紫坪铺面板堆石坝震害特征及抗震措施

紫坪铺面板堆石坝震害特征及抗震措施

“5.12”在川西南地震中，紫坪铺板堆石坝位于距中心的高混凝土板岩坝中，可以说是世界上最大的一座地震坝，高度超过150m。你的抗疲劳和加固措施引起了很多关注。紫坪铺面板堆石坝距汶川地震震中仅17km,原设计按地震烈度8度设防并采用100年超越概率2%的峰值加速度为0.26g,事实上在汶川地震中大坝所在地段地震烈度为9~10度,但紫坪铺面板堆石坝却经受住了这场超常地震的考验。从震害情况看,大坝主体整体上稳定、安全,震损主要是地震永久变形、面板挤压破坏和错台、坝顶结构及下游坝坡等局部破坏等,面板混凝土及接缝止水的局部破坏对大坝防渗系统的止水性能亦有一定影响,渗流量较震前有所增加,但总量不大,表明紫坪铺面板堆石坝原抗震分析、抗震设计和施工质量均较好,使大坝具有较强的抗震能力。紫坪铺面板堆石坝的震害体现了高土石坝地震反应的一般规律,亦有其自身的一些特点,并出现了一些原来未予充分注意的问题。鉴此,本文结合《混凝土面板堆石坝设计规范》的修编工作,总结分析了紫坪铺面板堆石坝的震害和抗震设计经验,获得了关于面板堆石坝抗震措施的若干重要启示,为做好面板堆石坝的抗震措施提供了参考依据。1坝体结构及坝坡加固施策面板坝震害观察和振动台动力模型试验表明,面板坝地震破坏始于下游坡面顶部的堆石松动、滚落,导致坝顶坍塌及面板悬空、断裂。图1为紫坪铺面板堆石坝下游坝坡及坝顶结构震损情况。由图可看出:①下游坝坡上部靠近坝顶附近的坡面干砌石松动、翻起,并伴有向下滑移,且有个别滚落。②坝顶防浪墙局部发生挤压破坏和拉裂现象,坝顶下游侧交通护栏大部分遭到破坏,坝顶路面与下游堆石脱开严重。表明坝顶结构和坝坡为可能产生震害的重点部位,应采取有效的抗震措施,具体如下。(1)宜适当加大坝顶宽度,适当放缓上部坝坡,并在坝坡变化处设置马道。按现有震害现象、动力模型试验、计算分析等资料,紫坪铺面板堆石坝下游坝坡分别在高程840、796m处设置宽5m的马道,840m高程以上坝坡坡度取1∶1.5,840m高程以下坝坡坡度取1∶1.4。(2)下游坡面上部应采取合适的坡面防护和坝坡加固措施,可选用浆砌石护坡、表面用钢筋网、加筋堆石、混凝土框格梁等加固。汶川地震中,紫坪铺面板堆石坝下游坡面上部浆砌块石护坡完好,而大坝中部干砌石松动和翻起现象明显,表明浆砌块石护坡的抗震效果较好。从紫坪铺面板堆石坝震害情况看,浆砌块石护坡的范围宜加大至坝高的1/4。(3)宜采用较低的防浪墙,并采取措施增加防浪墙的抗震稳定性。2抗雨防护体系2.1局部挤压破坏地震后坝体观测资料和有限元计算表明,地震期间面板会沿纵向挤压。“5.12”汶川地震时紫坪铺面板间的多条垂直缝发生挤压破坏,其中#23~#24、#5~#6面板之间垂直缝两侧混凝土挤碎(#23~#24面板之间垂直缝位于河床中部,为坝体顺坝轴线方向由两岸向河床中间变形而受到挤压最严重的部位),另有9条垂直缝发生局部挤压破坏。图2为#23~#24、#5~#6面板之间挤压破坏情况。由图可看出:①坝中部的#23~#24面板间结构面挤压破坏自坝顶延伸至791.0m高程,低于死水位26.0m;②位于左坝端#5、#6面板挤压隆起破坏较为严重,板间最大错位350mm;③#23面板横向挤压破坏范围为0.5~1.7m,取芯检查843.0m高程混凝土破坏影响深度达320mm,破裂面架空约50mm。由此可知,若在挤压应力大的部位的垂直缝内填充易压缩材料,可减少面板混凝土被压碎的危险和范围。鉴于紫坪铺面板垂直缝的挤压破坏不仅发生于面板中部,因此在强震区垂直缝的填充防护范围宜适当扩大。2.2混凝土面板与垫层间临界剪裂率紫坪铺面板堆石坝二、三期面板的施工缝为水平向,在强震作用下产生了严重错台,最大错台达17cm。部分混凝土面板与垫层间有脱空现象,最大脱空23cm。