浅谈土工格栅在高心墙堆石坝抗震设计中的应用

冉从勇，喻 畅

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 应用背景介绍

土或堆石体具有一定的抗压强度和抗剪强度，但抗拉性能较差。土或堆石结构在自重或外力的作用下易产生变形或失稳。加筋土工技术正是基于这点，在土或堆石体中一定部位铺设水平方向的加筋材料，在土或堆石体压实后，由于土或堆石体与筋带材料密切结合成加筋土或加筋堆石体，其依靠筋材与土或堆石体的相互作用以及格栅网眼所具有的特殊的嵌锁和咬合作用，限制其上下土或堆石体的侧向变形［1－2］，从而增加土或堆石体结构的稳定性，提高土或堆石体的抗剪强度和变形特性。

我国从20世纪80年代开始应用土工加筋技术以来，因其实用有效、施工简单、造价较低而迅速得到推广。土工格栅是一种常用的土工加筋材料，目前已被广泛应用于软基加固、堤防、高速公路、铁道、机场和挡土墙等工程实践中，取得了良好的工程效果与经济效益。同时，国内外学者对土工格栅的加筋机理和变形特性作了大量的理论分析和试验研究。工程实践和实验研究表明，加筋土的强度和稳定性比无筋土有较大的提高［3－5］。

近年来，我国西部地区拟建的高土石坝越来越多。但由于西部地区地质条件复杂、地震频繁且强度高，高土石坝的抗震安全是工程设计关注的主要问题之一。土石坝震害实例、振动台模型试验及地震动力反应分析均表明，坝体上部1/5～1/4坝高范围坝体的地震动力反应较大，是土石坝抗震设计防护的主要部位［6］。在高心墙堆石坝抗震设计中，对坝体上部1/5～1/4坝高范围进行抗震加固是目前高土石坝抗震设计的主要措施。借鉴土工格栅加筋技术，对坝顶堆石进行加筋，依靠筋材与堆石体之间的摩擦和嵌锁咬合作用传递拉应力，增加堆石体的变形模量，改善加筋堆石复合体的抗剪强度和变形特性，以提高堆石的整体性及抗震稳定性。

自1986年首次在Cascade土石坝上铺设土工格栅进行坝顶抗震加固以来，坝顶加筋已成为目前高土石坝抗震加固设计的主要方法。近年来，已建的冶勒沥青混凝土心墙堆石坝、水牛家砾石土心墙堆石坝、跷碛砾石土心墙堆石坝以及瀑布沟砾石土心墙堆石坝等均采用土工格栅进行坝顶抗震加固。

笔者结合瀑布沟水电站砾石土心墙堆石坝的抗震设计和施工对土工格栅在高堆石坝抗震设计中的应用作一总结，愿与同行探讨。

2 在汶川大地震中相关工程土工格栅加筋体的抗震性能

2.1 国道G213加筋土结构在汶川大地震中的震害及试验研究

(1)汶川大地震后，西南交通大学对国道G213都江堰—映秀段加筋土结构进行了震害调查统计［7］。

加筋土挡墙震害情况:调查共统计了6处加筋土挡土挡墙，加筋土挡墙最大高度为14～20m，挡墙长度50～135m;挡墙分二级设置，填料为碎砾石土，筋带采用CAT300200C钢塑复合带，长度为5～8m;墙面板为C25钢筋混凝土矩形面板;每隔10～15m处设置伸缩缝，伸缩缝宽2cm。在汶川大地震中仅2处挡墙在地震中遭受破坏。破坏原因一处为路基强度不够，一处也仅第二级平台有轻微开裂鼓胀现象，但不影响挡墙使用和功能。

加筋土路基震害情况:该路段加筋土路基一共32处，加筋土路基段长度范围为32～153m，筋材为土工格栅。在斜坡路堤下部铺设土工格栅进行加固处理，上部和下部每填土压实60cm铺设一层土工格栅，在外侧回折2m;土工格栅上、下侧填料的最大粒径上限为压实厚度的2/3(在紧靠格栅层8cm内的填料小于6cm)。在地震作用下，加筋土路堤的路基(路面)、坡面防护遭受到了一定的破坏，但路堤土工格栅良好，未受到地震破坏。

