高面板堆石壩地震反應(yīng)和破壞振動臺模型試驗研究

楊正權(quán)， 劉小生， 劉啟旺， 楊玉生， 陳 寧， 趙劍明

(1.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038；2.中國水利水電科學(xué)研究院巖土工程研究所，北京 100048)

高面板堆石壩地震反應(yīng)和破壞振動臺模型試驗研究

楊正權(quán)1,2， 劉小生1,2， 劉啟旺1,2， 楊玉生1,2， 陳 寧1,2， 趙劍明1,2

(1.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038；2.中國水利水電科學(xué)研究院巖土工程研究所，北京 100048)

壩體在地震作用下的加速度反應(yīng)、殘余變形和破壞是土石壩動力分析的重要內(nèi)容。針對狹窄河谷中猴子巖高面板堆石壩的特殊結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計、制作了高達1 m的大壩壩段模型和整體模型，進行大型地震模擬振動臺模型試驗。研究了大壩加速度反應(yīng)的空間分布規(guī)律及相關(guān)因素對壩體加速度反應(yīng)特性的影響，分析了大壩地震殘余變形和破壞的發(fā)展過程和破壞機理。研究表明：面板對堆石壩體的加速度反應(yīng)有明顯的限制作用，不對稱河谷中高面板堆石壩兩岸側(cè)壩體的加速度反應(yīng)水平差異明顯；高面板堆石壩的地震殘余變形量值相對較小，壩體抗震性能良好，但猴子巖水電站開關(guān)站所在下游壓重體平臺是整個大壩結(jié)構(gòu)抗震的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)當(dāng)在設(shè)計中重點予以考慮。

高面板堆石壩； 振動臺模型試驗； 加速度反應(yīng)； 地震殘余變形； 動力破壞

1 概 述

地震作用下，土石壩的加速度反應(yīng)水平和在壩體內(nèi)部的分布情況是大壩動力分析的重要內(nèi)容，也是后續(xù)進行壩體和地基液化判別、大壩地震殘余變形和壩坡穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)[1]。以往，對土石壩動力安全性的考察主要集中于壩體應(yīng)力狀態(tài)和壩坡穩(wěn)定性上。然而，大量的土石壩震害調(diào)查和分析表明：地震引起的壩體地震殘余變形和不均勻沉降是很多土石壩動力破壞的主要原因，土石壩的地震殘余變形分析應(yīng)當(dāng)作為大壩動力穩(wěn)定分析的重要內(nèi)容[2]。此外，中國近幾年在西部高地震烈度區(qū)修建了多座高土石壩工程，這些高壩大庫的抗震安全性一直是工程界關(guān)注的焦點，尤其是在汶川大地震后，高土石壩的極限抗震能力問題成為了研究的熱點[3-4]。

猴子巖水電站裝機容量1 700 MW，是大渡河干流水電規(guī)劃“三庫22級”的第9級電站，在整個大渡河流域水電開發(fā)中占有重要地位。水庫擋水大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，最大壩高223.5 m，建成后將是該壩型的世界第2高壩。由于壩址區(qū)處在河流轉(zhuǎn)彎處，河谷狹窄，兩岸岸坡地形差異很大，堆石大壩結(jié)構(gòu)兩側(cè)形態(tài)差異明顯——左岸邊坡先陡后緩，嵌入壩體內(nèi)部；右岸邊坡坡度變化不大，但十分陡峻，如圖1(a)和(b)所示。此外，狹窄河谷不僅使得大壩結(jié)構(gòu)寬高比較小，三維結(jié)構(gòu)性明顯，也使得樞紐建筑物的布置十分困難。例如，水電站開關(guān)站就被迫布置在了大壩下游坡壓重體形成的寬馬道平臺上[5]， 如圖1(c)所示。面板堆石大壩在地震作用下的加速度反應(yīng)和殘余變形特性，以及大壩在極端地震作用下的動力破壞特性是設(shè)計人員重點關(guān)注的內(nèi)容，尤其是該壩的特殊幾何結(jié)構(gòu)形式對前述特性的影響和開關(guān)站所在壓重體平臺的地震穩(wěn)定性問題。

