宋江城,刘晓辉,罗 飞,鲜时君,谢邦先

(西华大学能源与环境学院,成都,610039)

5月12日汶川大地震,对我国水利水电工程抗震安全是一次严重考验,震区 2360座大中小型水利水电工程中,共有 800余座工程遭受不同程度的震损,占全部水电工程的 1/3左右,但无一溃坝,没有造成严重次生灾害。我国大约80%的水能资源在西部,随着经济建设的不断发展和西部大开发第二个十年规划战略的实施,我国西部水利水电建设必将得到快速发展,高坝的建设也会越来越多。但这些混凝土面板堆石坝多位于强震区,它们在强震作用下安全性如何,是人们关心的重大问题。因而,混凝土面板堆石坝的抗震研究工作的迫切性和重要性越来越突出。对此,本文进行一些探讨。

1 地震的破坏原理

地震通常分为三大类,火山地震、陷落地震和构造地震。前两类震级低,破坏小,而引起大破坏的主要是构造地震。这次汶川地震正是属于构造地震。构造地震主要是由于地壳的构造运动使岩石发生变形,从而聚集了大量的应力,当聚集的应力超过岩石的破裂强度的时候,岩石就会突然破裂,引起震动,当震动波传到地面上来时,就导致地震。地震的破坏一般有三种情况:(1)如果建筑物地处震源附近,当地震波来了之后建筑物会上下震动,这就是纵波破坏;(2)如果建筑物离震源比较远时,当地震波来后建筑物会水平方向摇摆,这就是横波破坏;(3)建筑物在地震波作用下左右扭动。

2 地震对混凝土面板堆石坝的影响及其解决措施

混凝土面板堆石坝主要由堆石体和钢筋混凝土面板、趾板等两大部分组成,而面板、趾板、趾板地基的灌浆帷幕、周边缝和面板间的接缝止水等构成了面板坝的防渗体系。

2.1 坝体

根据前面所述地震的破坏机理,结合国内外试验及已建成的高面板坝的地震经历来看,地震对混凝土面板堆石坝坝体主要有以下几点影响:(1)地震时坝顶和下游坡块石有错动和滚落现象,上下游方向可能产生微小的位移变化,且中间坝段的坝顶可能发现纵向裂缝;(2)地震也可造成坝顶沉降且向下游侧变形,坝顶坍塌;(3)地震期间坝体有可能发生纵向挤压现象,而且在岸坡较陡的情况下,坝体与岸坡间有可能发生裂缝;(4)在水库正常蓄水的情况下,坝体在地震作用下的刚性主要取决于围压。

不管怎么样,坝体在地震荷载作用下的破坏情况以及对应的解决办法都必须结合实际工况予以处理,做到实事求是。应该根据坝体震害特征形式分析,从坝体的地震估算、断面设计、坝体区分、坝料设计及压实标准、加强地震观测方面等采取合理的措施,以提高混凝土面板堆石坝的抗震能力,降低地震破坏程度。对于以上可能出现的破坏情况,首先可增加坝顶的宽度,并在下游坝坡顶部用大块石或加筋堆石加固,还可以在坝的上部 1/5坝高范围内设几层钢筋网或钢筋混凝土梁加固;为避免坝体与岸坡间发生裂缝,在坝体与岸坡相邻处,需用细粒垫层料填筑,并加宽垫层区的尺寸;而对于坝体在纵向有可能发生挤压,则应在挤压应力较大部位的垂直缝内填充易压缩材料,以减少面板混凝土被压碎的危险和范围。此外,还必须提高坝体的抗震稳定性,除增加排水区的排水能力外,其竖向排水区宜尽量靠向上游布置,以增大坝体的干燥区;并在下游坝坡一定范围内,尽量采用堆石料填筑。除以上措施外,还可根据坝体各单元的应力来评价其抗震稳定性,在运用有限元法计算出坝坡单元的静应力和地震作用下的动应力后,按下式计算坝体单元的抗震安全系数 Fe:

