長河壩水電站礫石土心墻堆石壩抗震設計

楊　星，　張　丹，　伍 小 玉

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都　610072)

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長河壩水電站礫石土心墻堆石壩抗震設計

楊星，張丹，伍 小 玉

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都610072)

摘要：長河壩水電站礫石土心墻堆石壩最大壩高240 m，壩基為深厚覆蓋層，大壩抗震設防烈度為Ⅸ度。眾所周知：高地震烈度區深厚覆蓋層上修建高土石壩的抗震安全是工程的關鍵技術問題之一。為解決長河壩水電站大壩抗震設計難題，對強震區深厚覆蓋層上修建高土石壩抗震設計關鍵技術問題開展了大量深入的研究。介紹了長河壩水電站大壩-壩基體系動力反應數值分析和離心機振動臺模型試驗等研究成果及所采取的抗震措施，可為類似高土石壩工程的抗震設計提供借鑒和參考。

關鍵詞：長河壩水電站；礫石土心墻堆石壩；抗震設計；強震區；深厚覆蓋層；抗震措施

1概述

長河壩水電站樞紐建筑物主要由礫石土直心墻堆石壩、左岸引水發電系統、右岸2條開敞式進口溢洪洞、1條深孔泄洪洞及1條放空洞組成。工程場址的地震基本烈度為Ⅷ度，大壩抗震設防類別為甲類，按Ⅸ度抗震設防。根據地震安評成果，大壩的設計地震取基準期100 a內超越概率P100為0.02的基巖峰值加速度為0.359 g，校核地震取基準期100 a內超越概率P100為0.01的基巖峰值加速度為0.43 g。

礫石土直心墻堆石壩建造于深厚覆蓋層地基上，最大壩高240 m。壩基河床覆蓋層厚度為60～70 m，局部達79.3 m，結構較復雜，自下至上由老至新分為3層。第①層：漂(塊)卵(碎)礫石層(fglQ3)，分布于河床底部，厚3.32～28.5 m；第②層：含泥漂(塊)卵(碎)砂礫石層(alQ41)，厚5.84～54.49 m，分布于河床覆蓋層中部及一級階地上，②層中上部有②-C砂層分布；第③層：漂(塊)卵礫石層(alQ42)，厚4～25.8 m。

目前國內外尚無深厚覆蓋層上建造200 m以上高土石壩的抗震設計經驗，國內深厚覆蓋層上已建成的最高的土石壩是瀑布溝水電站心墻堆石壩，壩高186 m，抗震設防烈度為Ⅷ度。長河壩水電站大壩是位于深厚覆蓋層上的世界第一高土石壩，因此，高地震烈度區深厚覆蓋層上修建高土石壩的抗震安全是該工程的關鍵技術問題之一。

2大壩抗震數值分析研究

2.1大壩-壩基體系動力反應分析

設計人員對大壩-壩基體系開展了三維有限元動力反應分析。

(1)不同基巖地震動輸入影響分析。

地震動輸入是正確評價結構抗震安全性能的基礎。為了解不同地震動輸入對壩體壩基動力反應的影響，對設計地震工況下規范波、場地波和類似場地實測波三種不同地震動輸入進行了動力分析，三種不同地震動輸入下壩體壩基的動力計算成果見表1。從計算結果可以看出，輸入地震波對壩體壩基的動力反應結果有較大影響。場地波作用下壩體加速度反應、最大動位移和地震永久變形最大，因此，場地波為該工程的控制地震波，筆者重點分析了設計地震和校核地震場地波輸入條件下壩體壩基的動力反應分析成果。