圖1 面板堆石壩模型的制作Fig.1 Construction of the model dam

由于經(jīng)歷過強烈地震的高土石壩較少，更未見有由于強震而引起高土石壩嚴(yán)重破壞的實例報道，缺乏高土石壩震害實測資料，土石壩地震模擬振動臺模型試驗仍是人們認(rèn)識大壩結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)特性和在極端地震作用下破壞特性的重要研究手段[5]。本文，利用大型地震模擬振動臺模型試驗——包括壩段模型試驗和整體模型試驗，進行狹窄河谷中猴子巖高面板堆石壩地震反應(yīng)和破壞特性研究。研究了壩體在地震作用下的加速度反應(yīng)特性和相關(guān)影響規(guī)律，面板和大壩結(jié)構(gòu)特殊幾何形態(tài)的影響是重點關(guān)注內(nèi)容；研究了高面板堆石壩的地震殘余變形特性和在極端地震動作用下的動力破壞特性，分析了大壩的地震破壞機理，對原型大壩在地震荷載作用下的抗震性能進行了評價。相關(guān)研究成果可為原型大壩抗震設(shè)計提供參考，也可為土石壩動力分析理論和計算模式的驗證和改進提供基礎(chǔ)資料。

2 振動臺模型試驗設(shè)計

模型振動試驗在6 m×6 m三向六自由度大型地震模擬振動臺上進行?；趧⑿∩忍岢龅闹亓鲋型潦瘔蝿恿δＰ驮囼炏嗨坡蒣6]，進行大壩振動臺模型試驗的模型設(shè)計、工況設(shè)計和試驗成果分析。模型壩高1 m，包括壩段模型和整體模型各一，模型試驗相似律和相應(yīng)相似常數(shù)匯總?cè)绫?所示。壩段模型控制斷面由原型大壩最大橫斷面縮尺確定。整體模型的幾何形狀則由原型壩的10個控制斷面縮尺后確定，用鋼筋混凝土來模擬基巖河谷，用原型堆石料縮尺料作為模型壩填筑料，用人工配合材料制作模型壩面板，用細(xì)鐵絲網(wǎng)來模擬鋼筋的作用。壩體填筑堆石料最大控制粒徑為20 mm，為了更好地模擬原型堆石料的級配特性，采用相似級配法和等量替代法綜合確定模型壩堆石料的級配。面板人工配合材料采用水泥、砂子、珍珠巖和水，按7.8%，66%，4%和22.2%的比例配合而成[6]。模型壩壩體按7層稱料，并逐層填筑擊實而成。澆注成型的三維河谷模型如圖1(a)所示，用繪圖軟件構(gòu)建的三維模型壩結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，填筑完成的整體模型壩如圖1(c)所示。

表1 模型試驗相似律及相應(yīng)相似常數(shù)

Tab.1 Similarity law of the model test and the corresponding similarity parameters

符號項目相似律模型試驗相似常數(shù)L堆石壩體幾何尺寸Cl223．5ρ堆石體密度Cρ1．0C模量系數(shù)Cc=Cp/Cm3．9G堆石體剪切模量CG=C1/2lCcC1/2ρ58．9σ堆石體應(yīng)力Cσ=C1/2lCcC1/2ρ58．9ε堆石體應(yīng)變Cε=C1/2ρC1/2l/Cc3．8u堆石體位移Cu=C1/2ρC3/2l/Cc848．1ù堆石體速度Cù=C1/4ρC3/4l/C1/2c29．2ü堆石體加速度Cü=Cg=11ξ堆石體阻尼比Cξ=11C′堆石體有效凝聚力CC′=CρCl223．5φ′堆石體有效摩擦角C′=11t時間Ct=C1/4ρC3/4l/C1/2c29．2f頻率Cf=C-1/4ρC-3/4lC1/2c1/29．2

根據(jù)輸入地震動的差異(包括地震波類型、幅值水平和輸入方式等)，整個試驗分為若干方案工況，其中壩段模型試驗又分為空庫和滿庫蓄水兩種情況。整體模型試驗共18個方案，34個小工況；空庫條件下，壩段模型進行14個方案，共計26個小工況的振動試驗；滿庫蓄水條件下，進行18個方案，共計38個小工況的振動試驗。工況設(shè)置的基本原則是先輸入各類壓縮普通地震波，先小震后大震，先單向后多向，最后輸入高幅值規(guī)范正弦波，每次震動前后都要輸入低幅白噪聲進行壩體自振特性測試。輸入普通地震波包括工程場區(qū)周邊實際記錄天然波，地震危險性分析確定的場地波和依據(jù)規(guī)范確定的規(guī)范波，輸入加速度峰值0.1g～0.8g不等。3種地震波的歸一化加速度時程，如圖2所示。

