紫坪鋪面板堆石壩震害特征及抗震措施

紫坪鋪面板堆石壩震害特征及抗震措施

“5.12”在川西南地震中，紫坪鋪板堆石壩位于距中心的高混凝土板巖壩中，可以說是世界上最大的一座地震壩，高度超過150m。你的抗疲勞和加固措施引起了很多關注。紫坪鋪面板堆石壩距汶川地震震中僅17km,原設計按地震烈度8度設防并采用100年超越概率2%的峰值加速度為0.26g,事實上在汶川地震中大壩所在地段地震烈度為9~10度,但紫坪鋪面板堆石壩卻經(jīng)受住了這場超常地震的考驗。從震害情況看,大壩主體整體上穩(wěn)定、安全,震損主要是地震永久變形、面板擠壓破壞和錯臺、壩頂結構及下游壩坡等局部破壞等,面板混凝土及接縫止水的局部破壞對大壩防滲系統(tǒng)的止水性能亦有一定影響,滲流量較震前有所增加,但總量不大,表明紫坪鋪面板堆石壩原抗震分析、抗震設計和施工質量均較好,使大壩具有較強的抗震能力。紫坪鋪面板堆石壩的震害體現(xiàn)了高土石壩地震反應的一般規(guī)律,亦有其自身的一些特點,并出現(xiàn)了一些原來未予充分注意的問題。鑒此,本文結合《混凝土面板堆石壩設計規(guī)范》的修編工作,總結分析了紫坪鋪面板堆石壩的震害和抗震設計經(jīng)驗,獲得了關于面板堆石壩抗震措施的若干重要啟示,為做好面板堆石壩的抗震措施提供了參考依據(jù)。1壩體結構及壩坡加固施策面板壩震害觀察和振動臺動力模型試驗表明,面板壩地震破壞始于下游坡面頂部的堆石松動、滾落,導致壩頂坍塌及面板懸空、斷裂。圖1為紫坪鋪面板堆石壩下游壩坡及壩頂結構震損情況。由圖可看出:①下游壩坡上部靠近壩頂附近的坡面干砌石松動、翻起,并伴有向下滑移,且有個別滾落。②壩頂防浪墻局部發(fā)生擠壓破壞和拉裂現(xiàn)象,壩頂下游側交通護欄大部分遭到破壞,壩頂路面與下游堆石脫開嚴重。表明壩頂結構和壩坡為可能產(chǎn)生震害的重點部位,應采取有效的抗震措施,具體如下。(1)宜適當加大壩頂寬度,適當放緩上部壩坡,并在壩坡變化處設置馬道。按現(xiàn)有震害現(xiàn)象、動力模型試驗、計算分析等資料,紫坪鋪面板堆石壩下游壩坡分別在高程840、796m處設置寬5m的馬道,840m高程以上壩坡坡度取1∶1.5,840m高程以下壩坡坡度取1∶1.4。(2)下游坡面上部應采取合適的坡面防護和壩坡加固措施,可選用漿砌石護坡、表面用鋼筋網(wǎng)、加筋堆石、混凝土框格梁等加固。汶川地震中,紫坪鋪面板堆石壩下游坡面上部漿砌塊石護坡完好,而大壩中部干砌石松動和翻起現(xiàn)象明顯,表明漿砌塊石護坡的抗震效果較好。從紫坪鋪面板堆石壩震害情況看,漿砌塊石護坡的范圍宜加大至壩高的1/4。(3)宜采用較低的防浪墻,并采取措施增加防浪墻的抗震穩(wěn)定性。2抗雨防護體系2.1局部擠壓破壞地震后壩體觀測資料和有限元計算表明,地震期間面板會沿縱向擠壓?！?.12”汶川地震時紫坪鋪面板間的多條垂直縫發(fā)生擠壓破壞,其中#23~#24、#5~#6面板之間垂直縫兩側混凝土擠碎(#23~#24面板之間垂直縫位于河床中部,為壩體順壩軸線方向由兩岸向河床中間變形而受到擠壓最嚴重的部位),另有9條垂直縫發(fā)生局部擠壓破壞。圖2為#23~#24、#5~#6面板之間擠壓破壞情況。由圖可看出:①壩中部的#23~#24面板間結構面擠壓破壞自壩頂延伸至791.0m高程,低于死水位26.0m;②位于左壩端#5、#6面板擠壓隆起破壞較為嚴重,板間最大錯位350mm;③#23面板橫向擠壓破壞范圍為0.5~1.7m,取芯檢查843.0m高程混凝土破壞影響深度達320mm,破裂面架空約50mm。由此可知,若在擠壓應力大的部位的垂直縫內填充易壓縮材料,可減少面板混凝土被壓碎的危險和范圍。鑒于紫坪鋪面板垂直縫的擠壓破壞不僅發(fā)生于面板中部,因此在強震區(qū)垂直縫的填充防護范圍宜適當擴大。2.2混凝土面板與墊層間臨界剪裂率紫坪鋪面板堆石壩二、三期面板的施工縫為水平向,在強震作用下產(chǎn)生了嚴重錯臺,最大錯臺達17cm。部分混凝土面板與墊層間有脫空現(xiàn)象,最大脫空23cm。