活斷層上CFRD特性研究

[西班牙] C.奧拉拉

活斷層上CFRD特性研究

[西班牙] C.奧拉拉

建在活斷層上的大壩，在斷層活動(dòng)時(shí)土石壩具有很好的抗變形能力，而混凝土重力壩則可能受壩基差異運(yùn)動(dòng)的嚴(yán)重影響。對(duì)建在相同地基上的混凝土面板堆石壩(CFRD)進(jìn)行研究具有重要意義。利用物理和巖土學(xué)原理，對(duì)CFRD受壩基水平或豎向差異運(yùn)動(dòng)影響下的合理和可能的破壞機(jī)理進(jìn)行了分析。分析表明，當(dāng)壩基下存在潛在活斷層時(shí)，目前不推薦修建CFRD和瀝青混凝土面板土石壩。

混凝土面板堆石壩；斷層；抗震性能；性能分析

目前，對(duì)活斷層或潛在活斷層還沒(méi)有統(tǒng)一的科學(xué)定義。對(duì)同一條斷層，根據(jù)不同的定義可以確定為“活動(dòng)的”或“不活動(dòng)的”。但有一點(diǎn)得到普遍認(rèn)同，那就是斷層活動(dòng)的范圍很大。然而從實(shí)際的角度來(lái)看，如果一條斷層在過(guò)去幾千年甚至上萬(wàn)年中引發(fā)過(guò)一次大地震，大多數(shù)專家會(huì)贊同這就是“活斷層”。

通過(guò)直接觀察和地質(zhì)測(cè)繪，再加上航片解譯和絕對(duì)年齡測(cè)定，可以識(shí)別活斷層。探槽，尤其是垂直于斷層走向且挖至全新世地層以下的探槽，通過(guò)分析被斷層錯(cuò)斷和沒(méi)被錯(cuò)斷的地層和地表，可以確定活斷層。此外，斷層崖、影像、鉆孔和地球物理方法等也有助于活斷層研究。

多學(xué)科協(xié)同研究是必要的，包括地質(zhì)、地震、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和地殼動(dòng)力學(xué)等方面的專家都應(yīng)該參與這項(xiàng)研究，地形地貌相關(guān)專業(yè)人員也可以參與活斷層研究。

目前在學(xué)術(shù)文獻(xiàn)中，有許多不同的術(shù)語(yǔ)用來(lái)描述斷層面兩側(cè)部位的差異運(yùn)動(dòng)，如“斷層破裂”、“斷層滑移”、“斷層運(yùn)動(dòng)”、“斷層位移”等，在本文中這些術(shù)語(yǔ)可以互換。

斷層活動(dòng)不僅可以用矢量來(lái)表示，確定在兩個(gè)水平方向和第3個(gè)垂直方向上的位移量，而且還可專門(mén)用微分向量來(lái)表示，即建立在同一基礎(chǔ)上的兩個(gè)點(diǎn)在三維空間中的位移差。在實(shí)際中，即使有專家的參與，不受研究時(shí)間或預(yù)算的限制，這一層面的三維解還是不容易獲得。

從工程角度來(lái)看，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是壩基的特殊差異運(yùn)動(dòng)是否會(huì)危及大壩的安全?？紤]到問(wèn)題的復(fù)雜性和風(fēng)險(xiǎn)，最終的評(píng)價(jià)結(jié)論很難得出，因此判斷始終帶有保守色彩。

1 CFRD的抗震性能

實(shí)踐證明，即使是在震級(jí)較高、壩址距震中較近的情況下，CFRD也具有良好的抗震性能，世界范圍內(nèi)許多實(shí)例均驗(yàn)證了這一點(diǎn)。目前在工程實(shí)踐中廣泛使用一種地震震級(jí)與壩頂最終沉降量的關(guān)系來(lái)評(píng)價(jià)大壩的穩(wěn)定性。