圖2 歸一化的輸入地震波加速度時程Fig.2 Seismic motion time history of inputting earthquakes

本次試驗的主要測試內(nèi)容包括壩體加速度反應(yīng)測試、大壩地震殘余變形和動力破壞測試等。壩體振動的加速度反應(yīng)通過預(yù)埋在壩體內(nèi)部的加速度傳感器來量測。壩段模型的測試斷面為中間斷面。對于整體模型，由于猴子巖大壩修建在河流的轉(zhuǎn)彎處，而且河道狹窄、兩岸山體形態(tài)不規(guī)則，沒有能夠兼顧上下游壩坡的最大橫斷面，所以選擇兩個相距較近的控制斷面(控制斷面5和6)共同作為加速度反應(yīng)的主測試斷面，選取主測試斷面兩側(cè)3個控制斷面作為輔助測試斷面(控制斷面2，4和8)。主測試斷面內(nèi)加速度傳感器的分布情況，如圖3所示。通過在壩體表面預(yù)埋位移測點和在模型箱上固定基準(zhǔn)線來監(jiān)測壩體表面點的地震殘余變形，壩體表面位移測點的分布情況如圖4(圖中豎直線是壩坡面和填筑層面的交線)。通過人工觀察，現(xiàn)場照相和錄像等方式來監(jiān)測壩體的地震反應(yīng)和破壞過程。震后，通過人工觀察和測量來確定滑坡的深度和破壞模式。

圖3 整體模型主測試斷面內(nèi)加速度傳感器布設(shè)(單位：mm)Fig.3 Layout of the acceleration sensors in controlled sections of 3-D model dam(Unit:mm)

圖4 壩坡表面位移測點分布Fig.4 Layout of the displacement samples on dam surface

以上關(guān)于模型壩的設(shè)計與制作，試驗工況設(shè)置，壩體加速度反應(yīng)、地震殘余變形和動力破壞的量測等，可具體參考文獻[5]。

3 壩體的加速度反應(yīng)

依據(jù)土石壩振動臺模型試驗相似率，原型大壩的加速度反應(yīng)水平和分布與模型壩相同，所以通過分析模型壩的加速度反應(yīng)情況，即可直接確定原型大壩的加速度反應(yīng)特性。本文重點考察狹窄不對稱河谷地形條件下，大壩結(jié)構(gòu)三維效應(yīng)對壩體地震動力反應(yīng)特性的影響，故后續(xù)內(nèi)容除庫水的影響分析外，均以整體模型試驗作為基本分析對象。

3.1 高面板堆石壩加速度反應(yīng)水平和空間分布規(guī)律

對比高心墻堆石壩的振動臺模型試驗結(jié)果可知[7]，壩高水平大體相當(dāng)?shù)那闆r下，猴子巖面板壩的加速度反應(yīng)水平整體小于心墻壩。由于面板的保護作用，加之狹窄不對稱河谷地形，猴子巖高面板堆石壩的加速度反應(yīng)空間分布規(guī)律較心墻壩有所不同。

豎直向上，隨著高度的增加，壩體的順河水平向加速度反應(yīng)增強。但是，在低幅值普通地震波作用下，壩頂?shù)摹氨奚摇毙?yīng)較心墻壩弱[1]，這應(yīng)當(dāng)和面板保護作用有關(guān)。越靠近壩頂處，面板對壩體水平向振動的限制作用越明顯，而隨著振動的加強(如高幅值規(guī)范正弦波)，面板的這種保護作用相對不再明顯，壩頂“鞭梢”效應(yīng)變得突出。圖5是場地地震波、天然地震波和規(guī)范正弦波作用下，模型壩主斷面豎直中心線上順河水平向加速度放大倍數(shù)分布的對比。

圖5 不同地震波作用下，加速度放大倍數(shù)沿壩高分布的對比Fig.5 Comparison of the acceleration magnified factors on vertical direction under different earthquakes

