卡基娃面板坝下游坝坡抗震措施研究

2020-09-23卢羽平

水电站设计 2020年3期

卢羽平

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

0 前言

近年来，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。高土石坝的震害实例、振动台模型试验及地震动力反应分析均表明，坝顶的地震反应最为强烈，坝体初始破坏主要发生在坝顶附近。这是因为坝体地震加速度的放大效应导致4/5坝高以上结构的加速度反应较大，即“鞭梢效应”明显。由于较大的加速度产生较大的地震惯性力，地震时坝体顶部土石料承受较大剪应力。在此动剪应力的作用下，坝体产生较大的地震变形。过大的地震变形会使坝顶产生裂缝等，裂缝坝体在强震的持续作用下会演化为滑坡等灾害。坝顶区堆石料在地震荷载作用下也会产生松动、颗粒滚落甚至滑塌，其破坏形式是坡面的颗粒松动并沿平面或近乎平面滑动，然后坡面颗粒滑动的数量和范围逐渐扩大，同时坝顶不断塌陷，进而导致下游坝体发生局部坍塌。汶川地震紫坪铺面板坝经受了烈度为Ⅹ度的地震检验，下游坝坡堆石料出现了震松丧失结构性现象，但并没有形成大规模颗粒滚落及坍塌等严重损坏。

减缓上部1/5坝高范围内的堆石坝坝坡、增设马道以及加宽坝顶对提高坝顶抗震稳定性效果显著，但这势必会增大坝体断面，导致工程投资大幅增加。相对而言，对坝体上部1/5～1/4坝高范围采用土工格栅或钢筋网加筋堆石等措施进行抗震加固，可以较小的经济代价换取坝体整体稳定性的显著改善，可以增大上部堆石区的整体性，防止在地震过程中表层堆石体的松动或滑落。本文结合卡基娃面板坝的抗震设计，对面板坝下游坝坡抗震措施进行了探索和研究。

1 工程设计概述

卡基娃水电站位于四川省凉山州木里县境内的木里河干流上，系木里河干流水电规划“一库六级”的第二个梯级，是该河段梯级开发的“控制性水库”工程。水库正常蓄水位为2 850 m，总库容3.745 亿m3，具有年调节能力。电站采用混合开发方式，枢纽建筑物主要由拦河大坝、两岸泄洪及放空建筑物、右岸引水发电系统等组成。拦河大坝为混凝土面板坝，最大坝高171 m。电站总装机容量452.4 MW，多年平均年发电量为16.51 亿kW·h。

坝区河流流向微呈反“S”型，呈深切略微不对称“V”型峡谷地貌，左岸陡右岸较缓，两岸基岩多裸露，局部为陡崖地形。坝轴线位置左岸为凸岸，右岸为凹岸，右岸上游、左岸下游分别发育有深切的则窝沟和卡基娃巨型古滑坡体。

面板坝坝顶高程2 856 m，最大坝高171 m，坝顶宽11 m，坝顶长355 m，大坝立面宽高比为2.08：1。上游坝坡1：1.4，下游坝坡设置三级5 m宽马道，第一级马道以上坝坡为1：1.5，其下两级马道间坝坡均为1：1.4，综合坝坡1：1.496。下游坝脚和下游围堰间设置压重区，顶高程2 710 m。大坝自上游至下游依次为：弃碴压重区、黏土铺盖区、垫层区、过渡区、主堆石区、下游堆石区、排水堆石区、干砌石(浆砌石)护坡区和下游压重区。

2 下游坝坡抗震措施研究

卡基娃大坝设计地震基准期为50年超越概率10%，相应基岩水平峰值加速度为149 gal，抗震设计烈度为Ⅶ度；校核抗震标准为基准期100年超越概率2%，相应基岩水平峰值加速度为310 gal，大坝抗震设计地震烈度较高。

大坝动力反应分析表明，地震动反应最大的部位在坝体顶部。动力有限元坝坡稳定分析成果也表明，地震过程中下游坝坡顶部浅层滑弧安全系数较小。因此在高程2 802 m至坝顶范围内的堆石体内需施加抗震措施，以加强坝体上部区域坝壳的整体性，提高抗震性能。因“坝面混凝土框格梁+坝内钢筋”的方案对坝顶表层及整体滑动抑制作用明显，可研阶段大坝下游坝坡采取的抗震措施为“坝面混凝土框格梁+坝内钢筋+干砌石护坡”。坝面混凝土框格层距3 m，间距3 m，混凝土框格上下游方向长1 m，宽和高均为0.6 m，坝内锚筋按层距3 m、间距1.5 m布置，直径25 mm，长30 m，坝面与框格梁锚固在一起，坝内与混凝土锚筋桩相连，混凝土锚筋桩尺寸为0.6 m×0.6 m×1 m。

