强震区高面板坝抗震措施浅析

张晓将

（中国电建集团西北勘测设计院有限公司，陕西 西安 710065）

强震区高坝抗震减灾设计研究一直都是水利水电工程的关键技术问题之一，2008 年“5.12”汶川大地震之后，强震区水工建筑物所出现的震损现象与震害状况，更加引起了工程界与学术界对抗震问题的关注。混凝土面板坝在我国迅速发展，坝高已从100 m 发展至200 m，逐渐向250 m 乃至300 m 高坝迈进，强震区200 m 级高面板坝抗震机理及抗震设计方法、标准的研究，已成为制约高混凝土面板坝设计坝高提升和筑坝技术提高的关键因素之一。

本文围绕强震区高面板坝的上下游坝坡稳定和抗变形能力、面板坝防渗体系防渗与变形控制等方面进行研究，开展了抗震及抗震措施研究设计，通过模型试验和数值模拟验证了各种抗震加固措施的有效性，提出了面板堆石坝综合抗震措施。抗震措施的模型试验研究

1 抗震措施模型试验研究

1.1 坝坡稳定的影响因素研究

面板坝在地震中的安全与坝坡土体稳定有关，保持面板坝上下游坝坡的稳定是提高其抗震能力的关键。本项研究首先针对影响坝坡稳定的因素，进行了一系列模型坝的破坏试验，模型坝采用面板坝，坝高及坝顶宽度根据试验设计分别取80 cm、100 cm、140 m 和7 cm、8 cm、12 cm，上游坡1∶1.4，为研究不同坡比坝破稳定的影响拟定了下游坝坡1∶1.4和马道以下坝坡1∶1.4、马道以上为1∶1.6 两种形式。研究不同粒径筑坝料的抗震反应时，建立了3 mm～27 mm 共6 种粒径的模型坝。

试验结果显示：

1）在坝坡坡比一定的条件下，筑坝材料平均颗粒直径增大，坡面起滑临界加速度相应有所提高。因此，提高坝顶区堆石料的粒径对坝坡稳定是有利的。

2）减缓坝坡对提高坡面稳定是有效的，从试验结果看，设置的缓坡起始高程不一，坡面滑动时加速度分布有所不同，坡面起滑临界加速度也表现不一，但当选择坝高的4/5 作为起始点减缓坝坡是安全的也是比较经济的。

3）试验观察到，随着坝顶宽度加宽，马道滑平到面板断裂持续时间延长，说明坝顶加宽对面板上部的稳定是有利的。从抗震角度，如果坝顶具有足够宽度，地震时坡面的表层滑动（削弱）不至于危及整个坝顶区土体，那么面板的稳定将会从中受益。

1.2 抗震措施加固效果模型试验

在上述试验研究的基础上，通过振动台模型试验，对不同抗震措施的坝体破坏形式进行研究。振动台尺寸（6 m×6 m)、载重量（80 t），整体模型坝高1.5 m，近似地把基岩和坝肩按刚性考虑，选择原型坝的9 个控制断面缩尺后作为模型坝的控制断面，用钢筋混凝土来成型河谷。

试验中采用的抗震措施包括：a）坝体下游坝坡表面采用砌石护坡；b）坝顶区每隔一定距离铺设一层仿真土工格栅材料；c）坝顶区域采用胶结粗粒土整体置换；d）坝顶区利用混凝土层进行分层加筋。试验时共建立了9 个模型坝，模型详情见表1。

表1 模型概况

根据试验结果，对不同抗震措施下的坝顶沉降率δ，坝宽改变率δ'，坡面颗粒运动速度v，下游坝坡表层颗粒起滑加速度ay，面板断裂加速度af和面板压剪破坏（错台）加速度ad的影响进行分析，进而对比不同加固措施的加固效果。四种抗震措施加固效果分析见表2。

表2 抗震措施加固效果分析

试验研究还发现，当下游坝面护坡与其它三种抗震措施联合实施时，加固效果更为明显。另外当对坝顶区进行胶结堆石料置换或混凝土层分层加筋时，胶结区域与非胶结区域接触处容易出现分离现象。因此，应对交接处采取必要的工程措施。