(2)汶川大地震后，相关学者对国道G213都江堰—映秀段加筋路基的抗震性能进行了振动台模型试验研究［8］，认为土工格栅能有效地降低土体对地震加速度的放大效应，在地震作用下边坡中下部到坡肩为最易破坏失稳部位，加筋措施能显著减弱土体的破坏程度。

2.2 冶勒水电站大坝在汶川大地震中地震反应分析［9］

冶勒大坝坝顶高程2654.5m，最大坝高125.5m ，坝顶宽14m，上游坝坡为1∶2.0，下游坝坡为1∶1.8。坝体主要由沥青混凝土心墙、坝壳堆石料在心墙，以及在心墙与坝壳堆石之间的碎石反滤料和过渡料组成。心墙底部设钢筋混凝土垫座，垫座下为混凝土防渗墙。

结合静、动力计算并参考类似工程经验，在大坝上、下游堆石体2624.5m高程以上设置抗震土工格栅，其中2624.5～2634.5m高程之间每两米铺设一层土工格栅;2634.5m高程以上，每米铺设一层土工格栅。

“5.12”汶川大地震后，对地震时冶勒大坝最大断面(坝0+220.00m)沿坝坡的加速度、速度和位移监测成果进行了分析。从加速度的反应看，沿大坝下游坡面顺河向和横河向加速度沿高程先减小再增大，在坝顶和下游坝脚位置同时达极值，但坝顶的加速度要大于坝脚;在竖直向，沿大坝下游坡面的加速度沿高程先增大再减小，在2624.5m高程达极值。从加速度各方向的分量来看，顺河向的加速度最大，横河向的次之，竖直向的最小，但横河向加速度与顺河向加速度相差的幅度并不大。速度反应总体上是沿着高程的增加而略有增大;三方向的位移反应都是坝顶最小。

大坝地震反应从坝体内监测廊道的位置到坝顶位置沿高程放大。其中，顺河向加速度放大倍数约为3.0，横河向及竖直向加速度放大倍数约为2.0。大坝地震反应从监测廊道位置到下游坝脚位置沿水平距离放大。其中，顺河向加速度放大倍数约为3.5，横河向加速度放大倍数约为1.7，竖直向加速度放大倍数约为2.3。这明显地表现出大坝地震反应由坝体内部向坝体表面的放大作用。

综合分析认为，在坝体上部2624.5m高程以上上、下游坝坡堆石体中增加抗震措施是很必要的，土工格栅在汶川大地震中起到了很好的抗震效果。

3 土工格栅在瀑布沟砾石土心墙堆石坝抗震设计中的应用

3.1 大坝结构设计概况

瀑布沟水电站的砾石土直心墙堆石坝，大坝抗震设防类别为甲类，设计烈度为8度。

大坝坝顶高程856.00m，坝顶宽度14m，最大坝高 186m，上游坝坡 1∶2和 1∶2.25，下游坝坡 1∶1.8。坝体分为砾石土心墙、反滤层、过渡层和堆石区。心墙顶高程854.00m，顶宽4m，上、下游侧坡度均为1∶0.25，底宽96.0m。心墙上、下游侧各设二层反滤层。在心墙底部坝基防渗墙下游也设两层反滤料，并与下游堆石基础反滤层连接。反滤层坝壳堆石间设过渡层。为了减少不均匀沉降，防止坝体开裂，在心墙与两岸基岩接触面上铺设3m厚的高塑性黏土，在上游防渗墙顶刺墙、下游防渗墙廊道周围和心墙底部也铺设高塑性黏土。

坝基采用2道全封闭混凝土防渗墙，墙厚1.2m，中心间距 14m。上游防渗墙最大深度76.85m，下游防渗墙最大深度75.55m。上游防渗墙顶刺墙插入大坝心墙，下游防渗墙顶部设灌浆兼观测廊道。为了增加下游坝基中砂层的抗液化能力，在下游坝脚设两级压重体。大坝结构见图1。