圖3為845m高程二、三期混凝土面板水平施工縫錯開情況。圖4為施工縫間鋼筋的扭曲情況。由圖可看出,面板間保角鋼筋網(wǎng)與混凝土保護層分離,面板中部受力筋折曲變形,較常規(guī)擠壓破壞嚴重。由此可知,若施工縫垂直于面板,則發(fā)生錯臺的可能性將降低。2.3面板脫空破壞研究成果及震害資料表明,在0.75~0.80倍壩高附近面板動應力最大,壩上部堆石變形、松動、滾落引起面板脫空,可能導致面板開裂甚至斷裂。周邊縫和施工縫附近亦為面板易產(chǎn)生破壞的區(qū)域。紫坪鋪面板震害現(xiàn)象亦與上述分析吻合。因此,增加這部分面板的配筋率,可減少面板開裂的危險和范圍。由此可知,改進細部結構、提高面板抗震性能,對面板壩十分重要。3堆石壩地震反應特性地層基震害資料和研究表明,地震引起的壩體殘余變形是造成大壩震害的重要原因,因此控制壩體殘余變形及變形的不均勻性(包括控制地震引起的面板撓度等)可提高大壩抗震能力,而控制地震殘余變形的主要手段就是提高堆石壩填筑密度。“5.12”汶川地震使紫坪鋪面板堆石壩產(chǎn)生了明顯的地震變形,震陷約80~90cm,但相對9~10度的地震作用其變形并不大。這得益于壩料選擇和分區(qū)的合理性,使碾壓質量得到了有效控制,達到了高壓實密度。由此可知,強震區(qū)宜增加壩體堆石料的壓實密度,尤其在地形突變處的壓實密度,并做好壩料選擇和分區(qū),嚴格控制施工質量。4設計階段抗震評價在紫坪鋪面板堆石壩的設計階段,按《水工建筑物抗震設計規(guī)范》的要求進行了全面的抗震計算。通過室內大型動、靜三軸試驗研究了筑壩材料和覆蓋層地基的動、靜力工程特性,在此基礎上采用非線性鄧肯—張E-B模型對大壩進行了三維靜力分析,并利用三維真非線性模型進行了8度地震下的動力反應分析和安全評價,包括加速度反應、動應力反應、面板應力反應及變形、接縫位移、壩體及地基地震殘余變形、單元抗震安全性、覆蓋層地基液化可能性評價、面板及壩坡的抗震穩(wěn)定性、總體安全評價等。圖5為設計階段計算的壩體外輪廓地震殘余變形、壩體單元抗震安全系數(shù)等值線及下游壩坡最危險滑動面位置示意圖。由圖可看出:①壩體垂直震陷和水平變位矢量疊加后均指向壩內,壩體在強震作用下整體收縮,與“5.12”震害現(xiàn)象一致。②大壩壩頂和壩頂附近下游壩坡上部1/4~1/3區(qū)域為抗震的薄弱部位,這與“5.12”震害中壩頂和下游壩坡破壞區(qū)域吻合。設計階段的計算分析表明,河床中部及壩頂附近動力反應最為強烈,壩頂及壩頂附近下游壩坡區(qū)域的加速度反應較大,在地震作用下堆石松動、滑落的可能性較大,這也在“5.12”地震中得到了驗證。由此可知,設計階段采用的非線性地震反應分析及抗震安全性評價方法適用、可靠,分析成果可為工程抗震設計提供技術參考。紫坪鋪面板堆石壩在設計階段結合抗震計算所采取的抗震措施在“5.12”汶川地震時發(fā)揮了良好效果,有效性得到了驗證,亦表明抗震計算的必要性和工程意義。抗震計算應包括抗震穩(wěn)定計算、震后永久變形的變形計算、防滲體安全評價和液化可能性判別等內容,結合抗震措施,進行抗震安全性綜合評價。綜上所述,紫坪鋪面板堆石壩在設計階段的抗震計算結果與“5.12”震害的良好可比性及基于計算成果和工程經(jīng)驗采取的抗震措施的有效性表明,目前的土石壩抗震計算方法能獲得大壩地震反應的主要特征、揭示大壩抗震的薄弱環(huán)節(jié)?；诳拐鹩嬎?并結合工程經(jīng)驗來確定工程抗震措施,可提高抗震措施的有效性和可靠性。5面板堆石壩抗震措施a.結合面板堆石壩設計規(guī)范的修編工作,總結分析了“5.12”汶川地震中紫坪鋪面板堆石壩的震害特征,獲得了震害對面板堆石壩抗震措施的啟示。結果表明,抗震措施應從壩址選擇、地基條件、壩型選擇、細部設計、壩料及施工質量等環(huán)節(jié)和因素綜合考慮,對做好面板堆石壩抗震措施具有重要意義。b.面板堆石壩的抗震能力及其安全性主要與地基和壩體土石料的特性與密實程度、壩體與地基的防滲結構及連結部分的牢固與否密切相關。對建于強震區(qū)覆蓋