2 抗震措施加固效果数值分析

依托茨哈峡、滚哈布奇勒面板坝进行了基于数值分析的抗震措施加固效果研究，计算采用大连理工大学开发的GEODYNA 三维非线性静、动力分析软件。研究时采用抗震措施有土工格栅加固措施和钉结护面板加固措施。各加固措施数值计算结果汇总于表3、表4。

由各加固方案计算结果可以得出以下结论：

表3 茨哈峡面板坝各加固措施计算结果汇总表

表4 滚哈布奇勒面板坝各加固措施计算结果汇总表

1）当采用土工格栅加固后，下游坝坡的稳定最小安全系数提高20%～30%，下游最大滑移量减少65%～95%，安全系数小于1 的持续时间降低65%～75%。说明采用土工格栅加固后，坝顶区堆石体的整体稳定性增强，最大滑移量也大幅减小。

2）当加格栅堆石料“凝聚力”提高时，下游坝坡的稳定最小安全系数明显提高，下游最大滑移量大幅减小，安全系数小于1 的持续时间也有所降低。可见，土工格栅加固与其施工质量关系密切，土工格栅施工质量越好，其与周围堆石料联接越密实，坝体堆石稳定性越好。

3）当采用钉结护面板加固后，下游坝坡的稳定最小安全系数提高10%～30%，下游最大滑移量减少55%～65%，安全系数小于1 的持续时间降低50%～60%。说明采用钉结护面板加固后，增强了坝顶区堆石体的整体稳定性。

4）采用钉结护面板加固时，钢筋布置越密，坝顶堆石体整体性越好，大坝整体抗震性能越优。

5）采用钉结护面板加固时，钢筋长度1.5 D 与2.0 D 相比，下游坝坡安全系数有所下降，最大滑移量有所增大，说明钢筋深入坝体长度越长，坝顶区堆石体的整体稳定性越好。

3 地震荷载对防渗体系的影响分析

3.1 面板应力分析

由图1 可知，震前满蓄时，面板沿坝轴向压应力最大值位于河谷中央靠近面板下部的区域，面板应力以压应力为主，面板两岸坝肩存在较小的拉应力。地震时，面板沿坝轴向静动（瞬时）叠加应力的最大值分布规律与满蓄时基本相同。但震后由于大坝发生整体沉陷，面板沿坝轴向压应力最大值增加且位置发生了变化，位于河谷中央的坝顶区域。

图1 面板沿坝轴向应力（压为负，单位：MPa）

3.2 垂直缝模量对面板应力的影响

为保证面板堆石坝止水结构的正常工作，一般会在面板之间垂直缝设定具有一定强度的填充板。图2 为面板沿坝轴向应力随高程变化。

由图2 可以看出，采用模量较低的垂直缝填充材料后，无论震前满蓄期还是遭遇地震后，面板沿坝轴向挤压应力均有所减小，对于高面板堆石坝，可在面板主要受压区的河谷部位采用压缩模量较低的填充材料，为面板向河谷中部的压缩变形提供了一定的变形空间，有效减轻面板沿坝轴向的压应力集中。研究还发现，随着垂直缝模量的降低，垂直缝的压缩量与周边缝沿趾板方向的剪切位移随之增加。

3.3 面板与垫层料摩擦系数对面板应力的影响

面板沿坝轴向应力过大的部分原因是垫层堆石对混凝土面板的约束，以及堆石体沉降时对混凝土面板的摩擦引起。图3 为面板与垫层之间采用不同材料后面板沿坝轴向应力随高程变化。