橫河水平向上，圖6給出了規(guī)范正弦波激勵下壩頂軸線上順河水平向加速度放大倍數(shù)的分布情況。從圖中可以看出，橫河向上壩體的加速反應(yīng)明顯不對稱，左岸壩段要明顯小于右岸壩段。這一現(xiàn)象和河谷的地形條件直接對應(yīng)——由于左岸頂部岸坡相對平緩，其上堆石壩體厚度相對較小，對基巖輸入地震動的放大作用有限，而右岸邊坡陡峻，一來是堆石壩體高度較大，壩頂加速度反應(yīng) “鞭梢”效應(yīng)顯著，二來是陡峻岸坡對壩體順河向振動的約束作用相對較弱，所以右岸一側(cè)壩體的加速度反應(yīng)較左岸強烈。從大壩結(jié)構(gòu)自振特性白噪聲震動試驗結(jié)果也可明顯看出，大壩右岸壩段的動位移反應(yīng)明顯大于左岸壩段[8]。

圖6 加速度放大倍數(shù)沿壩頂軸線分布Fig.6 Comparison of the acceleration magnified factors on dam axis direction

圖7 加速度放大倍數(shù)沿順河方向分布Fig.7 Comparison of the acceleration magnified factors on horizontal direction along river

順河水平向上，和心墻壩心墻中心反應(yīng)小、兩側(cè)堆石壩坡放大作用明顯且基本對稱的分布形式不同，面板壩上游壩坡由于受到面板的保護，壩坡表面的加速度放大效應(yīng)受到抑制，加速度放大倍數(shù)略大于壩體中心處，下游壩坡的表面放大效應(yīng)仍舊明顯。圖7為規(guī)范正弦波激勵下，主斷面0.9倍壩高高程上，順河水平向加速度放大倍數(shù)的分布情況。

3.2 高面板堆石壩加速度反應(yīng)影響因素分析

對比分析表明：輸入地震動特性(包括強度和波形)、水庫蓄水狀態(tài)和地震動輸入方式等，均對面板堆石壩壩體的加速度反應(yīng)有較大影響。

從圖5可以看出，同等幅值水平、不同類型地震動激勵下，大壩結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)水平差異明顯。規(guī)范正弦波作用下的壩體加速度反應(yīng)明顯比普通地震波要強烈。這是因為，規(guī)范正弦波對結(jié)構(gòu)的破壞作用本身就比天然地震波更為強烈，再加上試驗輸入正弦波的頻率為40.0 Hz，很接近模型壩結(jié)構(gòu)的一階自振頻率[8]，所以大壩的加速度反應(yīng)格外強烈。即使同為普通地震波，由于不同地震波的頻譜特性存在差異，壩體在其作用下的加速度反應(yīng)水平也不相同。本次試驗中，實測天然地震波作用下，壩體的加速度反應(yīng)水平明顯高于場地地震波。地震動強度對壩體加速度反應(yīng)的影響規(guī)律和以往認(rèn)識一致：隨著輸入地震動強度的增加，壩體的加速度反應(yīng)水平也在增加，但加速度放大倍數(shù)是減小的，這應(yīng)當(dāng)是由堆石體材料動力變形的非線性特性所導(dǎo)致的。

為了研究水庫蓄水狀態(tài)對面板堆石壩加速度反應(yīng)特性的影響，分別進行了壩段模型在空庫和滿庫蓄水工況下的振動試驗。圖8給出了場地地震波作用下，空庫壩段模型和滿庫蓄水壩段模型主斷面豎直中心線上不同高程點順河水平向加速度放大倍數(shù)的對比。從圖中可以明顯看出庫水對大壩加速度反應(yīng)的限制作用：水庫蓄水后，面板堆石壩的加速度反應(yīng)水平大為下降，且除了靠近壩底基巖的測點外，庫水對壩體加速度反應(yīng)的限制作用沿整個壩高方向基本相當(dāng)。

為了考察地震動輸入方式對壩體加速度反應(yīng)的影響，分別進行了場地地震波作用下的順河水平單向、順河水平和豎直雙向及三向地震動輸入的振動試驗。試驗結(jié)果表明：豎直向輸入地震動使得壩體的順河水平向振動明顯增強，而橫河向地震動輸入對壩體順河水平向的加速度反應(yīng)影響不大。圖9給出了3種不同地震動輸入方式下，順河水平向加速度放大倍數(shù)在不同高程處的對比。從圖中還可以看出，豎直向地震動輸入對壩體不同高程處加速度反應(yīng)的影響有所不同，豎直向地震動輸入對壩體頂端的放大作用更明顯。這應(yīng)當(dāng)是由于壩頂處豎直向壓力較小，豎向地震動的影響就更為顯著所致。