3.2 大坝抗震计算［10－11］

按现行规程规范要求，瀑布沟水电站大坝抗震安全性评价和抗震设计既采用了规范要求的拟静力法，也采用了基于静力和动力有限元分析的抗震稳定评价方法。

“5.12”汶川地震后，根据相关要求对坝址区地震动特性重新进行了安评分析，确定了大坝设计地震采用100年超越概率0.02(基岩峰值水平加速为225gal);校核地震采用100年超越概率0.01(基岩峰值水平加速度为268gal)。

3.2.1 拟静力法的坝坡稳定分析

图1 瀑布沟砾石土心墙堆石坝剖面图

结合抗震设计，本文仅介绍大坝稳定渗流期、稳定渗流遇设计地震和校核地震的稳定性分析。计算采用简化毕肖普法，计算剖面为河床中部典型剖面(拟合剖面)。计算假定上游坝壳内浸润线与上游水位相同;心墙及下游坝壳料内浸润线依据渗流计算确定。在滑裂面的搜索计算时，考虑了上、下游砂层可能对滑动面产生的影响，除了采用常规的搜索方法外，还采用了折线过砂层的计算方法;滑裂面位置先用穷举法，再用最优化法进行搜索;垂直地震力分别计算向上和向下两个方向;坝壳料参数用线性和非线性参数分别进行计算，计算指标参数见表1。计算结果见表2、图2和 图3。

表1 坝坡稳定计算参数

计算表明:大坝的稳定主要由心墙料(包括反滤料、过渡料)及基础覆盖层控制，堆石料采用非线性参数和线性参数计算结果几乎一致，各种工况下大坝上、下游坝坡稳定安全系数均满足要求。

3.2.2 三维静、动力反应分析

大坝位于大渡河河湾处，河谷深切，坝体空间效应显著，为了分析大坝抗震安全性，进行了大坝三维静、动力有限元分析，本文仅介绍动力计算成果。

3.2.2.1 计算参数的选取

技施阶段在前期大量试验研究的基础上，结合瀑布沟坝体施工实测级配、密度等指标和复核力学试验成果，同时参考地基和筑坝材料相近、同在大渡河上、具有高低围压研究成果的长河坝、双江口和龙头石工程的动力特性试验参数，通过反复论证确定动力计算参数(见表3和表4)。

3.2.2.2 计算方法及计算结论

大坝动力计算采用等价线性粘弹性模型，地震永久变形采用舍夫(Serff)和西特(Seed)等提出的应变势概念为基础建立的整体变形计算方法。对于粒径较大的堆石材料，考虑到地震过程中颗粒的破碎，残余应变应考虑振动过程中堆石的体积变形和剪切变形;地震液化利用试验动孔压比与动剪应力比关系曲线计算动孔压与液化度的方法进行研究;动力计算采用W ilson－θ法，进行时程逐步数值积分，求解动力平衡方程式;将整个地震过程分为若干时段，以提高迭代收敛速度，同时反映地震过程中材料的软化。主要计算结论如下:

表2 典型剖面坝坡稳定计算安全系数

图2 瀑布沟大坝典型剖面正常蓄水位稳定渗流期上、下游坝坡危险滑弧示意

图3 瀑布沟大坝典型剖面正常蓄水位稳定渗流期遇地震上、下游坝坡危险滑弧示意

表3 坝料动弹性模量和阻尼比计算参数(河海大学振动强化模型)

表4 坝料永久变形计算参数

(1)在设计地震波作用下，大坝的水平、竖直和坝轴向绝对加速度反应极值放大倍数分别为3.80、2.61和2.97倍，主要分布在河床坝段的坝体顶部;坝坡地震抗滑稳定分析的安全系数小于1.2的滑弧位置基本位于坝顶附近;坝坡最大累积滑移量14.8cm。参照美国和瑞士的抗震安全评价标准，大坝坝坡在给定地震条件下不会出现滑动失稳破坏。大坝最大永久变形82.9cm，位于河床最大断面坝顶位置，地震沉陷量为坝高(不含覆盖层厚度)的0.4%。在校核地震波作用下，大坝的加速度与动应力反应分布规律与设计地震一致，反应量值有所增大，水平向绝对加速度反应极值放大倍数达3.73倍;坝坡最大累积滑移量24.3cm;大坝最大永久沉降变形109.4cm。

