對(duì)紫坪鋪面板堆石壩抗震性能的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)和體會(huì)

馮軍

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610072)

1 工程概況

紫坪鋪水利工程位于成都市西北60余km的岷江上游，是一座以灌溉和供水為主、兼有發(fā)電、防洪、環(huán)境保護(hù)、旅游等綜合效益的大型工程，大壩及其他擋水建筑物按Ⅷ度設(shè)防。壩頂高程884 m，最大壩高156 m，壩頂全長(zhǎng)663.77 m，壩頂寬度12 m，上游坡度為1∶1.4，下游坡度為1∶1.5和1∶1.4，壩頂上游側(cè)設(shè)6 m 高防浪墻。壩體分區(qū)從上游向下游方向分別為上游壓重區(qū)、壩前輔助防滲區(qū)、防滲面板、墊層料(特殊墊層料)、過(guò)渡料、主堆石區(qū)、次堆石區(qū)、反濾料、下游壩體堆石料區(qū)，詳見圖1。

圖1 大壩典型剖面圖

2 “5.12”汶川地震后大壩的破壞情況

2008年5月12日發(fā)生的汶川里氏8級(jí)大地震，壩址距震中約17 km，壩址區(qū)影響烈度為Ⅸ～Ⅹ度。大壩的基本蓄水功能沒(méi)有受到大的影響，但產(chǎn)生了一定的局部震損，其主要表現(xiàn)為:

(1)大壩發(fā)生較明顯震陷，最大沉降量744.3 mm，位于大壩最大斷面壩頂附近;壩坡向下游方向發(fā)生水平位移超過(guò)300 mm。

(2)部分面板之間、沿分縫處兩側(cè)一定范圍內(nèi)發(fā)生擠壓破壞現(xiàn)象，靠近河床部位的原設(shè)計(jì)的壓性縫面板區(qū)域內(nèi)面板破壞情況比兩岸岸坡段面板(原設(shè)計(jì)為張性縫區(qū)域)嚴(yán)重。原設(shè)計(jì)的位于張性縫區(qū)域內(nèi)的面板之間也有擠壓破壞情況出現(xiàn)，但相對(duì)壓性縫面板區(qū)域內(nèi)面板破壞程度較輕。

(3)845 m 高程二、三期混凝土面板施工縫錯(cuò)開，最大錯(cuò)臺(tái)達(dá)17 cm;部分混凝土面板與墊層間有脫空現(xiàn)象，最大脫空23 cm。

(4)壩頂防浪墻基本完好，個(gè)別部位發(fā)生擠壓破壞和拉開現(xiàn)象，壩頂下游側(cè)交通護(hù)欄大部分遭到破壞。靠近壩頂附近的下游坡面干砌石塊松動(dòng)并伴有向下的滑移。

紫坪鋪面板壩經(jīng)受了遠(yuǎn)超于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的地震考驗(yàn)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗震能力，表明大壩設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量是好的。大壩基巖原設(shè)計(jì)地震加速度為0.26 g，本次實(shí)際遭遇的地震加速度峰值估計(jì)應(yīng)該在0.5 g 以上。從壩體震陷情況看，如此強(qiáng)烈的地震作用震陷僅為744.3 mm，占?jí)胃叩?.47%，表明紫坪鋪大壩壩料選擇和壩料分區(qū)合理，碾壓控制指標(biāo)合適、碾壓質(zhì)量得到了有效控制。從壩坡穩(wěn)定情況看，除了壩體中上部下游壩面部分區(qū)域塊石松動(dòng)、沿坡面向下稍有滑移外，沒(méi)有發(fā)生明顯的塊石滾落現(xiàn)象;從面板防滲功能看，盡管出現(xiàn)有周邊縫拉開、面板錯(cuò)臺(tái)、面板擠壓破壞現(xiàn)象，但從滲流量監(jiān)測(cè)結(jié)果看，地震中面板所承擔(dān)的防滲功能并沒(méi)有遭到明顯破壞。

上述分析表明，壩體整體是穩(wěn)定的，大壩的基本蓄水功能沒(méi)有受到大的影響。

3 幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)與體會(huì)

(1)壩體結(jié)構(gòu)及分區(qū)。

紫坪鋪面板堆石壩設(shè)計(jì)時(shí)主要使用的是《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL228-98，對(duì)比紫坪鋪大壩典型剖面與98規(guī)范推薦的硬巖堆石壩體主要分區(qū)示意圖，二者的差別是明顯的。紫坪鋪壩體結(jié)構(gòu)及分區(qū)是以98規(guī)范推薦的壩體分區(qū)為基礎(chǔ)，但不拘泥于98規(guī)范，經(jīng)國(guó)內(nèi)多方人士、多位專家、多方案比較最終敲定的一個(gè)比較完美的壩體分區(qū)方案，設(shè)計(jì)人員為此做了大量的工作。從抗震的角度考慮，這種壩體分區(qū)較好地解決了上下游側(cè)壩坡的穩(wěn)定問(wèn)題。