表1　不同地震波輸入壩體壩基動力反應計算成果表

(2)壩體壩基加速度反應。

壩體加速度和加速度放大倍數可定性評價大壩地震反應的強弱，以及壩坡散粒體堆石料沿表層滑動或滾動的可能性。我們分別采用有效應力法和總應力法計算了設計地震和校核地震作用下壩體壩基的加速度反應，其計算結果見表2。加速度在壩體內總體反應不大，但在壩頂附近存在突然放大現象，加速度極值出現在壩頂附近，壩體在地震中表現出明顯的“鞭梢效應”且壩體表層加速度大于同高程壩體內部，表現出較為明顯的表層放大現象，因此，對壩頂部的上、下游壩坡應采取必要的抗震加固措施。

(3)壩體壩基動應力和動位移。

在設計地震和校核地震作用下，采用有效應力法和總應力法計算得到的壩體動應力和動位移見表3。

表2　壩體加速度反應表

表3　壩體動應力和動位移計算結果表

壩體最大剖面順河向和豎向最大動位移均從壩底向上逐漸增大，至壩頂最大；壩軸向最大動位移發生在壩中央的壩頂部位，壩軸向最大動位移分布左右基本對稱，越趨近壩基動位移數值越小。

在設計地震和校核地震作用下，防滲墻靜動應力疊加后的最大壓應力分別為45.14 MPa和47.01 MPa，最大拉應力分別為2.48 MPa和2.54 MPa。該工程壩基防滲墻混凝土強度等級為C45，現場防滲墻試驗混凝土芯樣90 d立方體抗壓強度達39.3～46.5 MPa，而規范要求C45混凝土軸心抗壓強度為29.6 MPa，軸心抗拉強度為2.51 MPa，故其能夠承受此拉應力值。

2.2心墻、反濾層、壩基砂層的動力安全性

有效應力法計算成果表明：在設計地震和校核地震作用下，上游壩基砂層中的振動孔壓最大值分別為320.8 kPa和374.4 kPa，最大動孔壓比分別為0.31和0.37，上游壩基砂層不會發生液化，覆蓋層地基均沒有出現動力剪切破壞。在設計地震和校核地震作用下，庫水壓力均小于心墻表面垂直壓應力，心墻的有效小主應力均大于0，不會發生水力劈裂，心墻內部未發現動力剪切破壞和拉應力。與上游反濾層接觸部位心墻出現了一些單元抗震安全系數小于1的區域，存在部分破壞單元，但不會影響到大壩的整體安全性。

總應力法計算成果表明：在設計地震作用下，上、下游反濾料、心墻料沒有出現動強度不足的問題；壩軸線上游壩基砂層透鏡體的動強度最小安全系數為1.24，其動強度儲備稍顯不足，最終的設計方案是將其進行挖除處理。在校核地震作用下，心墻頂部臨近上游反濾層的部分單元動強度安全系數小于1，上游反濾層3頂部部分單元動強度不足，可能發生液化破壞。但反濾層3既使發生液化也并不意味著壩坡失穩。采用畢肖普法計算表明：貫穿上游液化反濾層3的滑裂面的安全系數(最小為1.303)仍滿足規范要求。

2.3地震永久變形

國內外大量土石壩震害調查和研究表明：地震引起的裂縫、滑坡、震陷等震害均與地震永久變形過大或不均勻沉降過大有關。由土石壩地震永久變形可以直接判斷壩體在地震荷載作用下的抗震安全性，并可為預留壩頂超高提供依據，因此，地震永久變形已成為控制土石壩工程安全的最重要因素之一。在設計地震和校核地震作用下，采用整體應變勢法計算的壩體地震永久變形情況見表4。

表4　壩體地震永久變形計算成果表　/cm

在地震荷載作用下，壩體豎向永久變形大于水平向永久變形。地震永久變形的主要表現形式為震陷，表明壩體堆石料在高固結應力和循環荷載作用下呈現體縮特性。在設計地震和校核地震作用下，壩體的最大豎向永久變形分別為157.91 cm和181.83 cm，分別占壩高(不包括覆蓋層)的0.66%和0.75%。