2008年5月，高156 m的紫坪鋪CFRD受到里氏8.0級(jí)強(qiáng)烈地震的影響，震中距僅17 km。地震對(duì)壩體造成了一定程度的損害，但壩體結(jié)構(gòu)依然保持穩(wěn)定和安全。震后壩下滲透水流變渾濁，但幾天后即恢復(fù)正常。這表明，一般情況下可預(yù)期這類堆石壩的抗震性能良好。

壩基下斷層破裂引起的差異運(yùn)動(dòng)對(duì)CFRD的影響，目前還沒(méi)有值得借鑒的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。對(duì)這類結(jié)構(gòu)的認(rèn)知不僅基于設(shè)計(jì)中用到的知識(shí)，而且還基于從性能觀察中所獲得的經(jīng)驗(yàn)。由于缺乏數(shù)據(jù)，應(yīng)采取保守的設(shè)計(jì)方案。

2 早期的評(píng)估方式

2.1 謝拉德、克拉夫與艾倫(1974年)

謝拉德等人認(rèn)為，保守設(shè)計(jì)土石壩是合理的，不建議在活斷層上或活斷層附近建混凝土壩。設(shè)計(jì)保守的土石壩可以承受壩基中斷層的位移。

對(duì)建在活動(dòng)斷層上的CFRD，尚沒(méi)有給出具體的意見(jiàn)。

2.2 國(guó)際大壩委員會(huì)公告112(1998年)

在國(guó)際大壩委員會(huì)(ICOLD)的建議中對(duì)減輕土石壩的潛在損害提出了基本指導(dǎo)方針，包括選擇適當(dāng)?shù)闹尾牧虾驮O(shè)計(jì)方案，概括如下：

(1) 當(dāng)斷層活動(dòng)的可能性較大時(shí)，最好的方法是放棄壩址，另外選擇一個(gè)危險(xiǎn)性較小的壩址。

(2) 放棄混凝土壩設(shè)計(jì)方案，考慮保守設(shè)計(jì)的土石壩方案。

(3) 設(shè)計(jì)合理的土石壩可以承受壩下斷層較大位移，而壩體不會(huì)遭破壞。

但對(duì)壩基受潛在活斷層影響的CFRD，沒(méi)有提出具體的要求。

2.3 維蘭德、布倫納與波佐維奇(2008年)

維蘭德等人總結(jié)了近幾年來(lái)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)大壩設(shè)計(jì)提出了建議并列舉出了采取結(jié)構(gòu)措施的實(shí)例，主要是針對(duì)混凝土壩和粘土心墻堆石壩。斷層活動(dòng)對(duì)CFRD的影響可歸納為：

(1) 壩基巖石的位移將剪斷趾板并使周邊密封縫開(kāi)裂。沿趾板裂縫、壩基直至面板裂縫將發(fā)生滲漏。這并不表示大壩會(huì)垮塌，因?yàn)槿绻髩芜m當(dāng)分區(qū)，壩體滲透水流不會(huì)帶出細(xì)小顆粒。

(2) 如果水平位移量不到趾板寬度的一半，趾板仍然有足夠的寬度，即使產(chǎn)生裂縫，還是可得到修復(fù)。垂直位移量不應(yīng)超過(guò)趾板厚度的1/4。

(3)對(duì)于防滲面板下排水能力削弱的一些老壩，情況會(huì)有不同，這樣的壩基容許位移量?jī)H為5～20 cm。

(4) 以上估算的沿壩基結(jié)構(gòu)面發(fā)生的容許位移量是非常粗略的。

(5) 一般混凝土壩址不能承受活動(dòng)構(gòu)造帶的影響。

在解釋斷層滑移對(duì)滲透力和壩體其他部位的影響結(jié)論上是沒(méi)有異議的。

2.4 維蘭德(2009年)

維蘭德過(guò)去認(rèn)為CFRD的震損小于其他壩型，然而現(xiàn)在這種看法正在發(fā)生改變。他指出，在地震引發(fā)壩基不連續(xù)結(jié)構(gòu)面差異運(yùn)動(dòng)作用下，CFRD易于受損。

