混凝土面板堆石壩的抗震設計研究

宋江城,劉曉輝,羅 飛,鮮時君,謝邦先

(西華大學能源與環境學院,成都,610039)

5月12日汶川大地震,對我國水利水電工程抗震安全是一次嚴重考驗,震區 2360座大中小型水利水電工程中,共有 800余座工程遭受不同程度的震損,占全部水電工程的 1/3左右,但無一潰壩,沒有造成嚴重次生災害。我國大約80%的水能資源在西部,隨著經濟建設的不斷發展和西部大開發第二個十年規劃戰略的實施,我國西部水利水電建設必將得到快速發展,高壩的建設也會越來越多。但這些混凝土面板堆石壩多位于強震區,它們在強震作用下安全性如何,是人們關心的重大問題。因而,混凝土面板堆石壩的抗震研究工作的迫切性和重要性越來越突出。對此,本文進行一些探討。

1 地震的破壞原理

地震通常分為三大類,火山地震、陷落地震和構造地震。前兩類震級低,破壞小,而引起大破壞的主要是構造地震。這次汶川地震正是屬于構造地震。構造地震主要是由于地殼的構造運動使巖石發生變形,從而聚集了大量的應力,當聚集的應力超過巖石的破裂強度的時候,巖石就會突然破裂,引起震動,當震動波傳到地面上來時,就導致地震。地震的破壞一般有三種情況:(1)如果建筑物地處震源附近,當地震波來了之后建筑物會上下震動,這就是縱波破壞;(2)如果建筑物離震源比較遠時,當地震波來后建筑物會水平方向搖擺,這就是橫波破壞;(3)建筑物在地震波作用下左右扭動。

2 地震對混凝土面板堆石壩的影響及其解決措施

混凝土面板堆石壩主要由堆石體和鋼筋混凝土面板、趾板等兩大部分組成,而面板、趾板、趾板地基的灌漿帷幕、周邊縫和面板間的接縫止水等構成了面板壩的防滲體系。

2.1 壩體

根據前面所述地震的破壞機理,結合國內外試驗及已建成的高面板壩的地震經歷來看,地震對混凝土面板堆石壩壩體主要有以下幾點影響:(1)地震時壩頂和下游坡塊石有錯動和滾落現象,上下游方向可能產生微小的位移變化,且中間壩段的壩頂可能發現縱向裂縫;(2)地震也可造成壩頂沉降且向下游側變形,壩頂坍塌;(3)地震期間壩體有可能發生縱向擠壓現象,而且在岸坡較陡的情況下,壩體與岸坡間有可能發生裂縫;(4)在水庫正常蓄水的情況下,壩體在地震作用下的剛性主要取決于圍壓。

不管怎么樣,壩體在地震荷載作用下的破壞情況以及對應的解決辦法都必須結合實際工況予以處理,做到實事求是。應該根據壩體震害特征形式分析,從壩體的地震估算、斷面設計、壩體區分、壩料設計及壓實標準、加強地震觀測方面等采取合理的措施,以提高混凝土面板堆石壩的抗震能力,降低地震破壞程度。對于以上可能出現的破壞情況,首先可增加壩頂的寬度,并在下游壩坡頂部用大塊石或加筋堆石加固,還可以在壩的上部 1/5壩高范圍內設幾層鋼筋網或鋼筋混凝土梁加固;為避免壩體與岸坡間發生裂縫,在壩體與岸坡相鄰處,需用細粒墊層料填筑,并加寬墊層區的尺寸;而對于壩體在縱向有可能發生擠壓,則應在擠壓應力較大部位的垂直縫內填充易壓縮材料,以減少面板混凝土被壓碎的危險和范圍。此外,還必須提高壩體的抗震穩定性,除增加排水區的排水能力外,其豎向排水區宜盡量靠向上游布置,以增大壩體的干燥區;并在下游壩坡一定范圍內,盡量采用堆石料填筑。除以上措施外,還可根據壩體各單元的應力來評價其抗震穩定性,在運用有限元法計算出壩坡單元的靜應力和地震作用下的動應力后,按下式計算壩體單元的抗震安全系數 Fe:

