长河坝水电站砾石土心墙堆石坝抗震设计

杨　星，　张　丹，　伍 小 玉

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都　610072)



长河坝水电站砾石土心墙堆石坝抗震设计

杨星，张丹，伍 小 玉

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都610072)

摘要：长河坝水电站砾石土心墙堆石坝最大坝高240 m，坝基为深厚覆盖层，大坝抗震设防烈度为Ⅸ度。众所周知：高地震烈度区深厚覆盖层上修建高土石坝的抗震安全是工程的关键技术问题之一。为解决长河坝水电站大坝抗震设计难题，对强震区深厚覆盖层上修建高土石坝抗震设计关键技术问题开展了大量深入的研究。介绍了长河坝水电站大坝-坝基体系动力反应数值分析和离心机振动台模型试验等研究成果及所采取的抗震措施，可为类似高土石坝工程的抗震设计提供借鉴和参考。

关键词：长河坝水电站；砾石土心墙堆石坝；抗震设计；强震区；深厚覆盖层；抗震措施

1概述

长河坝水电站枢纽建筑物主要由砾石土直心墙堆石坝、左岸引水发电系统、右岸2条开敞式进口溢洪洞、1条深孔泄洪洞及1条放空洞组成。工程场址的地震基本烈度为Ⅷ度，大坝抗震设防类别为甲类，按Ⅸ度抗震设防。根据地震安评成果，大坝的设计地震取基准期100 a内超越概率P100为0.02的基岩峰值加速度为0.359 g，校核地震取基准期100 a内超越概率P100为0.01的基岩峰值加速度为0.43 g。

砾石土直心墙堆石坝建造于深厚覆盖层地基上，最大坝高240 m。坝基河床覆盖层厚度为60～70 m，局部达79.3 m，结构较复杂，自下至上由老至新分为3层。第①层：漂(块)卵(碎)砾石层(fglQ3)，分布于河床底部，厚3.32～28.5 m；第②层：含泥漂(块)卵(碎)砂砾石层(alQ41)，厚5.84～54.49 m，分布于河床覆盖层中部及一级阶地上，②层中上部有②-C砂层分布；第③层：漂(块)卵砾石层(alQ42)，厚4～25.8 m。

目前国内外尚无深厚覆盖层上建造200 m以上高土石坝的抗震设计经验，国内深厚覆盖层上已建成的最高的土石坝是瀑布沟水电站心墙堆石坝，坝高186 m，抗震设防烈度为Ⅷ度。长河坝水电站大坝是位于深厚覆盖层上的世界第一高土石坝，因此，高地震烈度区深厚覆盖层上修建高土石坝的抗震安全是该工程的关键技术问题之一。

2大坝抗震数值分析研究

2.1大坝-坝基体系动力反应分析

设计人员对大坝-坝基体系开展了三维有限元动力反应分析。

(1)不同基岩地震动输入影响分析。

地震动输入是正确评价结构抗震安全性能的基础。为了解不同地震动输入对坝体坝基动力反应的影响，对设计地震工况下规范波、场地波和类似场地实测波三种不同地震动输入进行了动力分析，三种不同地震动输入下坝体坝基的动力计算成果见表1。从计算结果可以看出，输入地震波对坝体坝基的动力反应结果有较大影响。场地波作用下坝体加速度反应、最大动位移和地震永久变形最大，因此，场地波为该工程的控制地震波，笔者重点分析了设计地震和校核地震场地波输入条件下坝体坝基的动力反应分析成果。

表1　不同地震波输入坝体坝基动力反应计算成果表

(2)坝体坝基加速度反应。

坝体加速度和加速度放大倍数可定性评价大坝地震反应的强弱，以及坝坡散粒体堆石料沿表层滑动或滚动的可能性。我们分别采用有效应力法和总应力法计算了设计地震和校核地震作用下坝体坝基的加速度反应，其计算结果见表2。加速度在坝体内总体反应不大，但在坝顶附近存在突然放大现象，加速度极值出现在坝顶附近，坝体在地震中表现出明显的“鞭梢效应”且坝体表层加速度大于同高程坝体内部，表现出较为明显的表层放大现象，因此，对坝顶部的上、下游坝坡应采取必要的抗震加固措施。

(3)坝体坝基动应力和动位移。

在设计地震和校核地震作用下，采用有效应力法和总应力法计算得到的坝体动应力和动位移见表3。

表2　坝体加速度反应表

表3　坝体动应力和动位移计算结果表

坝体最大剖面顺河向和竖向最大动位移均从坝底向上逐渐增大，至坝顶最大；坝轴向最大动位移发生在坝中央的坝顶部位，坝轴向最大动位移分布左右基本对称，越趋近坝基动位移数值越小。

在设计地震和校核地震作用下，防渗墙静动应力叠加后的最大压应力分别为45.14 MPa和47.01 MPa，最大拉应力分别为2.48 MPa和2.54 MPa。该工程坝基防渗墙混凝土强度等级为C45，现场防渗墙试验混凝土芯样90 d立方体抗压强度达39.3～46.5 MPa，而规范要求C45混凝土轴心抗压强度为29.6 MPa，轴心抗拉强度为2.51 MPa，故其能够承受此拉应力值。

