活断层上CFRD特性研究

[西班牙] C.奥拉拉

活断层上CFRD特性研究

[西班牙] C.奥拉拉

建在活断层上的大坝，在断层活动时土石坝具有很好的抗变形能力，而混凝土重力坝则可能受坝基差异运动的严重影响。对建在相同地基上的混凝土面板堆石坝(CFRD)进行研究具有重要意义。利用物理和岩土学原理，对CFRD受坝基水平或竖向差异运动影响下的合理和可能的破坏机理进行了分析。分析表明，当坝基下存在潜在活断层时，目前不推荐修建CFRD和沥青混凝土面板土石坝。

混凝土面板堆石坝；断层；抗震性能；性能分析

目前，对活断层或潜在活断层还没有统一的科学定义。对同一条断层，根据不同的定义可以确定为“活动的”或“不活动的”。但有一点得到普遍认同，那就是断层活动的范围很大。然而从实际的角度来看，如果一条断层在过去几千年甚至上万年中引发过一次大地震，大多数专家会赞同这就是“活断层”。

通过直接观察和地质测绘，再加上航片解译和绝对年龄测定，可以识别活断层。探槽，尤其是垂直于断层走向且挖至全新世地层以下的探槽，通过分析被断层错断和没被错断的地层和地表，可以确定活断层。此外，断层崖、影像、钻孔和地球物理方法等也有助于活断层研究。

多学科协同研究是必要的，包括地质、地震、新构造运动和地壳动力学等方面的专家都应该参与这项研究，地形地貌相关专业人员也可以参与活断层研究。

目前在学术文献中，有许多不同的术语用来描述断层面两侧部位的差异运动，如“断层破裂”、“断层滑移”、“断层运动”、“断层位移”等，在本文中这些术语可以互换。

断层活动不仅可以用矢量来表示，确定在两个水平方向和第3个垂直方向上的位移量，而且还可专门用微分向量来表示，即建立在同一基础上的两个点在三维空间中的位移差。在实际中，即使有专家的参与，不受研究时间或预算的限制，这一层面的三维解还是不容易获得。

从工程角度来看，设计的关键是坝基的特殊差异运动是否会危及大坝的安全。考虑到问题的复杂性和风险，最终的评价结论很难得出，因此判断始终带有保守色彩。

1 CFRD的抗震性能

实践证明，即使是在震级较高、坝址距震中较近的情况下，CFRD也具有良好的抗震性能，世界范围内许多实例均验证了这一点。目前在工程实践中广泛使用一种地震震级与坝顶最终沉降量的关系来评价大坝的稳定性。

2008年5月，高156 m的紫坪铺CFRD受到里氏8.0级强烈地震的影响，震中距仅17 km。地震对坝体造成了一定程度的损害，但坝体结构依然保持稳定和安全。震后坝下渗透水流变浑浊，但几天后即恢复正常。这表明，一般情况下可预期这类堆石坝的抗震性能良好。

坝基下断层破裂引起的差异运动对CFRD的影响，目前还没有值得借鉴的经验和数据。对这类结构的认知不仅基于设计中用到的知识，而且还基于从性能观察中所获得的经验。由于缺乏数据，应采取保守的设计方案。

2 早期的评估方式

2.1 谢拉德、克拉夫与艾伦(1974年)

谢拉德等人认为，保守设计土石坝是合理的，不建议在活断层上或活断层附近建混凝土坝。设计保守的土石坝可以承受坝基中断层的位移。

对建在活动断层上的CFRD，尚没有给出具体的意见。

2.2 国际大坝委员会公告112(1998年)

在国际大坝委员会(ICOLD)的建议中对减轻土石坝的潜在损害提出了基本指导方针，包括选择适当的筑坝材料和设计方案，概括如下：

(1) 当断层活动的可能性较大时，最好的方法是放弃坝址，另外选择一个危险性较小的坝址。

(2) 放弃混凝土坝设计方案，考虑保守设计的土石坝方案。

(3) 设计合理的土石坝可以承受坝下断层较大位移，而坝体不会遭破坏。

但对坝基受潜在活断层影响的CFRD，没有提出具体的要求。

2.3 维兰德、布伦纳与波佐维奇(2008年)

维兰德等人总结了近几年来的经验，对大坝设计提出了建议并列举出了采取结构措施的实例，主要是针对混凝土坝和粘土心墙堆石坝。断层活动对CFRD的影响可归纳为：

(1) 坝基岩石的位移将剪断趾板并使周边密封缝开裂。沿趾板裂缝、坝基直至面板裂缝将发生渗漏。这并不表示大坝会垮塌，因为如果大坝适当分区，坝体渗透水流不会带出细小颗粒。

(2) 如果水平位移量不到趾板宽度的一半，趾板仍然有足够的宽度，即使产生裂缝，还是可得到修复。垂直位移量不应超过趾板厚度的1/4。

(3)对于防渗面板下排水能力削弱的一些老坝，情况会有不同，这样的坝基容许位移量仅为5～20 cm。

(4) 以上估算的沿坝基结构面发生的容许位移量是非常粗略的。

(5) 一般混凝土坝址不能承受活动构造带的影响。

在解释断层滑移对渗透力和坝体其他部位的影响结论上是没有异议的。

2.4 维兰德(2009年)