(2)壩體各分區(qū)材料控制標(biāo)準(zhǔn)。

紫坪鋪大壩各分區(qū)控制指標(biāo)見表1。

表1 壩料分區(qū)表

2000年左右，國(guó)內(nèi)面板壩施工振動(dòng)碾重量偏小，從表1中可以看出，各分區(qū)填筑料控制指標(biāo)均比較高，施工單位要達(dá)到這套控制指標(biāo)有相當(dāng)難度，但設(shè)計(jì)單位卻覺(jué)得這套控制指標(biāo)合理。后來(lái)施工單位從國(guó)外進(jìn)口了25 t 振動(dòng)碾，試碾后能達(dá)到設(shè)計(jì)單位的控制指標(biāo)。“5.12”地震后，大壩整體變形不大，最大斷面處震陷僅744.3 mm，占?jí)胃叩?.47%。大壩能在“5.12”地震中屹立不倒，直接得益于這套嚴(yán)格的控制指標(biāo)。當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)單位如不堅(jiān)持這套控制指標(biāo)，則“5.12”地震時(shí)大壩的總體變形將加大，面板破壞情況將更加嚴(yán)重，其后果很難預(yù)料。因此，應(yīng)該對(duì)那些敢于頂住壓力的設(shè)計(jì)工程師表示感謝。

(3)壩頂結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)。

混凝土面板堆石壩壩頂結(jié)構(gòu)一般分兩種形式，紫坪鋪采用的是其中一種。其上游側(cè)為高防浪墻，下游設(shè)計(jì)為低矮的擋墻或欄桿，以減少壩體填筑量;上游側(cè)高防浪墻與下游側(cè)擋墻均建基于壩體堆石上;上、下游不通過(guò)混凝土結(jié)構(gòu)互相連接。另一種壩體結(jié)構(gòu)是讓壩頂上游側(cè)高防浪墻與下游側(cè)擋墻通過(guò)混凝土結(jié)構(gòu)連接，整個(gè)壩頂結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“U”型結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)人員一直比較關(guān)心這兩種壩頂結(jié)構(gòu)的抗震性能孰優(yōu)孰劣。從紫坪鋪大壩壩頂及上游側(cè)面板破壞的情況看，特別是對(duì)上游側(cè)面板從845 m 高程二、三期混凝土面板施工縫錯(cuò)開破壞情況分析，如紫坪鋪工程采用“U”型結(jié)構(gòu)的壩頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由于壩體的“辮梢”效應(yīng)，壩頂“U”型結(jié)構(gòu)可能會(huì)沿上游側(cè)或下游側(cè)整體拋離原位置，如遇到庫(kù)水位在防浪墻與面板之間的縫以上的時(shí)候，后果將非常嚴(yán)重。當(dāng)?shù)卣鸩▊魅雺误w時(shí)，其在散離體狀的壩體填筑料中的傳播速度遠(yuǎn)小于在混凝土結(jié)構(gòu)中的傳播速度，各石塊塊體之間有相位差，在某一瞬間很難形成向某一個(gè)方向的合力;當(dāng)壩頂采用“U”型混凝土結(jié)構(gòu)，由于地震波在混凝土結(jié)構(gòu)中的傳輸速度極快，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)相位差極小，極容易在瞬間朝某個(gè)方向形成合力，壩頂結(jié)構(gòu)極易沿某個(gè)方向被拋離。但該結(jié)構(gòu)也不能按拱壩壩頂?shù)目拐鹦阅芎?jiǎn)單的類推，拱壩壩頂為混凝土結(jié)構(gòu)，但拱壩本身是一個(gè)超穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，拱壩壩頂部位受多方面約束，而面板堆石壩壩頂如采用“U”型混凝土結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)相當(dāng)于“放“在散離體狀的壩料上的混凝土塊，雖然壩的兩端頭與岸邊基巖相接，但只是簡(jiǎn)單的連接;同時(shí)，這種“U”型混凝土結(jié)構(gòu)每隔一定距離設(shè)有沉降縫，各分塊之間互不約束，故不能由拱壩壩頂部位的抗震性能類推面板堆石壩的“U”型壩頂結(jié)構(gòu)的抗震性能。

