裝阻尼器組合優(yōu)化），其抗震效果更明顯而且經(jīng)濟(jì)合理。

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