第1章土石壩抗震安全

土石壩是當今壩工建設中常見的一種壩型，也是發展快的一種壩型.在水利工程的諸多壩型中，土石壩具有可利用當地材料築壩?對地形地質條件適應性較好?造價較低?施工方法簡單?抗震性能好等優點，在國內外水利水電資源開發過程中占有重要的地位.心牆堆石壩是在20世紀40年代以後纔有所發展的，其背景是土力學理論和實踐的發展，以及大型施工機具的出現，使得在合理工期內完成大量土石方成為可能.近幾十年來，土質心牆堆石壩已逐漸成為世界上高壩建設的主流壩型之一.據20世紀90年代初統計，世界上已建和在建的壩高230m以上的高壩中，土質心牆堆石壩約占555%.全世界壩高超過15m的土石壩有29000多座，而在我國，各種壩高的攔河壩有86000多座，其中土石壩占95%以上.土石壩主要包括均質土壩?心牆壩和混凝土面板堆石壩等.據統計，1940年以前，很少有壩高超過100m的心牆堆石壩;1960~1990年是全世界心牆堆石壩快速發展時期，興建的土石壩壩高?數量都有很大的增加;1990年後，興建的心牆土石壩有減少的趨勢，但興建的土石壩多是150m以上的高心牆土石壩，建壩的高度和水庫的規模越來越大.水壩關繫著下遊廣大地區人民生命財產的安全，隨著水庫規模的增大，水壩帶來的風險也隨之增大.大壩安全為公共安全的重大問題，受到世界各國的普遍關注.據不完全估計，從12世紀以來，全世界約發生了2000餘起的水壩事故，比較顯著的大壩失事就有200多起，造成了災難性的後果.引起水壩事故的原因多種多樣，地震是對水壩安全構成威脅的重要因素之一，多次大地震中產生的大壩震害使大壩的抗震安全成為關注的重點之一.另外，根據我國能源發展的需要，一大批200~300m級的高土石壩和大型水庫將在金沙江?瀾滄江?雅礱江?大渡河?怒江和黃河上遊等大江大河上進行建築，這些大壩的高度和規模不少將接近和超過國外已建同類工程的水平.特別值得重視的是，這些大壩的設防地震加速度將遠超過我國歷史上的水平. 20世紀90年代建設的小浪底心牆堆石壩(高160m)，設計地震加速度為015g.但目前在建和將建的高土石壩的設計地震加速度將分別達到:糯扎渡心牆堆石壩(高2615m)0283g;兩河口心牆堆石壩(高2935m)0288g;雙河口心牆堆石壩(高314m)0205g;猴子岩面板堆石壩(高2195m)0297g;吉林臺面板堆石壩(高157m)高達0462g.200~300m級土石壩的抗震安全成為設計中需要解決的關鍵技術問題之一[1-6].

從國內外關於土石壩抗震安全評價的發展來看，在20世紀60年代以前，主要是采用以地震繫數為代表的擬靜力法來核算壩坡穩定.1964年日本新潟地震和美國基於變形安全防控的高土石壩抗震安全評價阿拉斯加地震後，特別是1971年美國SanFernando地震中LowerSanFernando水力衝填壩的大規模坍滑事故引起了土石壩抗震安全評價方法的變革，發現傳統方法在評價土石壩抗震性能方面所出現的矛盾日益增多，難以預測土石壩可能出現的多種震害.地震變形逐漸引起了人們的重視，對地震變形引起的土石壩震害開展了深入的研究.經過多年的發展，以地震變形安全防控為代表的土石壩抗震研究的水平取得了較大的進步，包括土石壩的動力材料特性?地震動力響應分析?地震變形?地震災變機理等[5，7，8].

在土石壩築壩材料性質的研究方面，經過國內外學者多年的研究工作，已經取得了較多成果，積累了較為豐富的資料[9-13].特別是隨著高壩建設的發展，尤其是強震區高土石壩建設的發展，人們對高應力水平下堆石料?過渡料?風化料?礫石土等粗粒料的動力特性開展了深入的研究工作，尤其是通過“七五”“八五”及“九五”科技攻關，在高土石壩壩料的動力特性和測試方法方面取得了一繫列研究成果[9，13].隨著工程建設的需要，還需進行更深入的研究工作，如復雜應力及大應變條件下的動力本構模型和殘餘變形特性等都需要做進一步的研究工作.