認(rèn)識(shí)到這些問(wèn)題，可以促進(jìn)壩基斷層活動(dòng)對(duì)CFRD的影響研究。

3 合理的破壞機(jī)理

下面著重討論CFRD受壩基水平或豎向差異運(yùn)動(dòng)影響下的合理和可能的破壞機(jī)理，再現(xiàn)了壩體變形的8個(gè)不同階段。扼要介紹了利用物理和巖土學(xué)原理進(jìn)行的機(jī)理分析。

3.1 階段1——斷層豎向位移(圖1與圖2)

地震剛發(fā)生，壩基中產(chǎn)生豎向差異位移，位移量可能在數(shù)厘米到數(shù)米，假設(shè)位移量大于趾板高度，盡管這一假設(shè)對(duì)下面的討論并非必要。無(wú)論何種情況，位移都可能穿過(guò)接縫(水平)，最不利情況是斷層位于壩體橫剖面最高點(diǎn)和豎向接縫附近。

因?yàn)殡y以確定斷層通過(guò)壩腳的具體位置，需要一些假設(shè)。壩基豎向位移在壩頂產(chǎn)生共振沉降，但共振沉降量很小，僅有數(shù)厘米。由斷層豎向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的壩頂總沉降量相當(dāng)大，取決于地震震級(jí)和震中距。

3.2 階段2——周邊或垂直接縫開(kāi)裂(圖3)

假定這種垂直位移是“集中”的斷層錯(cuò)動(dòng)，垂直位移后隨即會(huì)在混凝土面板和趾板之間的接縫產(chǎn)生同等量的裂縫，在兩塊相鄰面板之間的垂直接縫間會(huì)產(chǎn)生同樣的影響。

如果位移出現(xiàn)在水平方向上，結(jié)果相似，這一假設(shè)可能更具悲觀性，因?yàn)樗轿灰频钠茐暮蠊赡芘c垂直位移的相同，也可能更糟，巨大的水力梯度可能無(wú)限，影響范圍可能很廣。

3.3 階段3——巨大的水力梯度(圖4)

斷層的突然位移會(huì)產(chǎn)生巨大的水力梯度，這個(gè)水力梯度難以準(zhǔn)確計(jì)算，其初始值理論上可能接近無(wú)窮大。這是由于在上游面不管是什么材料，其中的孔隙水壓力相當(dāng)于水深，而在下游面孔隙水壓力為大氣壓，一旦破裂發(fā)生，兩點(diǎn)間的距離為零，因此水力梯度無(wú)窮大。

破裂發(fā)生后幾分鐘或幾秒鐘，水力梯度會(huì)降低，因此這些巨大的水力梯度在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生相當(dāng)大的集中內(nèi)驅(qū)力。盡管這一水力梯度持續(xù)時(shí)間短，但必須加以考慮，可以用一個(gè)連續(xù)的內(nèi)力來(lái)代替其影響。

3.4 階段4——材料流失

這一水力梯度幾倍于極限水力梯度并隨時(shí)間降低，但其廣泛分布于斷層位移帶附近。一些較細(xì)的砂礫顆粒在這一水力梯度作用下填充到較大顆粒的孔隙中，可能會(huì)產(chǎn)生集中滲漏，結(jié)果導(dǎo)致2B區(qū)的顆粒向3A區(qū)運(yùn)移。同樣地，3A區(qū)的顆粒向3B區(qū)運(yùn)移，但運(yùn)移強(qiáng)度較低。

材料流失量難以確定，雖然它在影響區(qū)中所占比例為1%～5%。

3.5 階段5——混凝土面板開(kāi)裂(圖5)

由于材料的流失，在混凝土面板上出現(xiàn)異常的剪應(yīng)變和大裂縫，因此在相應(yīng)斷面的下部混凝土面板 會(huì)受到破壞，將出現(xiàn)張裂縫、破裂、空洞和微裂隙。