随着摩擦系数的降低，满蓄期面板沿坝轴向应力逐渐减小，最大值位置有所上升，摩擦系数的变化对震后面板沿坝轴向应力最大值影响不大。

研究还发现，随着面板与垫层材料摩擦角的降低，周边缝相对位移增加，面板与垫层材料摩擦角的变化对周边缝的相对位移影响较大。

图3 面板沿坝轴向应力（压为负）

3.4 挤压边墙对面板应力的影响

在挤压边墙与混凝土面板之间采用不同的表面处理措施，研究对面板沿坝轴向应力影响。图4 为采用挤压边墙后面板沿坝轴向应力随高程变化。

图4 面板沿坝轴向应力（压为负）

由图4 可以看出，采用挤压边墙后，无论震前满蓄期还是遭遇地震后，面板的坝轴向应力最大值均降低；挤压边墙对坝顶部面板轴向应力影响较大。若面板与边墙间采用沥青油毡填料（接触摩擦角为4°），面板的坝轴向应力会大幅度降低。

若挤压边墙施工且面板与边墙之间的填料采用土工膜时，除周边缝张开值稍有增大外，面板周边缝和垂直缝相对位移均降低，面板与边墙间采用沥青油毡填料，其接触面摩擦角仅为4°，面板和挤压边墙易发生相对滑动而导致周边缝和竖缝的相对位移较大。

3.5 面板综合抗震对策

以上研究可以看出，面板间主要受压区的垂直缝模量降低后，面板挤压应力减小，但面板周边缝和竖缝相对位移增加。采用面板竖缝优化方案（垂直缝模量分高程设置）后，面板挤压应力降低同时面板缝的相对位移有所增加，但幅度不大。

面板与垫层材料采用不同摩擦角后，虽然满蓄期面板挤压应力减小，但对震后面板坝顶挤压应力影响不大，且随面板与垫层材料摩擦角减小，面板周边缝相对位移增加幅度较大。

当采用挤压边墙施工且面板与边墙之间铺设土工膜后，面板挤压应力降低，且面板周边缝和竖缝相对位移也减小。

因此，可以考虑综合采用挤压边墙施工、面板与边墙之间铺设土工膜且面板受压区竖缝采用优化方案。计算表明，采用综合方案后，无论震前满蓄期还是遭遇地震后，面板的坝轴向应力最大值均大幅降低，且除周边缝张开值稍有增大外，面板缝（周边缝和垂直缝）的其他相对位移值均减小。

4 结语

本文依托强震区大型水电站工程，通过模型试验和数值模拟研究分析各种抗震措施对提高大坝抗震安全的作用效果和影响程度，验证各种抗震加固措施的有效性，并从面板坝防渗体变形与破裂控制方面研究抗震措施，提出了强震区高面板坝的抗震措施：

（1）在坝坡一定的条件下，提高坝顶区堆石料的粒径对坝坡稳定是有利的。减缓坝坡对提高坡面稳定是有效，4/5 坝高以上从1∶1.4 减缓到1∶1.6，坡面临界加速度将会提高45%左右。坝顶加宽对面板上部的稳定是有利的，在地震区修建面板堆石坝，应适当放宽坝顶宽度。

（2）采用土工格栅加筋可以增强坝顶区土体的稳定性，减小坝体沉降，可以有效减少坝宽的改变量，降低颗粒的运动速度，对面板错台有很大的抑制作用。但是，加土工格栅对表层土体的抑制作用不明显。

（3）下游坝面干砌石护坡可以提高坝体开始沉降加速度，减小坝体沉降，有效抑制表层堆石的滑动，提高坝坡颗粒起滑加速度。

（4）坝顶区堆石体的材料改性，如采用胶结堆石料，可以大大提高坝顶区土体的稳定性，降低坝体沉降变形，减小坝宽变化率，提高坝坡颗粒起滑加速度，增强面板的抗震能力。

（5）对于超过200 m 的高面板堆石坝，面板可能会发生挤压破坏。采用挤压边墙施工、降低面板与边墙摩擦、面板竖缝填充材料优化布置后，面板的坝轴向应力最大值大幅降低，且除周边缝张开值稍有增大外，面板缝（周边缝和竖缝）的其他相对位移值均减小，是合理的面板综合抗震对策。

（6）强震区的高面板坝应针对大坝抗震安全特点，在减缓下游坝坡、适当放宽坝顶宽度、干砌石护坡、土工格栅护坡、框格梁护坡、坝顶区采用胶结堆石料改性等抗震措施中进行比较分析，选择经济合理的综合抗震措施的方法。