高土石坝地震反应分析及抗震方案研究

高土石坝地震反应分析及抗震方案研究

土石水库是最古老的水库之一，在中国有着悠久的历史。随着土力学理论及施工技术的进步,土石坝的建造数量明显上升,其高度也不断增加。目前,我国拟建的两河口水电站和双江口水电站,坝高均超过了300m。我国80%的水能资源在西部,随着经济建设的迅速发展和西部大开发战略的实施,在我国西部水利工程的建设必将得到快速发展,高土石坝的建设也将越来越多,然而,西部地区也是地震高发地带,因此,研究土石坝的抗震措施有重大的现实意义。近20年来,科研人员对高土石坝筑坝材料静动力特性、坝体动力反应、地震变形分析方法等已进行了较为深入地研究,取得重要进展,丰富和完善了高土石坝抗震理论和设计方法。然而,有关地震时高土石坝破坏机理及其抗震措施方面的研究相对较少。本文简要总结笔者等近年来的一些研究成果,着重从地震时高土石坝地震反应特征、破坏性态及其抗震对策的角度,提出一种较经济高效的抗震方案,并以某实际高土石坝工程为例,采用FLAC商用程序进行计算分析,以比较本文建议的抗震方案的减震效果。1坝体结构及坝体破坏特征笔者等与日本东京大学田村教授合作开展了土石填筑坝(包括土坝、堆石坝和面板坝)地震破坏机理研究,利用振动台进行了一系列模型试验,研究强震时土石填筑坝破坏性态、主要破坏特征和坝坡稳定的影响因素及抗震措施。试验结果表明,无论是心墙坝还是面板坝,由于坝体结构对地震波的放大效应,坝体上部加速度反应往往较大,地震中坝体安全与坝顶区堆石体的稳定关系密切,大坝遭遇强震而发生破坏时,破坏将首先从坝顶部开始,其主要特征是:动荷载作用下,坝顶部堆石体将最先失去平衡而产生松动、滑动乃至坍塌等;坝体初始破坏一般表现为坝坡面的浅层(表层)沿平面或近乎平面滑动,其位置靠近坝顶区附近,心墙堆石坝为上、下游两侧坝面,面板堆石坝则发生在下游坝坡。三维模型试验还表明,坝体破坏主要集中在中部坝段,即河谷坝段,两岸坝段破坏较轻。因此,在地震区修建高土石坝时应特别重视坝顶区土体的稳定。2高坝地震资料研究及衰减工程的基本思想2.1影响高土石水库水位稳定的因素2.1.1初始滑动面加速度研究笔者曾对相同的边坡(1∶1.4)选用了三种不同粒径堆石料堆筑成三种不同坝高的均质坝(坝高分别为80、100、140cm),在振动台上进行破坏试验,测定坝体发生初始滑动时的坡面临界加速度(即坝顶颗粒滑动部位的加速度反应)。结果表明,在坝坡一定的条件下,筑坝材料平均粒径增大,坡面临界加速度相应地也有所提高。2.1.2道高程以上减缓坝坡模型坝比较对一组(3个模型坝)在下游坝坡不同高程(1/2、2/3、4/5坝高)设置马道,并在马道高程以上减缓坝坡(马道以上坝坡1∶1.6,以下1∶1.4)进行比较试验。结果表明,马道以上放缓坝坡的模型坝,其加速度反应不会因放缓坝坡有明显变化,但它们的坡面临界加速度比不缓坡的模型坝提高了40%。显然,当选择坝高的4/5作为起始点减缓坝坡是比较经济的。2.1.3边坡表面颗粒滑动到上游面板断裂的时间比较了若干个不同坝顶宽的模型坝破坏试验,结果表明,面板坝坝顶加宽后,从坝顶附近下游坡面上颗粒滑动到上游面板断裂这一过程的时间也相应延长。由此可见,如果坝顶具有足够宽度,地震时坡面的表层滑动(滑落)不致于危及整个坝顶区土体。因此,在地震区修建面板堆石坝应适当放宽坝顶宽度。