強震區(qū)高面板壩抗震措施淺析

張曉將

（中國電建集團西北勘測設計院有限公司，陜西 西安 710065）

強震區(qū)高壩抗震減災設計研究一直都是水利水電工程的關鍵技術問題之一，2008 年“5.12”汶川大地震之后，強震區(qū)水工建筑物所出現(xiàn)的震損現(xiàn)象與震害狀況，更加引起了工程界與學術界對抗震問題的關注。混凝土面板壩在我國迅速發(fā)展，壩高已從100 m 發(fā)展至200 m，逐漸向250 m 乃至300 m 高壩邁進，強震區(qū)200 m 級高面板壩抗震機理及抗震設計方法、標準的研究，已成為制約高混凝土面板壩設計壩高提升和筑壩技術提高的關鍵因素之一。

本文圍繞強震區(qū)高面板壩的上下游壩坡穩(wěn)定和抗變形能力、面板壩防滲體系防滲與變形控制等方面進行研究，開展了抗震及抗震措施研究設計，通過模型試驗和數(shù)值模擬驗證了各種抗震加固措施的有效性，提出了面板堆石壩綜合抗震措施?？拐鸫胧┑哪Ｐ驮囼炑芯?/p>

1 抗震措施模型試驗研究

1.1 壩坡穩(wěn)定的影響因素研究

面板壩在地震中的安全與壩坡土體穩(wěn)定有關，保持面板壩上下游壩坡的穩(wěn)定是提高其抗震能力的關鍵。本項研究首先針對影響壩坡穩(wěn)定的因素，進行了一系列模型壩的破壞試驗，模型壩采用面板壩，壩高及壩頂寬度根據(jù)試驗設計分別取80 cm、100 cm、140 m 和7 cm、8 cm、12 cm，上游坡1∶1.4，為研究不同坡比壩破穩(wěn)定的影響擬定了下游壩坡1∶1.4和馬道以下壩坡1∶1.4、馬道以上為1∶1.6 兩種形式。研究不同粒徑筑壩料的抗震反應時，建立了3 mm～27 mm 共6 種粒徑的模型壩。

試驗結果顯示：

1）在壩坡坡比一定的條件下，筑壩材料平均顆粒直徑增大，坡面起滑臨界加速度相應有所提高。因此，提高壩頂區(qū)堆石料的粒徑對壩坡穩(wěn)定是有利的。

2）減緩壩坡對提高坡面穩(wěn)定是有效的，從試驗結果看，設置的緩坡起始高程不一，坡面滑動時加速度分布有所不同，坡面起滑臨界加速度也表現(xiàn)不一，但當選擇壩高的4/5 作為起始點減緩壩坡是安全的也是比較經濟的。

3）試驗觀察到，隨著壩頂寬度加寬，馬道滑平到面板斷裂持續(xù)時間延長，說明壩頂加寬對面板上部的穩(wěn)定是有利的。從抗震角度，如果壩頂具有足夠寬度，地震時坡面的表層滑動（削弱）不至于危及整個壩頂區(qū)土體，那么面板的穩(wěn)定將會從中受益。

1.2 抗震措施加固效果模型試驗

在上述試驗研究的基礎上，通過振動臺模型試驗，對不同抗震措施的壩體破壞形式進行研究。振動臺尺寸（6 m×6 m)、載重量（80 t），整體模型壩高1.5 m，近似地把基巖和壩肩按剛性考慮，選擇原型壩的9 個控制斷面縮尺后作為模型壩的控制斷面，用鋼筋混凝土來成型河谷。

試驗中采用的抗震措施包括：a）壩體下游壩坡表面采用砌石護坡；b）壩頂區(qū)每隔一定距離鋪設一層仿真土工格柵材料；c）壩頂區(qū)域采用膠結粗粒土整體置換；d）壩頂區(qū)利用混凝土層進行分層加筋。試驗時共建立了9 個模型壩，模型詳情見表1。

表1 模型概況

根據(jù)試驗結果，對不同抗震措施下的壩頂沉降率δ，壩寬改變率δ'，坡面顆粒運動速度v，下游壩坡表層顆粒起滑加速度ay，面板斷裂加速度af和面板壓剪破壞（錯臺）加速度ad的影響進行分析，進而對比不同加固措施的加固效果。四種抗震措施加固效果分析見表2。

表2 抗震措施加固效果分析

試驗研究還發(fā)現(xiàn)，當下游壩面護坡與其它三種抗震措施聯(lián)合實施時，加固效果更為明顯。另外當對壩頂區(qū)進行膠結堆石料置換或混凝土層分層加筋時，膠結區(qū)域與非膠結區(qū)域接觸處容易出現(xiàn)分離現(xiàn)象。因此，應對交接處采取必要的工程措施。