技施阶段考虑到可研阶段的大坝下游坝坡采取的“坝面混凝土框格梁+坝内钢筋+干砌石护坡”的抗震措施施工较为复杂，混凝土框格梁施工影响大坝填筑进度。为了简化大坝坝体抗震措施的施工工艺，根据抗震设计研究成果，并参考类似工程的经验，统筹考虑工程的安全性和经济性，对大坝高程2 802 m以上的抗震措施进行优化设计。

土石坝通常采用在堆石体内加筋的措施来增加坝顶结构的抗震稳定性，主要有土工格栅、钢筋网格、混凝土框格梁和钉结护面板等。

土工格栅作为特种土工合成材料，由于其良好的结构稳定性、耐冲击性以及便于施工等特点，被广泛应用于土石坝坝顶加固，以提高坝体的整体性和坝顶的抗震稳定性。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，采用土工格栅加筋坝顶堆石已成为目前高土石坝抗震加固设计的主要方法之一。近年来，160 m高的青峰岭水库主坝加固工程、125.5 m高的冶勒沥青混凝土心墙堆石坝、186 m高的瀑布沟心墙堆石坝和在建的240 m高的长河坝心墙堆石坝、223.5 m高的猴子岩面板堆石坝等均已采用或拟采用土工格栅堆石加筋技术进行坝顶抗震加固。土工格栅加筋堆石体结构依靠土工格栅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，从而达到加固坝顶的目的。土工格栅是采用高密度聚乙烯或聚丙烯经挤压拉伸形成的新型土工合成材料，它在岩土工程中以加筋作用为主。土工格栅的加固效果主要体现在三个方面，包括：土工格栅纵肋和横肋表面与堆石体的摩擦作用、堆石体对格栅肋的被动阻抗作用和格栅的孔眼对堆石体的镶嵌与咬合作用。土工格栅加筋性能优异，其特殊的网格结构能防止填料局部下陷，可最大程度地减少坝体侧向变形，增加土体的整体稳定性能，因而被广泛地应用于土石坝加固工程中。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，工程实践和试验研究表明，加筋土的强度和稳定性均优于无筋土。

糯扎渡大坝采用了不锈钢钢筋网加固坝顶堆石，即：将上下游方向的主钢筋与坝轴线方向的钢筋焊接成网，分层铺设在堆石体中。下游坝面采用条钢焊接成网，并与坝内钢筋焊接相连，其加筋原理与土工格栅加筋堆石相同。钢筋的刚度大，变形小，维系的加固力持久。

泸定大坝上下游过渡区及堆石区设置水平抗震框格梁，框格梁为矩形断面预制钢筋混凝土构件，预制梁采用受力钢筋与钢绞线、卡扣连接，同时，坝体水平抗震框格梁与上下游坝坡面框格梁连接为整体。

吉林台一级大坝下游坝坡上覆盖了钢筋混凝土板，通过锚筋与坝内埋设的锚筋桩相连，以确保下游坝坡和防浪墙的稳定。

也有专家主张采用钢筋笼或其他有机合成材料笼加筋堆石的，但工程实践中，考虑到筋笼与堆石碾压可能相互干扰，因而目前还没有应用实例。

通过对坝体上部的“坝面混凝土框格梁+坝内钢筋”“土工格栅”等加固措施的比较，认为土工格栅的铺设受气候环境影响小、施工简捷、快速，且对堆石坝的填筑施工进度影响很小，加之土工格栅在类似高土石坝中的成功应用经验和在汶川大地震中起到了很好的抗震效果。确定卡基娃大坝下游坝坡的抗震措施调整为“坝内土工格栅+浆砌块石”，土工格栅埋设高程范围为2 820～2 851.2 m，约为1/5坝高范围，每层格栅垂直间距2.4 m，水平埋设深度20 m，高程2 800 m以上下游坝面护坡进行加强，由1 m厚的干砌石护坡调整为1 m厚的M10浆砌石护坡。