2.4壩坡動力穩定分析

壩坡動力穩定分析采用擬靜力法和動力有限元法，分別計算了大壩正常蓄水位時壩坡在設計地震和校核地震作用下的抗震穩定性。擬靜力法壩坡動力穩定采用簡化畢肖普法，動力有限元法采用了動力時程法和動力等效值法，壩坡動力穩定計算成果見表5。計算成果表明：在設計地震和校核地震作用下，由擬靜力法計算的上、下游壩坡抗震穩定安全系數均能滿足規范要求；在校核地震作用下，動力有限元時程法計算得到的上、下游壩坡的最小安全系數也大于1，因此，在地震荷載作用下，大壩壩坡整體穩定。

表5　地震工況下壩坡穩定最小安全系數表

3大壩抗震模型試驗研究

為進一步研究長河壩水電站大壩地震反應特性和破壞機理，評價大壩的抗震安全性以及采取抗震措施的有效性，開展了離心機振動臺模型試驗。振動臺模型箱尺寸為700 mm×200 mm×42.5 mm(長×寬×高)，進行了三種對比試驗研究：(1)不加固方案，不進行壩頂土工格柵和干砌石護坡及大塊石護坡加固；(2)壩頂加固方案，只進行壩頂土工格柵和干砌石護坡加固；(3)全加固方案，既進行壩頂土工格柵和干砌石護坡，又進行大塊石護坡加固。對于1 645 m高程以上壩體堆石料采用土工格柵進行加固，垂直間距2 m，模型試驗中采用鋼紗窗模擬土工格柵。在上、下游壩坡采用1 m厚的大塊石進行護坡，模型試驗中采用脆性膠將上、下游壩坡面粘結，使坡面堆石料不呈散粒狀而具有一定的粘結力，以模擬大塊堆石的咬合力。

試驗結果表明：不加固方案在設計地震作用下，4/5壩高以上的壩頂區域出現了明顯的坍塌現象，該部分的堆石向上、下游兩側滑落，因此，如果不對壩頂進行抗震加固，長河壩水電站大壩的主要地震破壞為發生在壩頂部的局部滑動破壞。壩頂加固方案在設計地震、校核地震和最大可信地震(峰值加速度502.14 gal)作用下，地震破壞主要發生在壩頂加固區以下的壩坡表面，表現為表層局部堆石滾落并隨著地震加速度的增加堆石滾落現象越明顯。全加固方案在最大可信地震作用后，壩坡表面完好無損，無明顯的堆石滾落現象。

4大壩采用的抗震措施

基于長河壩水電站壩體壩基抗震數值分析和離心機振動臺模型試驗成果，結合已有高土石壩工程抗震設計經驗，長河壩水電站礫石土心墻堆石壩采取了以下抗震措施。

4.1壩型及壩體結構

(1)壩型及壩體結構尺寸。選用抗震性能較好的土質直心墻堆石壩。為了防止地震時心墻產生貫穿性裂縫，增加防滲體的可靠性，擴大了心墻厚度，采用了寬心墻，心墻上、下游坡度均為1∶0.25，心墻底部最大寬度為125.7 m，同時加厚了反濾層和過渡層厚度，以減緩心墻拱效應并增強了反濾層的抗震安全性，其中下游反濾層厚12 m，上游反濾層厚8 m，過渡層厚度為20 m，加寬壩頂寬度為16 m。在上、下游壩腳鋪設一定厚度和寬度的棄渣進行坡腳壓重，以增強大壩地震時的抗滑穩定性。

(2)壩頂超高。壩頂超高考慮了地震時壩體和壩基產生的附加沉陷和水庫地震涌浪，其中地震涌浪高度取為1.5 m，地震附加沉陷按壩高加覆蓋層厚度的1%取值，為3 m。地震附加沉陷值大于計算得到的壩體豎向永久變形。