式中:τf——單元潛在破壞面抗剪強度,由下式

計算確定:τf=σ′ftgφ′+c′

τ——為單元潛在破壞面上的總剪應力,

由下式計算確定:τ=τs+τd

其中,σ′f為單元潛在破壞面上的有效法向應力;φ′、c′為單元有效抗剪強度指標。當為有效應力分析時,可直接采用靜力有效強度指標;τs、τd為相應單元潛在破壞面上的靜剪應力和等效動剪應力 , 其中 τd=0.65τdmax。τdmax為地震過程中潛在破壞面上的最大動剪應力。

2.2 面板

混凝土面板是大壩重要的防滲體系,它主要受約壩體。根據壩體在地震荷載作用下的破壞情況結合混凝土面板自身特點,對強震區混凝土面板分析可知,其可能的破壞形式主要有:(1)當地震波來時,壩體有可能在短時間內發生彈性或塑性小變形,瞬間導致面板局部應力過大而產生裂縫;(2)地震也可造成壩頂沉降且向下游側變形,混凝土面板很可能彎曲而斷裂;(3)由于壩體沉降或移動會使墊層料大面積空脫,進而可能導致面板滑動;(4)面板附著于壩體,在地震情況下,壩體與面板的相對位移也是混凝土面板開裂的主要原因。對此可做如下分析:設墊層面觀測點的沉降位移為 V,向下游水平位移為 H,則沿墊層面切向位移:

式中,θ為墊層料上游面仰角,一般為 35.54°。

則 T=0.581V-0.814H

分析:當 H/V=0.714時,沿墊層面無切向位移;當 H﹤ 0.714V時,沿墊層面切向位移向下;當 H﹥ 0.714V時,沿墊層面切向位移向上。但是不管切向位移向上還是向下,這都會使面板產生拉伸性裂縫的危險大大增加。因為面板變形受堆石體約束,其切向位移與堆石體的切向位移是同向不同步的。所以,控制面板與墊層的相對位移,改進混凝土面板的性能等,就是防止產生這類裂縫的關鍵所在。

以上分析也能說明,彎曲性裂縫的問題。即,地震使壩體產生水平位移或是沉降位移,就會使面板彎曲撓度增加,產生彎曲性裂縫的危險也會大大增加。因此,首先從混凝土面板自身考慮,采用高品質混凝土或一些添加劑,改善混凝土本身的各項性能;在施工時,選擇其澆筑時機非常重要,而且在重要或危險部位可增加面板的配筋率,增強其抗彎與抗拉能力,盡量減少面板開裂的危險和范圍。其次,壩體填筑壓實要達到標準。一方面各分區壩料使之達到密度較大、孔隙率較小和壓縮模量較高的標準;另一方面是各分區在內的全壩體壓實較均勻,以防止地震情況下產生較大的沉降變形而造成壩體上游區出現受拉開裂等問題。再者,合理的壩頂寬度和壩頂結構形式,可防止地震情況下混凝土面板失去支撐而導致斷裂;加強壩頂部位的剛度,采用加筋堆石和釘結護面板,適當放緩壩頂下第一級壩坡,壩頂下游壩肩用大石堆砌,防止壩頂附近土體的破壞等措施均有實用價值。最后,就是做好面板空脫監測。可在壩的填筑體頂部面板與墊層間埋設測縫計監測空脫情況,為面板選擇適宜的滯后澆筑時間;也可在相應的填筑體內埋設沉降儀,以了解壩體實際情況,加強堆石體不均勻沉降及流變引起的壩頂部沉降及向下游位移與彎曲觀測,做到及時修補,防范于未然。在此基礎上,還須分析面板的抗震穩定性,分析方法如下:在地震作用下面板沿接觸面滑動的抗滑安全系數按下式計算。

式中:σi=(σns+σnd)i, τi=(τs+τd)i;

σns——接觸面單元的靜法向應力;

σnd——接觸面單元的動法向應力;

τs——接觸面單元的靜剪應力;

τd——接觸面單元的動剪應力;