3 动力有限元法抗滑稳定计算分析

考虑地震过程总坝体应力的瞬时变化，计算出每一时刻坝坡抗滑稳定安全系数，称之为“动力有限元时程法”。动力有限元时程法可以考虑岩土材料的不均匀性以及其非线性的应力应变特性，从合理性而言，动力有限元时程法优于拟静力极限平衡法。为了检验不同加筋方案的加固效果，计算大坝下游坝坡在地震过程中的动力稳定性，选取河床最大剖面，对“坝内无加筋方案”“坝面混凝土框格梁+坝内钢筋+干砌石护坡方案”(以下简称“钢筋加筋方案”)和“坝内土工格栅+浆砌石护坡方案”(以下简称“土工格栅加筋方案”)运用动力有限元时程法计算出坝坡的静应力和每一瞬时的动应力，然后根据单元的静动应力计算整个地震过程中每一时刻的最小安全系数并搜索最危险滑裂面，当安全系数小于1时，自动激活Newmark法进行滑移量分析。

3.1 计算方法

在常规动力有限元时程法的基础上，考虑了土工格栅或钢筋的作用，即：将堆石体采用等参单元离散，采用强度等效和模量等效的原则，土工格栅或钢筋采用杆单元离散，建立加固后大坝的有限元模型，分别计算出大坝的震前应力和地震时每一瞬时的动应力，假定破坏时土工格栅或钢筋的拉力沿滑弧的切向作用。安全系数计算示意如图1所示。

图1 安全系数计算示意

根据单元的静动应力叠加成果可对大坝进行稳定计算，其安全系数为：

(1)

式中，ci、φi分别为第i单元土体的凝聚力和内摩擦角；li为第i单元滑弧面的长度；∑f为土工格栅或钢筋的拉力；∑F为土工格栅或钢筋的抗拉强度，计算时取HRB400钢筋的极限抗拉强度为540 MPa，土工格栅每延米纵向拉伸力取120 kN(格栅的极限抗拉强度)。σni、τi分别为第i单元滑弧面上法向应力和切向应力，表示为下式：

(2)

(3)

3.2 计算成果分析

地震作用下，各方案坝坡稳定动力计算成果见表1，抗震措施和最小安全系数对应的滑弧如图2～4所示。

由坝坡抗滑稳定动力有限元计算成果可知，在无加筋方案中，设计地震和校核地震工况下游坝坡最危险滑动面的安全系数分别为1.31和0.79，滑弧位置较浅，设计地震作用下安全系数大于1，坝坡不会发生滑移。校核地震作用时，下游坝坡稳定性较差，采用Newmark滑块法计算得到坝顶部坝坡浅层的累积最大滑移量为2.6 cm，安全系数小于1的时间0.56s，下游坝坡滑动仅限于堆石体表层约8m范围内，并不影响大坝的整体稳定性。加筋后坝体整体性得到加强，下游坝坡潜在滑动面最小安全系数得到较大幅度的提高，最小安全系数均大于1，表明加固后下游坝坡将不会出现瞬时滑移，大大提高了坝坡的抗震稳定性；最危险滑动面位置向坝体内部发展，滑弧位置较深，土工格栅加筋方案设计地震和校核地震工况下游坝坡最危险滑动面的安全系数分别为1.52和1.08，钢筋加筋方案设计地震和校核地震工况下游坝坡最危险滑动面的安全系数分别为1.57和1.15。从最危险滑动面的位置可以看出，加筋后坝体下游最危险滑弧穿过加筋体内部，加筋前的最危险滑动体的稳定性得到较大改善。

表1 坝坡稳定动力计算成果

图2 无加筋方案最危险滑弧位置(单位：m)

图3 钢筋加筋方案最危险滑弧位置(单位：m)

图4 土工格栅加筋方案最危险滑弧位置(单位：m)

由于钢筋加筋方案刚度大，对坝顶表层及整体滑动抑制作用优于土工格栅加筋方案，但土工格栅加筋方案也能满足卡基娃大坝下游坝坡抗震的要求，与钢筋加筋方案相比，下游坝坡抗震安全性相差不大，也满足规范要求。故卡基娃大坝下游坝坡抗震工程措施由“坝面混凝土框格梁+坝内钢筋+干砌石护坡”方案优化为“土工格栅+浆砌石护坡”方案是合适的，大坝完全可以抵御超设计地震荷载的考验。优化方案可以简化施工工艺，减小对大坝填筑进度的影响，并节省工程投资1 120万元。