圖8 空庫和滿庫蓄水時，壩體不同高程點加速度放大倍數(shù)的對比Fig.8 Comparison of the acceleration magnified factors when the reservoir is full of water or no water

圖9 地震動輸入方式對大壩順河水平向加速度反應(yīng)的影響Fig.9 Impacts of the seismic motion inputting mode on the acceleration response of dam

4 壩體的地震殘余變形與動力破壞

面板堆石壩具有良好的抗震性能。受振動臺的實際性能所限，振動臺輸入的普通(壓縮)地震波很難使得面板壩發(fā)生嚴(yán)重破壞，難以呈現(xiàn)極端地震作用下壩體的破壞過程。振動臺輸入規(guī)范正弦波不僅可以使得壩體產(chǎn)生持續(xù)高幅振動，而且可以調(diào)整輸入頻率使其接近壩體一階自振頻率，從而使得壩體產(chǎn)生更劇烈的振動，產(chǎn)生嚴(yán)重的地震動力破壞。本次試驗，在輸入普通壓縮地震波后，對整體模型和加水壩段模型輸入了頻率為40 Hz的規(guī)范正弦波進行激振，監(jiān)測極端地震作用下高面板堆石壩的地震殘余變形特性，觀察壩體的動力破壞過程，深入分析面板堆石壩的地震動力破壞機理。

4.1 壩體的地震殘余變形

表2給出了強震工況下，實測得到壩坡表面位移測點地震殘余變形值匯總。表中，x表示順河水平方向，向上游為正；z表示豎直方向，豎直向下為正。

表2 強震作用下，壩體表面測點地震殘余變形值匯總(單位:mm)

從表2可以看出，面板壩在強震作用下，隨著輸入地震動強度的增加， 壩坡表面的地震殘余變形值也在增加。但是，壩體整體地震殘余變形水平較低，各測點最終的地震殘余變形值均未超過壩高的1%，這表明面板堆石壩具有良好的抗地震殘余變形能力。壩體表面地震殘余變形表現(xiàn)出以下分布規(guī)律：1)上游坡的變形值很小，除最后一個工況外，均未測到明顯的變形，這應(yīng)當(dāng)是由于面板對堆石壩坡的保護作用，使得堆石壩坡的地震變形受限所致；2)測點水平向變形明顯高于豎直向變形，這應(yīng)當(dāng)是散粒體結(jié)構(gòu)的堆石壩表面變形模式所造成的結(jié)果：由于坡面上大量散粒體的滑移、拖拽，使得測點的水平變形明顯，而由于測點底部埋植相對較深，其豎向沉降受壩坡表面顆?；瑒拥挠绊懴鄬^小，實測值也就相對較??；3)變形極值點發(fā)生在0.75倍壩高左右的下游壩坡上，靠近河床中央壩段壩坡上測點的變形整體上高于靠近岸坡壩段壩坡上測點。

應(yīng)當(dāng)指出，表2中給出的每一工況對應(yīng)的壩體地震殘余變形值是前期各次由弱到強地震動作用的累積結(jié)果。雖然不考慮先期振動的影響，將累積變形值作為最強輸入地震動作用下的壩體地震殘余變形值是存在一定誤差的，但對試驗定性分析的結(jié)論應(yīng)當(dāng)是不會有大的影響的。

4.2 壩體的動力破壞過程與機理分析

隨著輸入地震動強度的增加，模型壩主控制斷面附近壩段下游壩坡壩頂?shù)?.75倍壩高間的區(qū)域首先出現(xiàn)局部碎石顆?；茲L落，繼而發(fā)生滾石的范圍逐漸擴大，逐漸發(fā)展成較大面積的堆石壩坡表層滑動，滑動區(qū)域也向兩岸及下方壩坡擴展——下游壩坡從起初的局部碎石顆粒的滾動，逐漸發(fā)展成大面積的表層滑動，最后滑動范圍擴展到整個下游壩坡面。規(guī)范正弦波對大壩壩坡的破壞力較同幅值的普通地震波要強烈的多。當(dāng)輸入正弦波幅值達到0.4g～0.8g時，下游壩坡有大量的顆粒體發(fā)生滑移滾落，堆積于坡底的馬道之上，如圖10所示。而在之前輸入的同等幅值水平多向(壓縮)普通地震波作用下，堆石壩體只出現(xiàn)有少量碎石顆粒滾落的現(xiàn)象。雖然強震作用下堆石壩坡滑動的范圍很大，滑動的影響深度也較深，但是滑動的形式仍舊是散粒體滑移，沒有形成視覺上可以判別的大規(guī)模塊體滑移。