2.2心墙、反滤层、坝基砂层的动力安全性

有效应力法计算成果表明：在设计地震和校核地震作用下，上游坝基砂层中的振动孔压最大值分别为320.8 kPa和374.4 kPa，最大动孔压比分别为0.31和0.37，上游坝基砂层不会发生液化，覆盖层地基均没有出现动力剪切破坏。在设计地震和校核地震作用下，库水压力均小于心墙表面垂直压应力，心墙的有效小主应力均大于0，不会发生水力劈裂，心墙内部未发现动力剪切破坏和拉应力。与上游反滤层接触部位心墙出现了一些单元抗震安全系数小于1的区域，存在部分破坏单元，但不会影响到大坝的整体安全性。

总应力法计算成果表明：在设计地震作用下，上、下游反滤料、心墙料没有出现动强度不足的问题；坝轴线上游坝基砂层透镜体的动强度最小安全系数为1.24，其动强度储备稍显不足，最终的设计方案是将其进行挖除处理。在校核地震作用下，心墙顶部临近上游反滤层的部分单元动强度安全系数小于1，上游反滤层3顶部部分单元动强度不足，可能发生液化破坏。但反滤层3既使发生液化也并不意味着坝坡失稳。采用毕肖普法计算表明：贯穿上游液化反滤层3的滑裂面的安全系数(最小为1.303)仍满足规范要求。

2.3地震永久变形

国内外大量土石坝震害调查和研究表明：地震引起的裂缝、滑坡、震陷等震害均与地震永久变形过大或不均匀沉降过大有关。由土石坝地震永久变形可以直接判断坝体在地震荷载作用下的抗震安全性，并可为预留坝顶超高提供依据，因此，地震永久变形已成为控制土石坝工程安全的最重要因素之一。在设计地震和校核地震作用下，采用整体应变势法计算的坝体地震永久变形情况见表4。

表4　坝体地震永久变形计算成果表　/cm

在地震荷载作用下，坝体竖向永久变形大于水平向永久变形。地震永久变形的主要表现形式为震陷，表明坝体堆石料在高固结应力和循环荷载作用下呈现体缩特性。在设计地震和校核地震作用下，坝体的最大竖向永久变形分别为157.91 cm和181.83 cm，分别占坝高(不包括覆盖层)的0.66%和0.75%。

2.4坝坡动力稳定分析

坝坡动力稳定分析采用拟静力法和动力有限元法，分别计算了大坝正常蓄水位时坝坡在设计地震和校核地震作用下的抗震稳定性。拟静力法坝坡动力稳定采用简化毕肖普法，动力有限元法采用了动力时程法和动力等效值法，坝坡动力稳定计算成果见表5。计算成果表明：在设计地震和校核地震作用下，由拟静力法计算的上、下游坝坡抗震稳定安全系数均能满足规范要求；在校核地震作用下，动力有限元时程法计算得到的上、下游坝坡的最小安全系数也大于1，因此，在地震荷载作用下，大坝坝坡整体稳定。

表5　地震工况下坝坡稳定最小安全系数表

3大坝抗震模型试验研究

为进一步研究长河坝水电站大坝地震反应特性和破坏机理，评价大坝的抗震安全性以及采取抗震措施的有效性，开展了离心机振动台模型试验。振动台模型箱尺寸为700 mm×200 mm×42.5 mm(长×宽×高)，进行了三种对比试验研究：(1)不加固方案，不进行坝顶土工格栅和干砌石护坡及大块石护坡加固；(2)坝顶加固方案，只进行坝顶土工格栅和干砌石护坡加固；(3)全加固方案，既进行坝顶土工格栅和干砌石护坡，又进行大块石护坡加固。对于1 645 m高程以上坝体堆石料采用土工格栅进行加固，垂直间距2 m，模型试验中采用钢纱窗模拟土工格栅。在上、下游坝坡采用1 m厚的大块石进行护坡，模型试验中采用脆性胶将上、下游坝坡面粘结，使坡面堆石料不呈散粒状而具有一定的粘结力，以模拟大块堆石的咬合力。

试验结果表明：不加固方案在设计地震作用下，4/5坝高以上的坝顶区域出现了明显的坍塌现象，该部分的堆石向上、下游两侧滑落，因此，如果不对坝顶进行抗震加固，长河坝水电站大坝的主要地震破坏为发生在坝顶部的局部滑动破坏。坝顶加固方案在设计地震、校核地震和最大可信地震(峰值加速度502.14 gal)作用下，地震破坏主要发生在坝顶加固区以下的坝坡表面，表现为表层局部堆石滚落并随着地震加速度的增加堆石滚落现象越明显。全加固方案在最大可信地震作用后，坝坡表面完好无损，无明显的堆石滚落现象。