(3)壩體與混凝土結構及岸坡的連接。壩體心墻與混凝土結構及岸坡基巖的變形剛度差別較大，地震時兩者變形不協調，容易在連接部位產生裂縫。在心墻與岸坡混凝土蓋板及心墻與混凝土防滲墻和墻頂混凝土廊道的連接部位均鋪設了高塑性黏土，并在與兩岸岸坡連接處加大了心墻和反濾層的斷面。

(4)上、下游壩面護坡。在大壩上游壩面采用了大塊石護坡，下游壩面采用了干砌石護坡。

4.2壩料設計與填筑標準

防滲心墻選擇了黏粒含量高、塑性指數高的土料；反濾料、過渡料在滿足反濾和排水要求的前提下，顆粒級配盡可能采用級配連續的較粗料以提高土石料的壓實標準；礫石土心墻采用室內擊實試驗確定土料的最大干密度和最優含水率，壓實度要求達到0.97以上，反濾層相對密度按不小于0.85控制，堆石孔隙率宜不大于21%。

4.3壩頂加筋

壩體地震反應數值計算、離心機振動臺模型試驗以及高土石壩實際震害均表明壩頂部的地震加速度響應最為強烈，壩體在地震中存在明顯的“鞭鞘效應”，可能會導致壩頂堆石出現松動、滾落、坍塌、甚至局部淺層滑動等破壞，因此，在壩頂部采取了加筋措施，以進一步提高壩體的抗震能力。在綜合比較了壩內鋼筋網、混凝土抗震梁等其他抗震措施后，最終認為土工格柵除了與堆石料具有較強的摩擦作用外，其網孔結構與堆石料還存在較強的嵌鎖和咬合作用，且土工格柵的鋪設簡捷、快速，對壩體填筑施工進度影響小，加之已在冶勒、瀑布溝等土石壩工程中得到了成功應用，從而確定了在壩體上部采用鋪設土工格柵的抗震加固措施，即在壩體1 649 m高程以上的上、下游壩殼堆石料內，根據堆石料碾壓層數，每隔兩層鋪筑一層土工格柵，其中沿順河向最大鋪設長度為50 m，小于50 m的以不伸入反濾層為限。

4.4壩基可液化砂層

壩基覆蓋層②中廣泛分布②-C砂層，厚度較大，埋藏較淺，經初判、復判及動三軸試驗均判別其為可能液化砂層。對砂層不處理方案進行了動力分析，總應力法計算成果表明砂層大部分單元的動強度安全系數均小于1.3，有產生液化的可能。有效應力法計算成果表明壩體外砂層有液化發生，壩體下砂層不會液化，但會發生動力剪切破壞，將出現較大范圍的破壞區。設計人員對砂層進行了多種處理方案的經濟技術性比較，最終對砂層②-C采取了全部挖除的處理方案。

5結語

長河壩水電站礫石土心墻堆石壩位于強震區，大壩最大壩高240 m，大壩抗震設防烈度為Ⅸ度且位于深厚覆蓋層上，抗震安全問題復雜且突出。長河壩工程的大壩抗震設計從壩體壩基材料動力特性試驗、壩體壩基地震反應數值分析和離心機振動臺模型試驗等方面開展了大量的研究工作，在大量研究的基礎上對壩頂抗震措施及壩基砂層處理方式等進行了多方案比選，最終從壩體結構、壩體材料及填筑標準、壩頂加筋和壩基砂層處理幾方面確定了大壩的抗震措施，該研究成果可為類似高土石壩工程的抗震設計提供借鑒和參考。

楊星(1982-)，男，河南信陽人，工程師，博士，從事水工結構設計工作；

張丹(1979-)，女，四川眉山人，設計副總工程師，高級工程師，碩士，從事水工結構設計工作；

伍小玉(1965-)，女，江西南康人，教授級高級工程師，碩士，從事水工結構設計工作.

(責任編輯：李燕輝)

作者簡介:

收稿日期:2015-11-05

文章編號:1001-2184(2016)01-0025-04

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV7；TV222；TV641