猴子巖大壩下游壩坡壓重體平臺形成的寬馬道寬約80 m，水電站開關(guān)站被布置于其上。雖然平臺以下壩坡高程相對較低，但是強震工況下的震害卻同樣很嚴(yán)重。強震結(jié)束后，馬道下壩坡由于散粒體滑落和堆石體自身震縮，產(chǎn)生了一個較大范圍的震陷，深度接近1 cm，和高處壩坡的地震殘余變形值相當(dāng)，如圖11所示。雖然馬道下壩坡高程相對不高，但是馬道平臺和其下壩坡邊坡形成了一個局部突出體。該區(qū)域的地震加速度反應(yīng)也相應(yīng)較大，形成的震害也就較嚴(yán)重。遺憾的是，本次試驗由于未在馬道下壩坡和邊坡轉(zhuǎn)角處布置加速度傳感器和位移測點，沒有能夠得到這一區(qū)域加速度響應(yīng)和地震殘余變形的準(zhǔn)確數(shù)值。但是，通過對表觀震害現(xiàn)象的觀察，確定該區(qū)域震害相對較嚴(yán)重的結(jié)論是可以成立的。

圖10 下游壩坡(馬道以上)的破壞Fig.10 Failure of the dam down-slope (up the kentledge)

圖11 開關(guān)站平臺(馬道)下壩坡的破壞Fig.11 Failure of the dam down-slope (down the kentledge)

壩頂軸線和馬道變坡轉(zhuǎn)角在強震作用下，堆石顆粒位置發(fā)生調(diào)整，原本規(guī)則的轉(zhuǎn)角變成了相對平滑的類似于天然碎石堆積體頂面的形態(tài)；由于壩頂區(qū)堆石體的震動變形，堆石壩坡和面板間發(fā)生一定程度的脫空，但是面板相對堆石壩坡沒有產(chǎn)生明顯的順坡滑移，如圖12所示。試驗過程中，沒有觀察到面板發(fā)生明顯震害，震后檢查也沒有發(fā)現(xiàn)面板出現(xiàn)有明顯裂縫或者同兩岸岸坡分離的現(xiàn)象。

圖12 強震后的壩頂軸線和面板狀態(tài)Fig.12 State of the dam crest after strong earthquake

對比大壩結(jié)構(gòu)動力特性參數(shù)的變化，也可以看出強震對壩體造成的震損[8]。在前期強度較低的地震動作用前后，模型壩的一階自振頻率(整體模型為49.5 Hz左右)和阻尼比變化都不大。但是經(jīng)過較強烈的高幅值規(guī)范正弦波激振后，壩體自振頻率明顯降低(整體模型由49.5 Hz左右降低至44 Hz左右)，阻尼比值提升，強震使得大壩結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷。

對比紫坪鋪高面板堆石壩在“5.12”汶川大地震中所表現(xiàn)出的震害特征[9-10]，本次模型試驗較好地再現(xiàn)了高面板堆石壩在強震過程中的破壞過程。河谷中央壩段靠近壩頂?shù)膮^(qū)域是地震中壩體反應(yīng)最強烈、破壞最嚴(yán)重區(qū)域的試驗結(jié)論也和紫坪鋪大壩的實際震害表現(xiàn)相互印證。

4.3 原型壩的抗震安全性評價

猴子巖大壩的抗震設(shè)計中，設(shè)計基巖水平向峰值加速度取為壩址區(qū)100年超越概率2%地震動水平，即為0.297g，校核加速度取為100年超越概率1%地震動水平，即為0.401g。本次試驗中，模型壩在雙向(壓縮)場地地震波作用下，甚至在水平向輸入加速度峰值接近0.8g時，也只是在下游壩坡出現(xiàn)有小面積的表層顆粒體滑移，未出現(xiàn)明顯破壞性震害。所以，原型大壩在設(shè)計和校核地震作用下，其整體抗震穩(wěn)定性是可以充分保障的。但是，本次試驗中，水電站開關(guān)站所在壓重體平臺下壩坡發(fā)生了較嚴(yán)重的震害，為了保證開關(guān)站的抗震安全，應(yīng)對該區(qū)域進行重點防護，如提高碾壓標(biāo)準(zhǔn)和增加局部抗震措施等。