图3为845m高程二、三期混凝土面板水平施工缝错开情况。图4为施工缝间钢筋的扭曲情况。由图可看出,面板间保角钢筋网与混凝土保护层分离,面板中部受力筋折曲变形,较常规挤压破坏严重。由此可知,若施工缝垂直于面板,则发生错台的可能性将降低。2.3面板脱空破坏研究成果及震害资料表明,在0.75~0.80倍坝高附近面板动应力最大,坝上部堆石变形、松动、滚落引起面板脱空,可能导致面板开裂甚至断裂。周边缝和施工缝附近亦为面板易产生破坏的区域。紫坪铺面板震害现象亦与上述分析吻合。因此,增加这部分面板的配筋率,可减少面板开裂的危险和范围。由此可知,改进细部结构、提高面板抗震性能,对面板坝十分重要。3堆石坝地震反应特性地层基震害资料和研究表明,地震引起的坝体残余变形是造成大坝震害的重要原因,因此控制坝体残余变形及变形的不均匀性(包括控制地震引起的面板挠度等)可提高大坝抗震能力,而控制地震残余变形的主要手段就是提高堆石坝填筑密度。“5.12”汶川地震使紫坪铺面板堆石坝产生了明显的地震变形,震陷约80~90cm,但相对9~10度的地震作用其变形并不大。这得益于坝料选择和分区的合理性,使碾压质量得到了有效控制,达到了高压实密度。由此可知,强震区宜增加坝体堆石料的压实密度,尤其在地形突变处的压实密度,并做好坝料选择和分区,严格控制施工质量。4设计阶段抗震评价在紫坪铺面板堆石坝的设计阶段,按《水工建筑物抗震设计规范》的要求进行了全面的抗震计算。通过室内大型动、静三轴试验研究了筑坝材料和覆盖层地基的动、静力工程特性,在此基础上采用非线性邓肯—张E-B模型对大坝进行了三维静力分析,并利用三维真非线性模型进行了8度地震下的动力反应分析和安全评价,包括加速度反应、动应力反应、面板应力反应及变形、接缝位移、坝体及地基地震残余变形、单元抗震安全性、覆盖层地基液化可能性评价、面板及坝坡的抗震稳定性、总体安全评价等。图5为设计阶段计算的坝体外轮廓地震残余变形、坝体单元抗震安全系数等值线及下游坝坡最危险滑动面位置示意图。由图可看出:①坝体垂直震陷和水平变位矢量叠加后均指向坝内,坝体在强震作用下整体收缩,与“5.12”震害现象一致。②大坝坝顶和坝顶附近下游坝坡上部1/4~1/3区域为抗震的薄弱部位,这与“5.12”震害中坝顶和下游坝坡破坏区域吻合。设计阶段的计算分析表明,河床中部及坝顶附近动力反应最为强烈,坝顶及坝顶附近下游坝坡区域的加速度反应较大,在地震作用下堆石松动、滑落的可能性较大,这也在“5.12”地震中得到了验证。由此可知,设计阶段采用的非线性地震反应分析及抗震安全性评价方法适用、可靠,分析成果可为工程抗震设计提供技术参考。紫坪铺面板堆石坝在设计阶段结合抗震计算所采取的抗震措施在“5.12”汶川地震时发挥了良好效果,有效性得到了验证,亦表明抗震计算的必要性和工程意义。抗震计算应包括抗震稳定计算、震后永久变形的变形计算、防渗体安全评价和液化可能性判别等内容,结合抗震措施,进行抗震安全性综合评价。综上所述,紫坪铺面板堆石坝在设计阶段的抗震计算结果与“5.12”震害的良好可比性及基于计算成果和工程经验采取的抗震措施的有效性表明,目前的土石坝抗震计算方法能获得大坝地震反应的主要特征、揭示大坝抗震的薄弱环节。基于抗震计算,并结合工程经验来确定工程抗震措施,可提高抗震措施的有效性和可靠性。5面板堆石坝抗震措施a.结合面板堆石坝设计规范的修编工作,总结分析了“5.12”汶川地震中紫坪铺面板堆石坝的震害特征,获得了震害对面板堆石坝抗震措施的启示。结果表明,抗震措施应从坝址选择、地基条件、坝型选择、细部设计、坝料及施工质量等环节和因素综合考虑,对做好面板堆石坝抗震措施具有重要意义。b.面板堆石坝的抗震能力及其安全性主要与地基和坝体土石料的特性与密实程度、坝体与地基的防渗结构及连结部分的牢固与否密切相关。对建于强震区覆盖