2 抗震措施加固效果數(shù)值分析

依托茨哈峽、滾哈布奇勒面板壩進行了基于數(shù)值分析的抗震措施加固效果研究，計算采用大連理工大學開發(fā)的GEODYNA 三維非線性靜、動力分析軟件。研究時采用抗震措施有土工格柵加固措施和釘結護面板加固措施。各加固措施數(shù)值計算結果匯總于表3、表4。

由各加固方案計算結果可以得出以下結論：

表3 茨哈峽面板壩各加固措施計算結果匯總表

表4 滾哈布奇勒面板壩各加固措施計算結果匯總表

1）當采用土工格柵加固后，下游壩坡的穩(wěn)定最小安全系數(shù)提高20%～30%，下游最大滑移量減少65%～95%，安全系數(shù)小于1 的持續(xù)時間降低65%～75%。說明采用土工格柵加固后，壩頂區(qū)堆石體的整體穩(wěn)定性增強，最大滑移量也大幅減小。

2）當加格柵堆石料“凝聚力”提高時，下游壩坡的穩(wěn)定最小安全系數(shù)明顯提高，下游最大滑移量大幅減小，安全系數(shù)小于1 的持續(xù)時間也有所降低?？梢姡凉じ駯偶庸膛c其施工質量關系密切，土工格柵施工質量越好，其與周圍堆石料聯(lián)接越密實，壩體堆石穩(wěn)定性越好。

3）當采用釘結護面板加固后，下游壩坡的穩(wěn)定最小安全系數(shù)提高10%～30%，下游最大滑移量減少55%～65%，安全系數(shù)小于1 的持續(xù)時間降低50%～60%。說明采用釘結護面板加固后，增強了壩頂區(qū)堆石體的整體穩(wěn)定性。

4）采用釘結護面板加固時，鋼筋布置越密，壩頂堆石體整體性越好，大壩整體抗震性能越優(yōu)。

5）采用釘結護面板加固時，鋼筋長度1.5 D 與2.0 D 相比，下游壩坡安全系數(shù)有所下降，最大滑移量有所增大，說明鋼筋深入壩體長度越長，壩頂區(qū)堆石體的整體穩(wěn)定性越好。

3 地震荷載對防滲體系的影響分析

3.1 面板應力分析

由圖1 可知，震前滿蓄時，面板沿壩軸向壓應力最大值位于河谷中央靠近面板下部的區(qū)域，面板應力以壓應力為主，面板兩岸壩肩存在較小的拉應力。地震時，面板沿壩軸向靜動（瞬時）疊加應力的最大值分布規(guī)律與滿蓄時基本相同。但震后由于大壩發(fā)生整體沉陷，面板沿壩軸向壓應力最大值增加且位置發(fā)生了變化，位于河谷中央的壩頂區(qū)域。

圖1 面板沿壩軸向應力（壓為負，單位：MPa）

3.2 垂直縫模量對面板應力的影響

為保證面板堆石壩止水結構的正常工作，一般會在面板之間垂直縫設定具有一定強度的填充板。圖2 為面板沿壩軸向應力隨高程變化。

由圖2 可以看出，采用模量較低的垂直縫填充材料后，無論震前滿蓄期還是遭遇地震后，面板沿壩軸向擠壓應力均有所減小，對于高面板堆石壩，可在面板主要受壓區(qū)的河谷部位采用壓縮模量較低的填充材料，為面板向河谷中部的壓縮變形提供了一定的變形空間，有效減輕面板沿壩軸向的壓應力集中。研究還發(fā)現(xiàn)，隨著垂直縫模量的降低，垂直縫的壓縮量與周邊縫沿趾板方向的剪切位移隨之增加。

3.3 面板與墊層料摩擦系數(shù)對面板應力的影響

面板沿壩軸向應力過大的部分原因是墊層堆石對混凝土面板的約束，以及堆石體沉降時對混凝土面板的摩擦引起。圖3 為面板與墊層之間采用不同材料后面板沿壩軸向應力隨高程變化。