Ii——各單元沿坡向長度;

δi、ci——面板與墊層間的抗剪強度指標,參照墊層料的抗剪強度和其他相關試驗資料取得。

2.3 周邊縫及其止水結構

周邊縫沿著趾板與面板的連接設置,地震時由于壩體的沉降、水平位移和面板滑動會使這條接縫發生較大的變形,導致接縫止水結構損壞,產生嚴重的漏水。所以,周邊縫及其止水結構對混凝土面板堆石壩防滲起著十分重要的作用。止水結構的設置對于該縫來說顯得更加重要。周邊縫止水結構見圖 1所示。

圖 1 周邊縫止水結構示意

對于地震情況下止水結構面對的主要問題,首先壩體填筑壓實要達到標準。一方面各分區壩料要達到密度較大、孔隙率較小和壓縮模量較高的標準;另一方面是各分區在內的全壩體壓實比較均勻,防止地震情況下產生較大的沉降變形,造成壩體上游區面板出現受拉開裂等問題。其次,還可以利用砂礫料壓實后具有較高的抗剪強度和較低的壓縮性,來填筑主堆石區,以減少施工期及蓄水后的壩體沉降量,減小面板各接縫的變形,大大改變各種接縫特別是周邊縫的應力狀態。再者在混凝土面板上游側設置防滲補強區,并于周邊縫下設一墊層特別級配小區,形成反濾,也可以防止周邊縫在地震時張開破壞而引起大量滲漏。最后,對處于強震區的大壩,必要時采用能適應較大變形的三向周邊縫止水結構,并嚴格控制施工質量。

一般止水結構可做一定改進,使其具有以下特點:

(1)可取消接縫中部的止水帶,將其提升至塑性填料之下,并設置波浪形止水片,以適應周邊縫較大的接縫位移作用;

(2)在設計條件下,表層止水中的塑性填料在底部 PVC棒的支撐,在波浪形止水帶的封閉下,始終保持在嵌填位置發揮止水作用;

(3)在意外情況下,當接縫作用超出設計條件,波浪止水帶發生破裂時,塑性填料能夠在瞬間施加壓力差的作用下向縫內流動,填充接縫發揮作用;

(4)作為增加安全的措施,表層設置無粘性填料覆蓋,使止水結構具備自愈功能,并且無粘性填料至少應布置在死水位下。可以根據工地供料情況,選擇粉煤灰、粉細沙一類的無粘性自愈材料。

3 展望

到目前為止,國內外對堆石壩還主要憑經驗進行工程設計施工。由于壩材料特性十分復雜,有限元計算結果與實際觀測資料之間還存在一定的差距,尚有很多研究工作有待開展。今后一段時間,簡單實用、概念明確的土石料的本構模型仍占主導地位。而計算結果在多大程度上與實際相符,不僅取決于模型本身,更取決于模型參數測定的準確程度。因此,有必要在參數測定方面進行深入的研究,研制高精度的高壓三軸試驗儀和大型三軸試驗儀器,并且發展原位試驗測試分析技術等。應該承認,現有土石材料的本構關系在描述土石體真實特性時,其準確性和完整性方面是遠遠不夠的。無論是非線性模型還是彈塑性模型,都是在連續性假設基礎上從宏觀唯相的角度描述土石材料的應力應變關系。實際上,土石材料可被視為多孔多相的顆粒集合體介質,不連續性為其主要特征。因此,要深刻揭示土石材料的應力變形規律,就必然要開展土石材料微觀結構的研究,并力圖在微觀結構研究的基礎上,結合數學、力學的新理論,建立新的本構模型。其計算可采用新的數值計算方法如離散元法、數值流行方法。離散單元法是處理不連續問題強有力的工具,在應用中還可以考慮離散元與有限元耦合,以便發揮各自的優點。數值流行方法是近幾年數值計算的發展方向,由石根華于 1995年提出。數值流行方法以流行分析中的有限覆蓋技術為基礎,統一解決了連續與非連續變形力學問題。有限元與非連續變形分析都是數值流行方法的特殊形式。

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