式中:τf——单元潜在破坏面抗剪强度,由下式

计算确定:τf=σ′ftgφ′+c′

τ——为单元潜在破坏面上的总剪应力,

由下式计算确定:τ=τs+τd

其中,σ′f为单元潜在破坏面上的有效法向应力;φ′、c′为单元有效抗剪强度指标。当为有效应力分析时,可直接采用静力有效强度指标;τs、τd为相应单元潜在破坏面上的静剪应力和等效动剪应力 , 其中 τd=0.65τdmax。τdmax为地震过程中潜在破坏面上的最大动剪应力。

2.2 面板

混凝土面板是大坝重要的防渗体系,它主要受约坝体。根据坝体在地震荷载作用下的破坏情况结合混凝土面板自身特点,对强震区混凝土面板分析可知,其可能的破坏形式主要有:(1)当地震波来时,坝体有可能在短时间内发生弹性或塑性小变形,瞬间导致面板局部应力过大而产生裂缝;(2)地震也可造成坝顶沉降且向下游侧变形,混凝土面板很可能弯曲而断裂;(3)由于坝体沉降或移动会使垫层料大面积空脱,进而可能导致面板滑动;(4)面板附着于坝体,在地震情况下,坝体与面板的相对位移也是混凝土面板开裂的主要原因。对此可做如下分析:设垫层面观测点的沉降位移为 V,向下游水平位移为 H,则沿垫层面切向位移:

式中,θ为垫层料上游面仰角,一般为 35.54°。

则 T=0.581V-0.814H

分析:当 H/V=0.714时,沿垫层面无切向位移;当 H﹤ 0.714V时,沿垫层面切向位移向下;当 H﹥ 0.714V时,沿垫层面切向位移向上。但是不管切向位移向上还是向下,这都会使面板产生拉伸性裂缝的危险大大增加。因为面板变形受堆石体约束,其切向位移与堆石体的切向位移是同向不同步的。所以,控制面板与垫层的相对位移,改进混凝土面板的性能等,就是防止产生这类裂缝的关键所在。

以上分析也能说明,弯曲性裂缝的问题。即,地震使坝体产生水平位移或是沉降位移,就会使面板弯曲挠度增加,产生弯曲性裂缝的危险也会大大增加。因此,首先从混凝土面板自身考虑,采用高品质混凝土或一些添加剂,改善混凝土本身的各项性能;在施工时,选择其浇筑时机非常重要,而且在重要或危险部位可增加面板的配筋率,增强其抗弯与抗拉能力,尽量减少面板开裂的危险和范围。其次,坝体填筑压实要达到标准。一方面各分区坝料使之达到密度较大、孔隙率较小和压缩模量较高的标准;另一方面是各分区在内的全坝体压实较均匀,以防止地震情况下产生较大的沉降变形而造成坝体上游区出现受拉开裂等问题。再者,合理的坝顶宽度和坝顶结构形式,可防止地震情况下混凝土面板失去支撑而导致断裂;加强坝顶部位的刚度,采用加筋堆石和钉结护面板,适当放缓坝顶下第一级坝坡,坝顶下游坝肩用大石堆砌,防止坝顶附近土体的破坏等措施均有实用价值。最后,就是做好面板空脱监测。可在坝的填筑体顶部面板与垫层间埋设测缝计监测空脱情况,为面板选择适宜的滞后浇筑时间;也可在相应的填筑体内埋设沉降仪,以了解坝体实际情况,加强堆石体不均匀沉降及流变引起的坝顶部沉降及向下游位移与弯曲观测,做到及时修补,防范于未然。在此基础上,还须分析面板的抗震稳定性,分析方法如下:在地震作用下面板沿接触面滑动的抗滑安全系数按下式计算。

式中:σi=(σns+σnd)i, τi=(τs+τd)i;

σns——接触面单元的静法向应力;

σnd——接触面单元的动法向应力;

τs——接触面单元的静剪应力;