(4)壩頂部位上、下游的抗震保護(hù)性能。

從邊坡保護(hù)角度看，面板堆石壩上游側(cè)的面板可以看成是壩體堆石上游坡的護(hù)坡。紫坪鋪大壩上游側(cè)面板在845 m 高程二、三期混凝土面板施工縫錯(cuò)開破壞情況比較嚴(yán)重，這種錯(cuò)動(dòng)幾乎貫穿整個(gè)壩面的所有面板分塊。如果下游側(cè)最上一級(jí)馬道以上部位采用混凝土塊護(hù)坡，則可預(yù)見面臨上游側(cè)同樣的問(wèn)題，破壞情況將比上游側(cè)面板表現(xiàn)的更為突出;上游側(cè)二、三期混凝土施工縫中除布置有面板本身的配筋外，還布置有加強(qiáng)筋，其尚沿845 m 高程發(fā)生大的錯(cuò)動(dòng);如果下游側(cè)采用混凝土塊護(hù)坡，混凝土塊護(hù)坡是直接“斜躺“在堆石上的，由于其沒(méi)有得到下部鋼筋的約束，則混凝土塊會(huì)直接拋離壩體，對(duì)壩后建筑物構(gòu)成大的威脅。為減輕高面板堆石壩壩體上部面板在低水位遇地震時(shí)的錯(cuò)動(dòng)情況，或可在壩體上游側(cè)埋設(shè)一些錨筋與面板鋼筋連接，將面板錨固于堆石上。

(5)面板壩壩坡坡比值。

紫坪鋪面板堆石壩上游坡度為1∶1.4，下游坡度為1∶1.5和1∶1.4。“5.12”特大地震中，上、下游邊坡均沒(méi)有出現(xiàn)大規(guī)模的滑坡，沒(méi)出現(xiàn)大的破壞，表現(xiàn)良好。下游邊坡雖然有局部掉塊，但不構(gòu)成對(duì)整個(gè)壩體的安全威脅，說(shuō)明基于目前實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的面板壩邊坡設(shè)計(jì)理念能很好的抵御地震。當(dāng)然，必要的邊坡穩(wěn)定分析也是必需的。

(6)邊坡穩(wěn)定及邊坡穩(wěn)定分析。

用擬靜力法進(jìn)行地震工況下邊坡穩(wěn)定分析時(shí)，一般都計(jì)算其向凌空面滑出時(shí)的最小安全值，要求其值不得小于規(guī)范的最小安全系數(shù)。從紫坪鋪面板堆石壩壩體在地震中的表現(xiàn)看，壩前、壩后邊坡并沒(méi)有向凌空一側(cè)滑出;相反，壩體是向壩體內(nèi)部發(fā)生沉降，說(shuō)明在具有一定坡度的人工邊坡中，由于整個(gè)邊坡是由人工一層一層用震動(dòng)機(jī)具碾壓而成的，只要施工質(zhì)量有保證，整個(gè)邊坡內(nèi)部出現(xiàn)明顯的軟弱結(jié)構(gòu)面的幾率非常低，邊坡向凌空面滑出的可能性亦非常低。這一點(diǎn)明顯不同于自然界因各類自然因素形成的邊坡，自然界形成的邊坡其成因復(fù)雜，沒(méi)得人的因素參與其中，不可控因數(shù)太多，極易形成軟弱結(jié)構(gòu)面，很多時(shí)候還有地下水參與其中，因此，設(shè)計(jì)時(shí)將注意力更多的考慮向凌空面滑出是必須的。對(duì)人工修建的各類建筑物邊坡則還需考慮內(nèi)陷問(wèn)題。

(7)張、壓性縫問(wèn)題。

目前在面板壩設(shè)計(jì)時(shí)把兩岸岸坡部位的面板壩分縫設(shè)計(jì)成張性縫，靠河床中心部位的面板之間的縫設(shè)計(jì)成壓性縫，從紫坪鋪面板堆石壩面板在地震中的表現(xiàn)看，設(shè)計(jì)的壓性縫區(qū)域內(nèi)的面板破壞情況較張性縫區(qū)域嚴(yán)重，但張性縫之間由于各塊面板的相對(duì)位移不一致，依然有擠壓破壞。考慮到在實(shí)際工程中壓性縫和張性縫施工、造價(jià)差別不大，故可以全部按壓性縫設(shè)計(jì)。各壓性縫之間的面板之間的有效接觸面積要加大，以減小應(yīng)力集中時(shí)的應(yīng)力值，減輕面板之間的擠壓破壞情況。

4 結(jié)語(yǔ)

“5.12”汶川大地震對(duì)紫坪鋪樞紐建筑物的抗震性能全面進(jìn)行了檢驗(yàn)，交出了一份合格的答卷。事實(shí)證明，只要按照相關(guān)法律法規(guī)、規(guī)程規(guī)范要求嚴(yán)格管理、精細(xì)設(shè)計(jì)、認(rèn)真施工，最終建成的建筑物基本能達(dá)到設(shè)計(jì)地震“可修復(fù)”、校核地震“不潰壩”的目標(biāo)。