2.2坝体局部加固坝面通过8个较大比尺模型(坝高1.4m)的试验,研究土中加筋与边坡钉结、坝面钉结范围、钉筋长度、马道等对提高面板坝抗震能力的效果,得到以下几点结论:(1)坝内堆石中采用土工织物加筋对提高坝体的整体稳定是有利的,可以防止堆石体在振动过程中的松动、滑移以及深层的滑动,但该方法对坝坡表层滑动的抑制效果并不明显;(2)采用钉结护面板局部加固坝面,不仅可以大大提高坝坡的抗滑能力,而且坝体的整体性也可得到加强。由于地震对坝体的作用主要表现为水平往复惯性荷载,对边坡较陡的堆石坝坡来说,其初始破坏形式是坝坡表层(浅层)的松动和滑落。因此,采用钉结护面板形式,即“由表及里”的加固方法,效果是显著的;(3)若干个插入不同钉筋长度的模型坝破坏试验表明,插入堆石内的钉筋主要是起护面板与堆石的钉结作用,防止地震时坡面护面板滑落。2.3高土石坝结构及坝体结构基于上述对地震作用下高土石坝破坏机理的认识,笔者对高土石坝抗震设计提出几点认识:(1)100m以下的低坝,在中等地震作用下,其地震反应以第一振型为主;对150m以上高坝,地震时,坝体地震反应中高振型参与量增大,坝体上部(一般在坝高4/5以上)变形增大,坝顶区的“鞭鞘”效应将使堆石处于不稳定状态;强震时坝顶部往复地震惯性力较大,将会导致坝顶区堆石体松动,堆石颗粒间咬合力丧失,从而在坝顶上、下游两侧发生堆石体浅层滑动。因此,在高土石坝抗震设计中应特别注意坝顶区土体的稳定,并采取必要的抗震措施;(2)地震时堆石坝上部坝坡浅层滑动是最常见的震害,大量的动力模型试验和数值分析以及地震震害现象也给予了充分印证。因此,对高土石坝的河谷坝段,可以综合考虑在临界高度以上采用减缓坝坡并设置马道、同时适当加宽坝顶、在坝顶区用抗剪强度较高的填筑材料等综合抗震措施,也可以选择钉结护面板加固措施,即对坝体上部坝坡采用加筋(钉结)技术,并加盖护面板,从而增强坝顶区堆石体的整体稳定性,提高堆石坝抗震能力。3高坝的实际抗洪措施和价值研究3.1堆石坝坝体抗震措施在下游坝坡4/5高程处增设马道,马道以上减缓坝面坡度,马道以下适当加大(变陡)坝面坡度,在土方量基本不增加的前提下提高坝顶区两侧坝坡稳定。坝体上部1/5范围内采用土工加筋技术,同时坝坡表面加盖护面板,筋材与护面板相连,以便增强土体的整体性和稳定性,进而减小地震引起的永久变形,防止坝顶区块石松动导致坝坡滑动,提高堆石坝体的整体抗震能力。下面以实际工程为例,详细介绍这一综合抗震措施。某心墙堆石坝,坝高261.5m,坝底宽960.7m,上、下游坝坡皆为1∶1.8,采用直心墙方案。图1是未采用抗震措施方案的网格划分。图2为对抗震措施的说明。其中,图2(a)中的虚线为原坝下游坝坡轮廓线,马道设置在标高200.0m处的下游坝坡,马道宽4m,马道以上坝坡改为1∶2.0,马道以下坝坡改为1∶1.7。变坡和增设马道使沿大坝轴向每米增加2.5%的土石方量,如果不考虑增设马道(一般土石坝都有马道),每米增加土方量不到1%;图2(b)中的加筋层厚(间距)4~5m,加筋长度为从潜在滑移面到坝坡表面距离的2倍,沿坝坡表面设置护面板(可采用混凝土或砌石+混凝土砂浆材料),护面板厚度为10cm。筋材与堆石、筋材与护面板采用铰结的方式连接在一起(图3)。可以看出,这一抗震措施并没增加太多的土方量,然而后面的计算结果可以发现它所带来的抗震效果却十分显著。3.2土的本构模型及材料参数采用二维FLAC商用软件对大坝进行弹塑性动力响应分析,比较采用抗震措施和不采取任何抗震措施的坝体永久变形、加速度放大倍数等地震响应,从而对所建议的抗震措施的效果进行比对研究。FLAC采用的是快速拉格朗日有限差分方法,其基于显示差分法求解运动方程和动力方程。