τd——接触面单元的动剪应力;

Ii——各单元沿坡向长度;

δi、ci——面板与垫层间的抗剪强度指标,参照垫层料的抗剪强度和其他相关试验资料取得。

2.3 周边缝及其止水结构

周边缝沿着趾板与面板的连接设置,地震时由于坝体的沉降、水平位移和面板滑动会使这条接缝发生较大的变形,导致接缝止水结构损坏,产生严重的漏水。所以,周边缝及其止水结构对混凝土面板堆石坝防渗起着十分重要的作用。止水结构的设置对于该缝来说显得更加重要。周边缝止水结构见图 1所示。

图 1 周边缝止水结构示意

对于地震情况下止水结构面对的主要问题,首先坝体填筑压实要达到标准。一方面各分区坝料要达到密度较大、孔隙率较小和压缩模量较高的标准;另一方面是各分区在内的全坝体压实比较均匀,防止地震情况下产生较大的沉降变形,造成坝体上游区面板出现受拉开裂等问题。其次,还可以利用砂砾料压实后具有较高的抗剪强度和较低的压缩性,来填筑主堆石区,以减少施工期及蓄水后的坝体沉降量,减小面板各接缝的变形,大大改变各种接缝特别是周边缝的应力状态。再者在混凝土面板上游侧设置防渗补强区,并于周边缝下设一垫层特别级配小区,形成反滤,也可以防止周边缝在地震时张开破坏而引起大量渗漏。最后,对处于强震区的大坝,必要时采用能适应较大变形的三向周边缝止水结构,并严格控制施工质量。

一般止水结构可做一定改进,使其具有以下特点:

(1)可取消接缝中部的止水带,将其提升至塑性填料之下,并设置波浪形止水片,以适应周边缝较大的接缝位移作用;

(2)在设计条件下,表层止水中的塑性填料在底部 PVC棒的支撑,在波浪形止水带的封闭下,始终保持在嵌填位置发挥止水作用;

(3)在意外情况下,当接缝作用超出设计条件,波浪止水带发生破裂时,塑性填料能够在瞬间施加压力差的作用下向缝内流动,填充接缝发挥作用;

(4)作为增加安全的措施,表层设置无粘性填料覆盖,使止水结构具备自愈功能,并且无粘性填料至少应布置在死水位下。可以根据工地供料情况,选择粉煤灰、粉细沙一类的无粘性自愈材料。

3 展望

到目前为止,国内外对堆石坝还主要凭经验进行工程设计施工。由于坝材料特性十分复杂,有限元计算结果与实际观测资料之间还存在一定的差距,尚有很多研究工作有待开展。今后一段时间,简单实用、概念明确的土石料的本构模型仍占主导地位。而计算结果在多大程度上与实际相符,不仅取决于模型本身,更取决于模型参数测定的准确程度。因此,有必要在参数测定方面进行深入的研究,研制高精度的高压三轴试验仪和大型三轴试验仪器,并且发展原位试验测试分析技术等。应该承认,现有土石材料的本构关系在描述土石体真实特性时,其准确性和完整性方面是远远不够的。无论是非线性模型还是弹塑性模型,都是在连续性假设基础上从宏观唯相的角度描述土石材料的应力应变关系。实际上,土石材料可被视为多孔多相的颗粒集合体介质,不连续性为其主要特征。因此,要深刻揭示土石材料的应力变形规律,就必然要开展土石材料微观结构的研究,并力图在微观结构研究的基础上,结合数学、力学的新理论,建立新的本构模型。其计算可采用新的数值计算方法如离散元法、数值流行方法。离散单元法是处理不连续问题强有力的工具,在应用中还可以考虑离散元与有限元耦合,以便发挥各自的优点。数值流行方法是近几年数值计算的发展方向,由石根华于 1995年提出。数值流行方法以流行分析中的有限覆盖技术为基础,统一解决了连续与非连续变形力学问题。有限元与非连续变形分析都是数值流行方法的特殊形式。

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