在土石壩震害方面，科技工作者對近幾十年的強震中的震害進行過詳細調查，對土石壩的震害資料有較細致的收集和分析.在唐山?海城?通海和汶川等地震中，土石壩震害資料較為豐富.國內學者對土石壩震害的特點?類型?影響因素和經驗教訓等都進行了較為深入的調查?分析和總結，為土石壩抗震研究提供了基礎資料.有關高土石壩動力特性和動力模型試驗研究也取得了較大進展，獲得了有關結構反應特性及破壞特征的資料數據.要進行高土石壩震害機理的研究，還需要更為豐富的?定量的資料以及強震區高土石壩的實際震害資料和地震反應記錄等.

從國內外的研究現狀來看，土石壩動力反應分析方法逐漸由二維的?等效線性的?總應力分析方法向三維的?真非線性的?考慮孔壓擴散和消散的有效應力分析方法發展，而在庫水?壩體?地基等的耦合非線性分析?復雜應力條件下的非線性本構模型?孔壓計算模式?地震殘餘變形計算方法?接觸面模擬及邊界條件處理?地震動輸入?高精度數值模擬和非線性計算方法等方面還需要進行深入的研究.工程上慣用擬靜力法進行抗滑穩定分析來進行土石壩及地基的抗震安全評價，然而，傳統的擬靜力法不能很好地考慮與地震動特性密切相關的土體內部應力——應變關繫和實際工作狀態，求出的安全繫數隻是所假定的潛在滑裂面上的所謂安全度，無法得到實際內力分布和確定土體變形，也就無法預測土體失穩的發生和發展過程，更不能考慮局部變形對壩體穩定的影響.所以，近年來逐步發展了進行土石壩及地基的地震安全評價的動力法.在動力法中，為了進行抗震安全評價，首先對土石壩及地基進行地震反應分析，求出在地震作用下土體內部的應力和變形分布等，然後按照相應的破壞標準來評價大壩的安全性.動力法中的關鍵問題包括土石料動力特性的確定?土石壩及地基地震反應的分析?安全評價標準和理論方法等.

第1章土石壩抗震安全

在非線性地震反應分析的基礎上，研究高土石壩地震作用下的災害機理?抗震安全性及防災對策是高土石壩抗震研究中的關鍵問題，而研究地震破壞機理必須深入研究地震作用下結構的非線性問題，包括非線性材料性質?非線性破壞參數?非線性地震反應特征?非線性求解理論和實驗方法.根據結構的破壞特征和工程的破壞機理提出合理的高土石壩抗震設計方法和抗震措施，並研究相應措施的作用機理，以解除地震災害之虞，在研究中應重視它們的針對性?可靠性?實用性和經濟性.

1.1抗震安全評價內容

土石壩抗震設計中首先要考慮的問題是地震作用可能引起的壩的破壞方式，有以下幾種情況值得重視.

1.1.1典型震害

1庫水漫頂

評價土石壩的抗震安全性取決於通過直接或間接方法所確定的預期變形的大小.如果地震變形導致壩頂低於水庫水位，壩頂溢流造成的侵蝕可使壩發生破壞.直接方法是通過建立地震?壩體和壩基的計算模型預測壩的變形;間接方法則基於經驗判斷壩和地基的地震響應.震後穩定分析也是對變形的一種間接預測，如果震後穩定安全繫數高，變形將局限於很小的範圍(幾英尺(1英尺=03048m)或1m以內)，除非作用的荷載十分劇烈.

變形大小取決於材料的強度.強震時由於動應力瞬時超過材料強度可產生永久變形，不過量值一般不大.對於飽和土，由於振動產生的孔隙水壓力將使抗剪強度降低，也使動力變形比沒有強度損失時大.對於十分松散的可壓縮性土，由於過量的孔隙水壓力增長，剩餘的抗剪強度可能隻占靜力排水剪強度很小的一部分，這一過程通常稱為“液化”.如果抗剪強度下降到低於維持靜力穩定所需要的數值，即使振動已經停止，在重力作用下，仍將產生很大的變形.液化評價將在下面闡述.有一種中間狀態，稱為“循環流動性”(cycliemobilify)，由於過量的超靜孔隙水壓力作用，初期的抗剪強度非常低，但隨著大的剪應變發生，強度會逐漸增長.這種情況有助於防止整體穩定的喪失，但仍然產生較大的變形.

導致壩發生破壞的庫水漫頂現像，還可能是以下原因引起的:①穿過水庫或穿過壩基的斷層活動，引起水庫水位上升，超過壩頂(或使壩頂沉降低於水庫水位);

②地震引起的滑塊排擠出很大容量的水體;③地震引起的湧浪.

