强震区高拱坝抗震安全研究

2010-07-12王开拓辛全才马金磊

中国水利 2010年10期

王开拓，辛全才，马金磊

（1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，712100，杨凌；2.水利部海河水利委员会海河下游管理局，301602，天津）

一、前言

我国位于世界两大地震带——环太平洋地震带与欧亚地震带之间，受太平洋板块、印度洋板块和菲律宾海板块的挤压，地震断裂带十分发育，具有地震活动频度高、强度大、震源浅、分布广、破坏性强等特点。近几年，全球地震灾害频发，“5·12”汶川大地震、海地地震、智利大地震和“4·14”玉树地震，对人类的生存、生活和基础建设都造成了极大的威胁。汶川大地震后，大坝的抗震安全成为社会各界关注的焦点。我国水力资源总量十分丰富，而且我国水力资源的70%集中分布在西南地区、西北地区，这些地区的地形、地质条件适宜修建高拱坝。我国西部已建或在建的一批高拱坝如表1所示。但是，这些地区也正是地震频发的高烈度区，近年来坝址区还出现了高应力、高边坡、大型地下隧洞和厂房等新的特点。地震成为高拱坝设计的控制工况，水库大坝的抗震安全成为最突出的问题。当前，强震区高烈度区的高拱坝抗震设计理论研究还落后于高拱坝工程建设的步伐，这使得研究解决强震区高拱坝的抗震安全问题十分迫切。

表1 我国西部地区已建和在建的重要高拱坝

二、高拱坝地震破坏机理研究

高拱坝地震破坏机理是保证其抗震安全所要关注的首要问题，而拱坝坝肩岩体的抗滑稳定则是拱坝坝体结构安全的基本前提。因此强震区高拱坝的地震破坏应该包括高拱坝坝体结构强度破坏和坝肩岩体的稳定破坏两个方面。

1.坝体强度的地震破坏机理

目前拱坝设计规范规定，设计主要受控于用拱梁分载法求出发生在坝体的最大主压应力和最大主拉应力须分别符合规定的容许压应力和容许拉应力，而控制标准则是一种与材料强度无关的经验指标，难以真实反映坝体内部的剪切破坏。

地震作用是破坏强震区高拱坝的主要荷载，动力放大效应在坝体上会出现最大可达7～8MPa的动拉应力，远超过混凝土的极限抗拉强度。拱坝各坝段间经灌浆的伸缩缝抗拉强度极低，由静水荷载在此处产生的压应力很小，使得伸缩缝在坝面发生局部的反复张开和闭合，拱坝上部不再是整体结构，应力将重新分布，导致拱向地震拉应力大幅度降低，局部梁向应力增加，不利于拱坝的整体稳定，同时也削弱了拱坝的抗震安全性。

大坝混凝土材料动力性能的研究是影响拱坝坝体结构强度地震破坏机理的第二个重要的因素。强震区高拱坝自频较低，但是混凝土等级较高，在1/4周期达到材料极限强度的加速度仍可达到20 MPa/s，比常规静态试验中采用的0.4 MPa/min提高近3 000倍。国外和我国少量混凝土材料的动强度试验资料表明，动态强度可较静态时提高30%以上，表明静态下混凝土材料的强度不能准确分析地震作用下的混凝土大坝安全，因此混凝土材料动力特性试验对研究高拱坝地震破坏机理，并提出确定的大坝混凝土抗震动态指标，对高拱坝的抗震设计具有重要意义。