3.6 階段6——面板滑動(dòng)(圖6與圖7)

混凝土面板的破損及其下孔隙水壓力的升高將導(dǎo)致接觸剪應(yīng)力降低，壩腳受影響最嚴(yán)重的面板將向下滑動(dòng)，甚至在不考慮下部漩渦流的情況下也會(huì)發(fā)生，這是由于垂直節(jié)理的低抗剪強(qiáng)度所致，在設(shè)計(jì)中并未考慮這種受力狀態(tài)。這就容易解釋斷層破裂

后面板會(huì)滑落到趾板上，相鄰的面板也會(huì)受到影響。

由于這些面板滑動(dòng)的發(fā)生，垂直位移量不必大于趾板的高度，因?yàn)檩^低部位的面板下部完全受到破壞也會(huì)發(fā)生滑動(dòng)。

上游壩坡比介于1.4H∶1V(34°)和1.6H∶1V(32°)時(shí)壩坡是穩(wěn)定的，混凝土面板與2B區(qū)填料(通常是過(guò)渡堆石料，顆粒從粉粒到卵石)之間的抗剪強(qiáng)度足夠高，摩擦角大于32°～34°?？墒?，天然建筑材料與混凝土之間的摩擦角常假定為初始摩擦角的66%～75%。因此，僅在靜荷載作用下，基底材料的摩擦角(2b)應(yīng)大于45°～50°以保證穩(wěn)定性。因?yàn)榧俣ㄆ茐陌l(fā)生時(shí)地震已經(jīng)結(jié)束了，不必考慮地震力的作用。

如果假設(shè)混凝土面板與2D過(guò)渡料接觸，穩(wěn)定性將得到改善，但不必要做到過(guò)于安全。

3.7 階段7——止水效果的喪失(圖8)

斷層滑移前不久，庫(kù)水位應(yīng)在正常高水位。地震發(fā)生后，在前6個(gè)階段已經(jīng)完成時(shí)，受影響的面板頂面標(biāo)高可能低于大壩高處的水位。因此，面板的下滑將破壞上游壩面的止水效果。雖然壩頂防浪墻完好無(wú)損，但這并不見(jiàn)得有益，因?yàn)閹?kù)水并不會(huì)與之接觸。

3.8 階段8——通流現(xiàn)象(圖9)

類似于漫壩，不同的研究者以不同的形式對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行過(guò)深入研究。水會(huì)從大壩上部的堆石體流過(guò)，雖然水流沒(méi)有漫過(guò)壩頂，但仍然會(huì)沖開(kāi)填筑料，顯然強(qiáng)大的沖蝕力可能會(huì)沖出一個(gè)垂直缺口。這一類似漫頂事件一經(jīng)激發(fā)，后果不堪設(shè)想。例如，下游壩肩積聚起來(lái)的高孔隙水壓力可能影響壩背水坡的總體穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文描述了建在活斷層上的面板堆石壩可能合理的破壞機(jī)理。假定趾板地基產(chǎn)生了差異運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)量的大小并不重要，本文從巖土學(xué)和水力學(xué)方面入手討論了建筑物在這種差異運(yùn)動(dòng)作用下的反應(yīng)。問(wèn)題的關(guān)鍵是在周邊縫產(chǎn)生了巨大的水力梯度(理論上接近無(wú)限大)，這種破壞機(jī)理是諸多可能的破壞機(jī)理之一。為了確保壩體的穩(wěn)定性，在面板堆石壩的設(shè)計(jì)中必須積極穩(wěn)妥地處理所有這些危險(xiǎn)。

研究得出的主要結(jié)論是，當(dāng)壩基下存在潛在活斷層時(shí)，目前不推薦修建CFRD和瀝青混凝土面板土石壩。

(於汝山 馬貴生 編譯)

2014-12-01

試驗(yàn)與研究

1006-0081(2015)01-0033-04

TV641.43

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