(2)在设计地震作用下不考虑消散，砂层透镜体的孔压极值为357.6kPa，动孔压比为0.62，不会发生液化;大坝反滤层的最大动孔压比为0.37，不会发生液化。在校核地震作用下不考虑消散，砂层透镜体的孔压极值为481.7kPa，动孔压比为0.89，不会发生液化;大坝反滤层的最大动孔压比为0.47，不会发生液化。

(3)大坝极限抗震能力计算表明:坝基砂层液化和坝顶较强的鞭梢效应成为大坝抗震的薄弱环节，大坝的极限抗震能力为0.45g左右。

3.3 土工格栅在大坝抗震设计中的应用

由计算分析可知，在地震动力作用下，810m高程以上坝体的加速度反应相对较大，鞭梢效应较强，有必要在坝顶810m高程以上增加抗震措施，以提高坝顶部位坝体的整体性和稳定性，减小地震引起的永久变形，进而提高坝体的抗震能力。通过对坝体上部的钢筋混凝土锚固梁、土工格栅等加固措施的综合比较，认为土工格栅的铺设受气候环境的影响小、施工简捷快速，且对堆石坝的填筑施工进度影响很小，加之土工格栅在冶勒大坝、水牛家大坝、跷碛大坝中的成功应用经验，确定采用土工格栅。其布置范围为大坝上部810.00～834.00m高程之间垂直间距2.0m、835.00～855.00m高程之间垂直间距1.0m，水平最大宽度30m。

3.3.1 土工格栅技术指标及要求

为增强格栅对回填料的崁锁，提高坝体抗蠕变能力，同时考虑到本工程的重要性，选用了性能较好、强度较高的双向土工格栅。纵、横向极限抗拉强度，每延米纵向拉伸屈服力150kN;纵、横向伸长率为2%时，其每延米抗拉力应不小于85kN;纵横向屈服伸长率不大于8%。土工格栅埋设在强度较高的硬质堆石体内，要求材料具备较高的抗折、抗冲击能力，土工格栅在堆石的撞击和碾压机具的冲击作用下不会产生断裂，并保持原有的强度和延伸率;要求在纵、横两个方向均具有一定强度和抗变形的整体性;抗紫外线能力、化学稳定性和生物稳定性等应满足相关规程规范的要求。

3.3.2 土工格栅的施工

土工格栅铺设前先对铺设面进行清理，对作业面突起的石块进行挖除，并对局部不平部位采用细料找平、碾压，以保证土工格栅铺设面平整，经验收合格后铺设土工格栅。土工格栅铺设平铺、拉直，不能有褶皱，尽量张紧，然后用插钉固定，不得重叠，不得卷曲、扭结。土工格栅的铺设按受力方向进行，纵向垂直坝轴线，横向幅与幅之间的连接采用人工绑扎，绑扎材料为母材，搭接宽度不小于15cm，同时保证不同铺设层的土工格栅在上下层间必须错缝。土工格栅铺设定位后，随即采用填筑料进行覆盖，裸露时间不超过48h。为保证施工进度，采用边铺设边回填的流水作业法，卸料后采用推土机进行摊铺，25t自行平碾压实，以保证填筑料满足坝体填筑的施工质量要求。

4 结束语

由于土工格栅的铺设受气候环境的影响小、施工简捷、快速，且对堆石坝的填筑施工进度影响很小，土工格栅在冶勒沥青混凝土心墙堆石坝、水牛家砾石土心墙堆石坝、跷碛砾石土心墙堆石坝以及瀑布沟砾石土心墙堆石坝中成功应用，为高堆石坝坝顶抗震设计和计算创造了良好的开头;但目前关于土工格栅与堆石体之间的作用机理、抗震效果、材料抗变形特性等尚未得到清楚的认识，计算分析方法欠完善和成熟，现场监测资料更少，设计理论与方法还不能满足工程建设的需要。

建议科研和设计部门加强合作以进一步清楚认识格栅与堆石体之间的作用机理、抗震效果、材料抗变形等特性。随着土工格栅生产技术的不断发展，土工格栅在高堆石坝抗震设计中的应用一定具有很好的推广和应用价值。

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