2.坝肩岩体的地震破坏机理

高拱坝是一个复杂的高次超静定不规则壳体结构，与重力坝相比，拱坝对地形地质条件特别是两岸坝肩地质条件要求较高，在水压力作用下坝体的稳定不需要依靠本身的重量来维持，因为拱坝的水推力、温度荷载等外力最终传递到两岸坝肩，主要是利用拱端基岩的反作用来支撑。在强烈的地震中，拱坝两岸坝肩岩体的失稳滑动或严重破坏引发溃坝的可能性非常高。现阶段坝肩岩体的地震破坏机理的主要研究方法是根据相似原理采用模型试验。由周秋景等对四川铜头拱坝、金沙江溪洛渡高拱坝、构皮滩拱坝、江口双曲拱坝以及小湾拱坝模型试验的总结分析，得出拱坝的破坏形式不尽相同，但坝肩破坏机理可分为两类：一类是由于坝肩岩体开裂或者坝肩变形过大最终导致坝体失去承载能力；另一类是因坝体材料强度不够导致坝体自身出现裂缝，且不断扩张影响到坝肩，最终使得坝体结构整体破坏。

三、高拱坝抗震设计理念的完善

1.抗震评价准则

抗震评价准则是高拱坝抗震安全分析的依据，对于新建的大坝工程，大多数国家都制定有建筑物的抗震安全条例。1989年世界大坝委员会颁布的现行抗震安全指南中指出，大型坝必须能经受坝址处发生最大可信地震 MCE （Maximum Credible Earthquake）而引起的最大地面运动。这就意味着要求最大可信地震MCE震后大坝可遭受一定程度的震害，但又不会使水库发生无法控制的泄水灾难。所谓高拱坝抗震设防标准主要是指高拱坝工程设计地震或校核地震在基准期内发生该地震的超越概率。现在在国际上逐步采用两级或者分级抗震设防标准，如美国大坝抗震采用运行基准地震OBE（Operational Basis Earthquake）及最大设计地震MDE （Maximum Design Earthquake）两级设防：要求运行基准地震OBE，震后结构不发生破坏或仅有轻微破坏而能够继续运行且易于修复；要求最大设计地震MDE，震后大坝不发生灾难性破坏。汶川大地震后，水电水利规划设计总院对我国现行大坝抗震标准进行了复核，对于1级挡水建筑物在设计地震的基础上增加了校核地震，即将规范中采用一级设防标准基准期100年超越概率2%，再取基准期100年超越概率1%或最大可信地震MCE动参数进行校核，并要求进行极限抗震能力分析。因此国外对大坝抗震设防的理念值得我们深入研究和借鉴，以完善高拱坝抗震的评价标准，按照安全性和经济性的原则使大坝的抗震设计更为实际，更为合理。

2.大坝混凝土材料动力特性研究

我国目前在常规拱坝抗震分析中将混凝土在地震作用下的动态强度与弹性模量取静力情况下的1.3倍进行分析，忽略加速度对其的影响。那么在混凝土材料的动力试验中，混凝土材料的动态强度影响因素有混凝土的强度等级、混凝土试件的湿度、试验设备、加载速率、加载方式、加载历史和试件尺寸等。国内外部分专家学者对此作了深入的试验研究。20世纪50—60年代日本的火田野正在对混凝土动态强度试验中发现，加载速率对其有重要的影响。1984年Raphael在五座混凝土坝中取样进行动力试验，得到混凝土动态抗压强度较静强度平均提高31%，直接拉伸强度平均提高66%，劈拉强度平均提高45%，但是结果较为离散、粗糙。国内对混凝土动态试验的研究起步于1986年清华大学陈肇元等进行的混凝土快速变形下的抗压及抗拉性能试验。目前国内主要有中国水科院、清华大学、大连理工大学以及河海大学等科研机构和高校进行相关研究。大连理工大学肖诗云等在分析高拱坝特点的基础上，研究了应变率和湿度条件分别对混凝土动态强度及变形特性的影响。近年来闫东明等对混凝土动态特性同样进行了大量试验研究。