2裂縫和內部侵蝕

如果壩由於地震激勵或斷層錯動而產生變形，可能出現裂縫或內部反濾被切斷，兩者都將使壩由於侵蝕而破壞.裂縫多半發生在壩與混凝土結構(如溢洪道)相結合的界面處或在土石壩斷面劇烈變化之處.也有跡像表明，如果壩已處於管湧邊緣，即使不出現裂縫，振動也可能引起管湧破壞.壩所能承受的變形大小，即不會發生裂縫被侵蝕而引起壩的破壞，取決於壩和地基的土料特性?壩的內部分區和構造(濾層?排水和截水牆等)?地震時的水庫水位，以及附屬結構的性質和位置.如果存在穿過土石壩的管道，壩的變形可使管道破裂，或使縫的接頭分離，兩者都可能產生不通過濾層的滲流出口或使壩或地基暴露在未曾預計的水庫全水頭作用下而引起侵蝕破壞.沿著完好管道發生的侵蝕也會引起壩的破壞.

1.1.2抗震防護措施

如果設計不當，許多情況可使壩處於安全危急狀態或使壩發生破壞.不必進行大量的分析評價，隻需簡單地采取一些防護措施，即使在比較惡劣的情況下，也可使結構滿意地運行.反之，防護措施設計不當，則可使其變為無效.有關的防護措施包含以下方面.

(1)對有問題的地基土料予以挖除.(2)加寬用塑性土料建造的心牆能增強抵抗侵蝕的能力.(3)在心牆上遊敷設良好級配的過濾層，使有可能張開的裂縫得以封閉，同時敷設心牆下遊的過濾層以防止心牆中被侵蝕的顆粒外逸.(4)在土石壩心牆下遊建造煙囪形豎井排水以減少飽和度.(5)在壩肩與岸坡接觸面處，擴展土石壩心牆的斷面.(6)調整心牆的位置，使土石壩體中的浸潤線位置.(7)加強水庫周邊土坡的穩定性，防止滑坡塌方.(8)如果壩基中存在潛在滑動斷層的危險，壩和地基接觸面處應進行專門處理.(9)建立高質量的排水通暢的堆石壩殼.(10)設立比較富裕的壩頂超高，以適應壩體沉降?坍塌或斷層滑動的需要.(11)規劃好壩與地基接觸面的形狀，避免斷面突變?倒懸或較大的“臺階”.(12)填築土料充分壓實，盡量減小超靜孔隙水壓力的發生.(13)設置過濾層或采取其他有效措施，防止埋設於土壩中的管道或其他結構出口處發生水流侵蝕.

1.1.3抗震分析方法

如果壩和地基不發生液化，在滿足下列條件的情況下，微小變形是可能發生的，但不會引起壩的整體破壞.

(1)壩和地基土料為非液化土料，也不含松散土料和靈敏黏土.

(2)壩體良好施工，並壓實到實驗室干容重的95%以上，或相對密實度的80%以上.

(3)壩坡率H∶V=3∶1或更緩，浸潤線在下遊壩坡線以內足夠深度.

(4)土壩壩基水平峰值地震加速度不大於0.2g.

(5)地震發生前在相關荷載和預期孔壓作用下，所有可能的危險滑動面(壩坡表面淺層滑動面除外)的靜力安全繫數大於15.

(6)地震時壩頂超高至少為壩高的3%~5%，並且不小於3英尺(約09m)，地震引起的水庫湧浪或地震引起的壩基或水庫中的斷層活動所要求的壩頂超高應另行考慮.

(7)壩內不存在重要的構造部件，在壩體的微小變形下容易受到損害或產生裂縫，引起內部侵蝕的潛在危險性.如果這些條件無法滿足，需要進行更詳細的研究，包括評價液化的危險性?進行震後穩定和變形分析.如果不存在液化危險的土料，一般可采用簡化的Newmark滑塊法進行分析.在有可能產生超靜孔隙水壓力的情況下，則需要進行更嚴密或有限差分法分析.進行變形分析的目的在於確定可能發生的變形是否足夠大到發生庫水漫頂，或是在關鍵部位產生裂縫，使土壩由於內部侵蝕而發生破壞.根據分析結果，並參照土石壩在地震中表現的歷史經驗，設計者必須做出全面判斷，壩和地基是否能安全承受這些荷載.

1.1.4地震變形分析

如果預期失穩不會發生，液化也不可能，可應用下述兩種方法之一，或兩者並用來進行變形估計.

1Newmark滑動變形分析

Newmark滑動變形分析[14]為普通的求解土石壩動力表現的方法.該方法假定壩和地基土料的地震變形模態可看成剛性塊的滑動.當壩基加速度超過屈服加速度後，變形開始發生.屈服加速度為按常規壩坡穩定分析得出的安全繫數剛好等於10時所對應的水平地震加速度.在地震作用的整個過程中。

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