4大坝采用的抗震措施

基于长河坝水电站坝体坝基抗震数值分析和离心机振动台模型试验成果，结合已有高土石坝工程抗震设计经验，长河坝水电站砾石土心墙堆石坝采取了以下抗震措施。

4.1坝型及坝体结构

(1)坝型及坝体结构尺寸。选用抗震性能较好的土质直心墙堆石坝。为了防止地震时心墙产生贯穿性裂缝，增加防渗体的可靠性，扩大了心墙厚度，采用了宽心墙，心墙上、下游坡度均为1∶0.25，心墙底部最大宽度为125.7 m，同时加厚了反滤层和过渡层厚度，以减缓心墙拱效应并增强了反滤层的抗震安全性，其中下游反滤层厚12 m，上游反滤层厚8 m，过渡层厚度为20 m，加宽坝顶宽度为16 m。在上、下游坝脚铺设一定厚度和宽度的弃渣进行坡脚压重，以增强大坝地震时的抗滑稳定性。

(2)坝顶超高。坝顶超高考虑了地震时坝体和坝基产生的附加沉陷和水库地震涌浪，其中地震涌浪高度取为1.5 m，地震附加沉陷按坝高加覆盖层厚度的1%取值，为3 m。地震附加沉陷值大于计算得到的坝体竖向永久变形。

(3)坝体与混凝土结构及岸坡的连接。坝体心墙与混凝土结构及岸坡基岩的变形刚度差别较大，地震时两者变形不协调，容易在连接部位产生裂缝。在心墙与岸坡混凝土盖板及心墙与混凝土防渗墙和墙顶混凝土廊道的连接部位均铺设了高塑性黏土，并在与两岸岸坡连接处加大了心墙和反滤层的断面。

(4)上、下游坝面护坡。在大坝上游坝面采用了大块石护坡，下游坝面采用了干砌石护坡。

4.2坝料设计与填筑标准

防渗心墙选择了黏粒含量高、塑性指数高的土料；反滤料、过渡料在满足反滤和排水要求的前提下，颗粒级配尽可能采用级配连续的较粗料以提高土石料的压实标准；砾石土心墙采用室内击实试验确定土料的最大干密度和最优含水率，压实度要求达到0.97以上，反滤层相对密度按不小于0.85控制，堆石孔隙率宜不大于21%。

4.3坝顶加筋

坝体地震反应数值计算、离心机振动台模型试验以及高土石坝实际震害均表明坝顶部的地震加速度响应最为强烈，坝体在地震中存在明显的“鞭鞘效应”，可能会导致坝顶堆石出现松动、滚落、坍塌、甚至局部浅层滑动等破坏，因此，在坝顶部采取了加筋措施，以进一步提高坝体的抗震能力。在综合比较了坝内钢筋网、混凝土抗震梁等其他抗震措施后，最终认为土工格栅除了与堆石料具有较强的摩擦作用外，其网孔结构与堆石料还存在较强的嵌锁和咬合作用，且土工格栅的铺设简捷、快速，对坝体填筑施工进度影响小，加之已在冶勒、瀑布沟等土石坝工程中得到了成功应用，从而确定了在坝体上部采用铺设土工格栅的抗震加固措施，即在坝体1 649 m高程以上的上、下游坝壳堆石料内，根据堆石料碾压层数，每隔两层铺筑一层土工格栅，其中沿顺河向最大铺设长度为50 m，小于50 m的以不伸入反滤层为限。

4.4坝基可液化砂层

坝基覆盖层②中广泛分布②-C砂层，厚度较大，埋藏较浅，经初判、复判及动三轴试验均判别其为可能液化砂层。对砂层不处理方案进行了动力分析，总应力法计算成果表明砂层大部分单元的动强度安全系数均小于1.3，有产生液化的可能。有效应力法计算成果表明坝体外砂层有液化发生，坝体下砂层不会液化，但会发生动力剪切破坏，将出现较大范围的破坏区。设计人员对砂层进行了多种处理方案的经济技术性比较，最终对砂层②-C采取了全部挖除的处理方案。

5结语

长河坝水电站砾石土心墙堆石坝位于强震区，大坝最大坝高240 m，大坝抗震设防烈度为Ⅸ度且位于深厚覆盖层上，抗震安全问题复杂且突出。长河坝工程的大坝抗震设计从坝体坝基材料动力特性试验、坝体坝基地震反应数值分析和离心机振动台模型试验等方面开展了大量的研究工作，在大量研究的基础上对坝顶抗震措施及坝基砂层处理方式等进行了多方案比选，最终从坝体结构、坝体材料及填筑标准、坝顶加筋和坝基砂层处理几方面确定了大坝的抗震措施，该研究成果可为类似高土石坝工程的抗震设计提供借鉴和参考。

杨星(1982-)，男，河南信阳人，工程师，博士，从事水工结构设计工作；

张丹(1979-)，女，四川眉山人，设计副总工程师，高级工程师，硕士，从事水工结构设计工作；

伍小玉(1965-)，女，江西南康人，教授级高级工程师，硕士，从事水工结构设计工作.

(责任编辑：李燕辉)

作者简介:

收稿日期:2015-11-05

文章编号:1001-2184(2016)01-0025-04

文献标识码:B

中图分类号:TV7；TV222；TV641