在此要说明应当注意的几个问题。首先是关于加载速率的问题，现在很多有关混凝土动态强度的研究都是针对恒定的加载速率而进行的，实际上在地震作用下大坝各部分所承受的应变速率是不同的，同一部位不同时刻的应变速率也不尽相同。第二是关于加载历史的问题，实际坝体地震应力应该是在静态应力的基础上叠加的，特别是对于高拱坝来说静态应力更大，因此不同初始荷载时的动强度试验对高拱坝抗震设计意义重大。最后是有关试件尺寸的问题，当前许多试验是在骨料经过湿筛后的试件上进行的，与全级配大坝混凝土试验有着明显差异，所以说开展不同静态预载水平下全级配大坝混凝土动态性能研究急需加强。

3.高拱坝抗震设计分析

对于强震区高拱坝的抗震设计，坝体必须满足强度的要求，坝肩必须满足稳定的要求。当前高拱坝抗震理论分析的主要方法可分为数值分析方法和模型试验方法两大类。

拱坝静力分析的基本方法是试载法，动力分析的基本方法是拱梁分载法，坝肩稳定分析的基本方法为刚体极限平衡法，有限单元法则作为动力分析校核的主要方法。目前已在大坝动应力、变形分析中广泛应用数值分析的方法较多，并且可以作为高拱坝抗震分析的一种有效手段，大体可分为连续变形数值分析方法（有限单元法、边界元法等）和非连续变形数值分析方法（刚体弹簧元法、块体单元法、界面元法、数值流形方法等）。因此，许多学者在基本方法的基础上进行改进或者提出新的抗震理论分析方法，如，张伯艳、陈厚群等结合有限元和刚体极限平衡法来进行分析；金峰提出有限元—边界元—无限边界元（FEBE-IBE）耦合方法；以廖振鹏院士创立的人工透射边界为核心的人工透射边界和显式有限元法等。将坝肩与坝体联合进行分析或将坝体—地基—库水作为整体考虑，使计算结果更加切合实际，提高计算精度，有效地解决高拱坝抗震稳定性分析难题。

另一方面，高拱坝地震动力模型试验也是高拱坝抗震安全性分析的重要手段，对于深入地研究强震区拱坝地震破坏机理尤为关键，为评价强震区高拱坝抗震安全等级提供更加全面合理而且有力的资料、依据。通过量纲分析可得到模型与原型结构间的各种物理参数，以模型试验的结果推断实际结构的性能及在给定外荷载作用下的响应。但是高拱坝的抗震模型试验的方法在实际操作中还存在一些问题：①受地震振动试验台的限制，难以对高拱坝进行模拟；②受模型加载方式的限制，难以模拟强震区高拱坝复杂的三维地应力场、温度场和渗流场的耦合；③受模型跟踪监测技术的限制，难以观测大坝和高边坡破坏的全过程；④进行降强破坏试验无论是静力还是动力都很难在同一个模型上完成，因此与数值模拟相比试验成本高、周期长；⑤不同模型间还存在差异的影响。

四、高拱坝抗震措施研究

随着我国水电事业的蓬勃发展，高拱坝的抗震设计水平也在不断提高，对于强震区高拱坝抗震措施的研究也在不断深入。为了减少大型水库的风险，提高强震区高拱坝的抗震安全性能，在高拱坝的抗震措施中必须采取非工程措施和工程措施。其中高拱坝非工程抗震措施包括大坝地震安全预警系统、高拱坝坝体及坝肩的结构性能监测系统、大坝安全事故应急措施以及大坝管理人员的培训等等。高拱坝抗震结构工程措施包括大坝抗震坝形的优化，坝基交接面附近设置底缝和周边缝、配置横缝抗震钢筋、横缝间布设阻尼器、设置适应横缝张开大变形的止水、坝体上部设置预应力钢索、调整坝体混凝土的分区以及拱坝两岸坝肩岩体的抗滑稳定措施等等。