程序设有界面单元,可以模拟土与结构界面的滑动、张开和闭合行为,并设有锚索和梁等单元,能很方便地研究加筋筋材与土的相互作用。此外,程序允许输入多种岩土材料类型,用户也可根据需要在FLAC中创建自己的本构模型,进行各种特殊修正和补充。计算中坝体假定为理想的均质坝,堆石材料采用Mohr-Coulomb弹塑性模型,可比较容易地模拟坝体地震时发生的塑性剪切变形。堆石的剪切模量考虑压力相关性,即G=Κ⋅Ρa(σ′0Ρa)n(1)式中:G、σ′0、Pa采用同一量纲;Pa为大气压;σ′0为平均主应力;K为模量系数;n为模量指数。堆石的泊松比ν取为0.3,其材料参数K、n、粘聚力C、摩擦角φ、剪胀角ψ按表1取值。筋材采用锚索单元来模拟。由于弯曲的影响不很重要,锚索单元足以模拟筋材。筋材与堆石之间的接触面可根据定义的接触面剪切刚度、抗拉强度和抗剪强度来模拟。筋材及接触面的材料参数见表2。护面板采用梁单元来模拟,其材料为线弹性,计算参数见表3。3.3本文的综合抗震措施通过动力反应分析,比较了采用本文综合抗震措施和原设计方案(不采用抗震措施)坝体的地震响应,从而考察抗震方案的减震效果。另外,还研究了地震波的频谱特性以及同时输入水平和竖向地震动对抗震效果的影响。为方便比较,表4给出了计算工况。人工地震波选用拟合坝址区100年超越概率为2%的基岩反应谱曲线得到的人造波,峰值加速度为0.288g(2.83m/s2)。实测地震波为澜沧-耿马断层耿马余震波,峰值加速度为295.9cm/s2,计算时被调整到0.4g。两条地震动的时程曲线见图4和图5。当考虑竖向地震时,竖向加速度峰值按照水平向的2/3考虑。借助地震前后大坝的网格变形图可以更直观地考察本文建议的综合抗震措施的减震效果,为了便于对比观察,将实际的变形放大了10倍。对比图6与图7可以看出,本文建议的综合抗震措施能够有效地抑制靠近坝坡顶部表面浅层单元的坍塌。为进行定量比较,图8示意4条特征线,图9~图14给出它们的地震永久位移。从图中可以看出:(1)采用本文抗震措施后显著地降低了靠近坝顶1/5范围内坝体的永久位移。从图9和图10可以看出,原设计方案(工况1)的最大竖向永久位移为1.21m,采用抗震措施后(工况4)降为0.62m,降低幅度接近50%。原设计方案(工况1)最大水平永久位移为1.9m,发生在下游坝坡244m高程处,采取抗震措施后(工况4)该点水平永久位移降为1.1m,降低幅度为42.1%;(2)对比图9和图12可以发现,与仅输入水平向地震动结果相比,同时输入水平和竖向地震动时,本文抗震措施的减震效果依然明显;(3)采用抗震措施使得4/5高程以下浅层坝坡的永久位移略有增加;(4)对比图13和图14可以看出,不同频谱特性的地震动作用下,本文抗震措施降低大坝永久位移的规律没有改变。地震作用下坝体最大加速度分布是工程设计关心的问题,图15和图16给出了两种地震波作用下沿坝中轴线的加速度放大倍数。从图中可以看出,两种地震波作用下,原设计方案和采取了抗震措施的大坝都是坝顶的加速度放大倍数最大,输入人工波(加速度峰值为0.283g)时分别为2.9和3.0,实测地震波(加速度峰值为0.4g)作用下分别为1.93和1.70。但总体上看,本文建议的综合抗震措施对加速度响应的影响甚微。4对于坝体抗震作用本文总结了近20年来对高土石坝的破坏机理以及抗震措施研究的成果,提出了一种高土石坝的综合抗震措施,并采用FLAC软件进行了弹塑性动力计算,对比分析了其抗震效果。通过计算及对比分析得到以下几点结论:(1)本文建议的在坝高4/5以上,综合运用堆石