5 結(jié) 論

本文利用大壩結(jié)構(gòu)大型地震模擬振動臺模型試驗，研究了猴子巖高面板堆石壩在強震作用下的加速度反應(yīng)和壩體地震殘余變形特性，呈現(xiàn)了大壩在極端地震作用下的動力破壞過程，分析了大壩的動力破壞機理，并對大壩的抗震安全性進行了評價。主要研究結(jié)論為：

(1)面板堆石壩的鋼筋混凝土面板和狹窄轉(zhuǎn)彎谷地形條件下大壩的特殊幾何形態(tài)，對壩體的地震加速度反應(yīng)水平和分布規(guī)律有重要影響：面板的保護作用使得大壩壩頂區(qū)加速度反應(yīng)的“鞭梢”效應(yīng)減弱，也使得上游壩坡的加速度反應(yīng)水平大幅降低，不對稱狹窄河谷地形條件使得大壩右岸壩段的加速度反應(yīng)水平明顯高于左岸壩段；

(2)地震動類型和強度對壩體加速度反應(yīng)水平和分布均有影響：規(guī)范正弦波作用下，壩頂?shù)摹氨奚摇毙?yīng)相對明顯，隨著輸入地震動加速度峰值的增加，壩體加速度反應(yīng)放大倍數(shù)減??；

(3)水庫蓄水后，由于庫水的限制作用，面板堆石壩的加速度反應(yīng)水平降低，而豎直向地震動輸入，則使得壩頂區(qū)的加速度反應(yīng)水平大幅提升；

(4)地震作用下的壩體地震殘余變形相對較小，不超出設(shè)計對壩體沉降的要求；

(5)猴子巖高面板堆石壩在極端地震作用下的動力破壞形式包括：下游壩坡表面堆石體的淺層滑動，壩頂區(qū)堆石體振動變形后和面板發(fā)生局部脫空，開關(guān)站所在壓重體平臺轉(zhuǎn)角下壩坡出現(xiàn)有較大范圍的堆石滑移和震陷；

(6)在設(shè)計和校核地震作用下，猴子巖高面板堆石壩壩體的整體抗震穩(wěn)定性良好，但是開關(guān)站平臺下的壩坡應(yīng)當(dāng)加強抗震防護設(shè)計。

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Study on shaking table model tests for dynamic response and failure of high concrete face rock-fill dam

YANGZheng-quan1,2,LIUXiao-sheng1,2,LIUQi-wang1,2,YANGYu-sheng1,2,CHENNing1,2,ZHAOJian-ming1,2

(1.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin, Beijing 100038, China; 2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100048, China)

Acceleration response, seismic residual deformation and dynamic failure of dam in earthquake are the important contents of dam dynamic analysis. Two Houziyan high concrete face rock-fill dam models (2-D and 3-D) which are 1.0 meter high were designed and constructed considering the valley topographic of dam site and dam's structure features. Firstly, the acceleration response characteristics of dam was studied deeply; then, the seismic residual deformation process and the dynamic failure mechanism of dam were analyzed comprehensively. The study shows that, the acceleration response amplitude of dam was reduced because of the impacts of concrete face slab, and the amplification effects of dam to bedrock inputting earthquake on left and right river bank was different obviously; seismic residual deformation of the concrete face rock-fill dam is relatively lower, and the anti-seismic performance of dam is well; the downstream kentledge platform of dam that switch station of the water power station was constructed on it is the weakness of dam system in earthquake, and the specific anti-seismic design for it is necessary.

high concrete face rock-fill dam; shaking table model test; acceleration response; seismic residual deformation; dynamic failure

2014-03-08；

2015-07-16

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)課題(2013CB036404)；中國水利水電科學(xué)研究院科研專項(巖集1467)；“十二·五”國家科技支撐計劃課題(2013BAB06B02)；國家自然科學(xué)基金青年基金資助項目(51209234,51509272)

TU352.11; TV312

A

1004-4523(2015)06-0937-09

10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2015.06.011

楊正權(quán)(1980—)，男，博士，高級工程師。電話：(010)68786691；E-mail：yangzhq@iwhr.com