维兰德过去认为CFRD的震损小于其他坝型，然而现在这种看法正在发生改变。他指出，在地震引发坝基不连续结构面差异运动作用下，CFRD易于受损。

认识到这些问题，可以促进坝基断层活动对CFRD的影响研究。

3 合理的破坏机理

下面着重讨论CFRD受坝基水平或竖向差异运动影响下的合理和可能的破坏机理，再现了坝体变形的8个不同阶段。扼要介绍了利用物理和岩土学原理进行的机理分析。

3.1 阶段1——断层竖向位移(图1与图2)

地震刚发生，坝基中产生竖向差异位移，位移量可能在数厘米到数米，假设位移量大于趾板高度，尽管这一假设对下面的讨论并非必要。无论何种情况，位移都可能穿过接缝(水平)，最不利情况是断层位于坝体横剖面最高点和竖向接缝附近。

因为难以确定断层通过坝脚的具体位置，需要一些假设。坝基竖向位移在坝顶产生共振沉降，但共振沉降量很小，仅有数厘米。由断层竖向运动导致的坝顶总沉降量相当大，取决于地震震级和震中距。

3.2 阶段2——周边或垂直接缝开裂(图3)

假定这种垂直位移是“集中”的断层错动，垂直位移后随即会在混凝土面板和趾板之间的接缝产生同等量的裂缝，在两块相邻面板之间的垂直接缝间会产生同样的影响。

如果位移出现在水平方向上，结果相似，这一假设可能更具悲观性，因为水平位移的破坏后果可能与垂直位移的相同，也可能更糟，巨大的水力梯度可能无限，影响范围可能很广。

3.3 阶段3——巨大的水力梯度(图4)

断层的突然位移会产生巨大的水力梯度，这个水力梯度难以准确计算，其初始值理论上可能接近无穷大。这是由于在上游面不管是什么材料，其中的孔隙水压力相当于水深，而在下游面孔隙水压力为大气压，一旦破裂发生，两点间的距离为零，因此水力梯度无穷大。

破裂发生后几分钟或几秒钟，水力梯度会降低，因此这些巨大的水力梯度在短时间内产生相当大的集中内驱力。尽管这一水力梯度持续时间短，但必须加以考虑，可以用一个连续的内力来代替其影响。

3.4 阶段4——材料流失

这一水力梯度几倍于极限水力梯度并随时间降低，但其广泛分布于断层位移带附近。一些较细的砂砾颗粒在这一水力梯度作用下填充到较大颗粒的孔隙中，可能会产生集中渗漏，结果导致2B区的颗粒向3A区运移。同样地，3A区的颗粒向3B区运移，但运移强度较低。

材料流失量难以确定，虽然它在影响区中所占比例为1%～5%。

3.5 阶段5——混凝土面板开裂(图5)

由于材料的流失，在混凝土面板上出现异常的剪应变和大裂缝，因此在相应断面的下部混凝土面板 会受到破坏，将出现张裂缝、破裂、空洞和微裂隙。

3.6 阶段6——面板滑动(图6与图7)

混凝土面板的破损及其下孔隙水压力的升高将导致接触剪应力降低，坝脚受影响最严重的面板将向下滑动，甚至在不考虑下部漩涡流的情况下也会发生，这是由于垂直节理的低抗剪强度所致，在设计中并未考虑这种受力状态。这就容易解释断层破裂

后面板会滑落到趾板上，相邻的面板也会受到影响。

由于这些面板滑动的发生，垂直位移量不必大于趾板的高度，因为较低部位的面板下部完全受到破坏也会发生滑动。

上游坝坡比介于1.4H∶1V(34°)和1.6H∶1V(32°)时坝坡是稳定的，混凝土面板与2B区填料(通常是过渡堆石料，颗粒从粉粒到卵石)之间的抗剪强度足够高，摩擦角大于32°～34°。可是，天然建筑材料与混凝土之间的摩擦角常假定为初始摩擦角的66%～75%。因此，仅在静荷载作用下，基底材料的摩擦角(2b)应大于45°～50°以保证稳定性。因为假定破坏发生时地震已经结束了，不必考虑地震力的作用。

如果假设混凝土面板与2D过渡料接触，稳定性将得到改善，但不必要做到过于安全。

3.7 阶段7——止水效果的丧失(图8)

断层滑移前不久，库水位应在正常高水位。地震发生后，在前6个阶段已经完成时，受影响的面板顶面标高可能低于大坝高处的水位。因此，面板的下滑将破坏上游坝面的止水效果。虽然坝顶防浪墙完好无损，但这并不见得有益，因为库水并不会与之接触。

3.8 阶段8——通流现象(图9)

类似于漫坝，不同的研究者以不同的形式对这一现象进行过深入研究。水会从大坝上部的堆石体流过，虽然水流没有漫过坝顶，但仍然会冲开填筑料，显然强大的冲蚀力可能会冲出一个垂直缺口。这一类似漫顶事件一经激发，后果不堪设想。例如，下游坝肩积聚起来的高孔隙水压力可能影响坝背水坡的总体稳定性。

4 结 语

本文描述了建在活断层上的面板堆石坝可能合理的破坏机理。假定趾板地基产生了差异运动，运动量的大小并不重要，本文从岩土学和水力学方面入手讨论了建筑物在这种差异运动作用下的反应。问题的关键是在周边缝产生了巨大的水力梯度(理论上接近无限大)，这种破坏机理是诸多可能的破坏机理之一。为了确保坝体的稳定性，在面板堆石坝的设计中必须积极稳妥地处理所有这些危险。

研究得出的主要结论是，当坝基下存在潜在活断层时，目前不推荐修建CFRD和沥青混凝土面板土石坝。

(於汝山 马贵生 编译)

2014-12-01

试验与研究

1006-0081(2015)01-0033-04

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