隨著摩擦系數(shù)的降低，滿蓄期面板沿壩軸向應力逐漸減小，最大值位置有所上升，摩擦系數(shù)的變化對震后面板沿壩軸向應力最大值影響不大。

研究還發(fā)現(xiàn)，隨著面板與墊層材料摩擦角的降低，周邊縫相對位移增加，面板與墊層材料摩擦角的變化對周邊縫的相對位移影響較大。

圖3 面板沿壩軸向應力（壓為負）

3.4 擠壓邊墻對面板應力的影響

在擠壓邊墻與混凝土面板之間采用不同的表面處理措施，研究對面板沿壩軸向應力影響。圖4 為采用擠壓邊墻后面板沿壩軸向應力隨高程變化。

圖4 面板沿壩軸向應力（壓為負）

由圖4 可以看出，采用擠壓邊墻后，無論震前滿蓄期還是遭遇地震后，面板的壩軸向應力最大值均降低；擠壓邊墻對壩頂部面板軸向應力影響較大。若面板與邊墻間采用瀝青油氈填料（接觸摩擦角為4°），面板的壩軸向應力會大幅度降低。

若擠壓邊墻施工且面板與邊墻之間的填料采用土工膜時，除周邊縫張開值稍有增大外，面板周邊縫和垂直縫相對位移均降低，面板與邊墻間采用瀝青油氈填料，其接觸面摩擦角僅為4°，面板和擠壓邊墻易發(fā)生相對滑動而導致周邊縫和豎縫的相對位移較大。

3.5 面板綜合抗震對策

以上研究可以看出，面板間主要受壓區(qū)的垂直縫模量降低后，面板擠壓應力減小，但面板周邊縫和豎縫相對位移增加。采用面板豎縫優(yōu)化方案（垂直縫模量分高程設置）后，面板擠壓應力降低同時面板縫的相對位移有所增加，但幅度不大。

面板與墊層材料采用不同摩擦角后，雖然滿蓄期面板擠壓應力減小，但對震后面板壩頂擠壓應力影響不大，且隨面板與墊層材料摩擦角減小，面板周邊縫相對位移增加幅度較大。

當采用擠壓邊墻施工且面板與邊墻之間鋪設土工膜后，面板擠壓應力降低，且面板周邊縫和豎縫相對位移也減小。

因此，可以考慮綜合采用擠壓邊墻施工、面板與邊墻之間鋪設土工膜且面板受壓區(qū)豎縫采用優(yōu)化方案。計算表明，采用綜合方案后，無論震前滿蓄期還是遭遇地震后，面板的壩軸向應力最大值均大幅降低，且除周邊縫張開值稍有增大外，面板縫（周邊縫和垂直縫）的其他相對位移值均減小。

4 結語

本文依托強震區(qū)大型水電站工程，通過模型試驗和數(shù)值模擬研究分析各種抗震措施對提高大壩抗震安全的作用效果和影響程度，驗證各種抗震加固措施的有效性，并從面板壩防滲體變形與破裂控制方面研究抗震措施，提出了強震區(qū)高面板壩的抗震措施：

（1）在壩坡一定的條件下，提高壩頂區(qū)堆石料的粒徑對壩坡穩(wěn)定是有利的。減緩壩坡對提高坡面穩(wěn)定是有效，4/5 壩高以上從1∶1.4 減緩到1∶1.6，坡面臨界加速度將會提高45%左右。壩頂加寬對面板上部的穩(wěn)定是有利的，在地震區(qū)修建面板堆石壩，應適當放寬壩頂寬度。

（2）采用土工格柵加筋可以增強壩頂區(qū)土體的穩(wěn)定性，減小壩體沉降，可以有效減少壩寬的改變量，降低顆粒的運動速度，對面板錯臺有很大的抑制作用。但是，加土工格柵對表層土體的抑制作用不明顯。

（3）下游壩面干砌石護坡可以提高壩體開始沉降加速度，減小壩體沉降，有效抑制表層堆石的滑動，提高壩坡顆粒起滑加速度。

（4）壩頂區(qū)堆石體的材料改性，如采用膠結堆石料，可以大大提高壩頂區(qū)土體的穩(wěn)定性，降低壩體沉降變形，減小壩寬變化率，提高壩坡顆粒起滑加速度，增強面板的抗震能力。

（5）對于超過200 m 的高面板堆石壩，面板可能會發(fā)生擠壓破壞。采用擠壓邊墻施工、降低面板與邊墻摩擦、面板豎縫填充材料優(yōu)化布置后，面板的壩軸向應力最大值大幅降低，且除周邊縫張開值稍有增大外，面板縫（周邊縫和豎縫）的其他相對位移值均減小，是合理的面板綜合抗震對策。

（6）強震區(qū)的高面板壩應針對大壩抗震安全特點，在減緩下游壩坡、適當放寬壩頂寬度、干砌石護坡、土工格柵護坡、框格梁護坡、壩頂區(qū)采用膠結堆石料改性等抗震措施中進行比較分析，選擇經濟合理的綜合抗震措施的方法。