近年，中国水科院、清华大学、河海大学以及大连理工大学等科研机构和高校都对此作了深入研究。诸多研究表明，高拱坝的横缝在强烈地震作用下很容易开裂，而且宽深比越大，横缝张开的可能性和程度也就越大。横缝的张开可能会导致缝间止水的破坏和拱梁应力的重新分配，降低拱坝拱的作用，增大梁向应力，影响拱坝的整体性和抗震安全性。因此采取抗震措施控制横缝的张开度是高拱坝抗震的重点。而坝体横缝处安装阻尼器就是控制横缝张开度的新设想，而且与跨横缝钢筋相比有不屈服、工程量小、不影响工期和抗震效果明显等优点。由清华大学王品江等学者对设置跨横缝钢筋和阻尼器进行了系统的比较，提出了这两种措施的优化组合方案，采用横缝配筋可显著降低横缝开度，并选择在较大的横缝上配置阻尼器，充分发挥两者优势，其抗震方案更经济合理，效果更明显。高拱坝抗震措施汇总于表2。

另外两岸坝肩岩体稳定是拱坝安全的根本保证，强震区高拱坝的安全性在很大程度上取决于坝肩岩体的稳定性，故在此对高拱坝两岸坝肩岩体的抗滑稳定措施作以下说明。由于地形和地质条件的不同，两岸坝肩拱座内存在断层、软弱夹层、断裂、破碎带及层间错动等软弱结构面，将直接影响到拱坝的稳定与安全。坝肩岩体失稳最常见的形式是坝肩岩体受荷载后发生的滑动破坏，根据陈胜宏对岩体滑动破坏形式的分类，有无滑动面的自由脱离、单面滑动和双面滑动破坏三种形式。故在拱坝抗震中，通常采取的做法是清除坝肩松动岩体、坝基帷幕灌浆以及对节理发育地基进行固结灌浆、对坝肩潜在滑动体进行预应力锚索加固、在坝肩薄弱部位增加混凝土垫座，配置钢筋网以增强其整体性，防止坝肩局部压缩变形；同时要在坝肩下游侧设置排水设施，防止渗流破坏，减少坝肩的渗透压力等等。根据坝肩岩体抗滑稳定的复核，并采取上述相应的抗滑稳定措施，使其满足规范的要求。

表2 高拱坝抗震措施一览表

除此之外，对于高拱坝设计还需特别重视高边坡及泄洪设施的抗震安全。近年来高边坡导致的无交通条件是西部地区高拱坝工程所面临的另一个显著的问题，那么高边坡处理的对象主要是指左右岸坝顶以上的不稳定的松动体、堆积体和鸡冠梁、青石梁等以及零星的危石。通常对其采取清坡、系统锚固、主动防护网紧贴边坡包囊防护、被动防护网挡护和混凝土喷护等处理措施，使加固处理后各工况组合抗滑稳定安全系数达到设计控制标准。

五、结语

①高拱坝的抗震安全必须包括坝体自身的安全和坝肩岩体的抗震稳定。强震区高拱坝的地震破坏机理研究应该包括高拱坝坝体结构强度破坏和坝肩岩体的稳定破坏两个方面。

②在强震区高拱坝的抗震设计理念中，应当不断完善强震区高拱坝的抗震评价机制，加强混凝土材料动态特性的研究，提出并建立起大坝混凝土材料的动态指标。

③今后在高拱坝抗震设计研究中应当形成“由静转动、动静结合”的设计思想，以数值分析方法为基础的模型仿真与动力分析软件的开发将会推动高拱坝抗震安全分析的长足发展；虽然模型试验的受制条件较多，但是模型试验对高拱坝抗震安全分析的重要作用不可忽视，可作为其校核或检验的有效手段。

④在地震中高拱坝抗震措施是强震区高拱坝抗震安全的重要保障，不仅应加强拱坝结构工程抗震措施的研究，而且要重视非工程措施的建设与完善。高拱坝的众多抗震措施都各具优缺点，根据当前高拱坝抗震措施的研究与工程抗震的效果来看，两种或两种以上不同的抗震措施联合使用（如跨横缝配置钢筋与坝体横缝处安装阻尼器组合优化），其抗震效果更明显而且经济合理。

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