對紫坪鋪面板堆石壩抗震性能的幾點認識和體會

馮軍

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，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、兼有發電、防洪、環境保護、旅游等綜合效益的大型工程，大壩及其他擋水建筑物按Ⅷ度設防。壩頂高程884 m，最大壩高156 m，壩頂全長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，壩頂上游側設6 m 高防浪墻。壩體分區從上游向下游方向分別為上游壓重區、壩前輔助防滲區、防滲面板、墊層料(特殊墊層料)、過渡料、主堆石區、次堆石區、反濾料、下游壩體堆石料區，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日發生的汶川里氏8級大地震，壩址距震中約17 km，壩址區影響烈度為Ⅸ～Ⅹ度。大壩的基本蓄水功能沒有受到大的影響，但產生了一定的局部震損，其主要表現為:

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

(2)部分面板之間、沿分縫處兩側一定范圍內發生擠壓破壞現象，靠近河床部位的原設計的壓性縫面板區域內面板破壞情況比兩岸岸坡段面板(原設計為張性縫區域)嚴重。原設計的位于張性縫區域內的面板之間也有擠壓破壞情況出現，但相對壓性縫面板區域內面板破壞程度較輕。

(3)845 m 高程二、三期混凝土面板施工縫錯開，最大錯臺達17 cm;部分混凝土面板與墊層間有脫空現象，最大脫空23 cm。

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

紫坪鋪面板壩經受了遠超于設計標準的地震考驗，表現出較強的抗震能力，表明大壩設計和施工質量是好的。大壩基巖原設計地震加速度為0.26 g，本次實際遭遇的地震加速度峰值估計應該在0.5 g 以上。從壩體震陷情況看，如此強烈的地震作用震陷僅為744.3 mm，占壩高的0.47%，表明紫坪鋪大壩壩料選擇和壩料分區合理，碾壓控制指標合適、碾壓質量得到了有效控制。從壩坡穩定情況看，除了壩體中上部下游壩面部分區域塊石松動、沿坡面向下稍有滑移外，沒有發生明顯的塊石滾落現象;從面板防滲功能看，盡管出現有周邊縫拉開、面板錯臺、面板擠壓破壞現象，但從滲流量監測結果看，地震中面板所承擔的防滲功能并沒有遭到明顯破壞。

上述分析表明，壩體整體是穩定的，大壩的基本蓄水功能沒有受到大的影響。

3 幾點認識與體會

(1)壩體結構及分區。

紫坪鋪面板堆石壩設計時主要使用的是《混凝土面板堆石壩設計規范》SL228-98，對比紫坪鋪大壩典型剖面與98規范推薦的硬巖堆石壩體主要分區示意圖，二者的差別是明顯的。紫坪鋪壩體結構及分區是以98規范推薦的壩體分區為基礎，但不拘泥于98規范，經國內多方人士、多位專家、多方案比較最終敲定的一個比較完美的壩體分區方案，設計人員為此做了大量的工作。從抗震的角度考慮，這種壩體分區較好地解決了上下游側壩坡的穩定問題。

(2)壩體各分區材料控制標準。

紫坪鋪大壩各分區控制指標見表1。

表1 壩料分區表

2000年左右，國內面板壩施工振動碾重量偏小，從表1中可以看出，各分區填筑料控制指標均比較高，施工單位要達到這套控制指標有相當難度，但設計單位卻覺得這套控制指標合理。后來施工單位從國外進口了25 t 振動碾，試碾后能達到設計單位的控制指標。“5.12”地震后，大壩整體變形不大，最大斷面處震陷僅744.3 mm，占壩高的0.47%。大壩能在“5.12”地震中屹立不倒，直接得益于這套嚴格的控制指標。當時設計單位如不堅持這套控制指標，則“5.12”地震時大壩的總體變形將加大，面板破壞情況將更加嚴重，其后果很難預料。因此，應該對那些敢于頂住壓力的設計工程師表示感謝。

(3)壩頂結構的抗震設計。

混凝土面板堆石壩壩頂結構一般分兩種形式，紫坪鋪采用的是其中一種。其上游側為高防浪墻，下游設計為低矮的擋墻或欄桿，以減少壩體填筑量;上游側高防浪墻與下游側擋墻均建基于壩體堆石上;上、下游不通過混凝土結構互相連接。另一種壩體結構是讓壩頂上游側高防浪墻與下游側擋墻通過混凝土結構連接，整個壩頂結構呈現“U”型結構。設計人員一直比較關心這兩種壩頂結構的抗震性能孰優孰劣。從紫坪鋪大壩壩頂及上游側面板破壞的情況看，特別是對上游側面板從845 m 高程二、三期混凝土面板施工縫錯開破壞情況分析，如紫坪鋪工程采用“U”型結構的壩頂結構設計，由于壩體的“辮梢”效應，壩頂“U”型結構可能會沿上游側或下游側整體拋離原位置，如遇到庫水位在防浪墻與面板之間的縫以上的時候，后果將非常嚴重。當地震波傳入壩體時，其在散離體狀的壩體填筑料中的傳播速度遠小于在混凝土結構中的傳播速度，各石塊塊體之間有相位差，在某一瞬間很難形成向某一個方向的合力;當壩頂采用“U”型混凝土結構，由于地震波在混凝土結構中的傳輸速度極快，混凝土結構內部各質點相位差極小，極容易在瞬間朝某個方向形成合力，壩頂結構極易沿某個方向被拋離。但該結構也不能按拱壩壩頂的抗震性能簡單的類推，拱壩壩頂為混凝土結構，但拱壩本身是一個超穩定結構，拱壩壩頂部位受多方面約束，而面板堆石壩壩頂如采用“U”型混凝土結構，此結構相當于“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，但只是簡單的連接;同時，這種“U”型混凝土結構每隔一定距離設有沉降縫，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”型壩頂結構的抗震性能。

(4)壩頂部位上、下游的抗震保護性能。

從邊坡保護角度看，面板堆石壩上游側的面板可以看成是壩體堆石上游坡的護坡。紫坪鋪大壩上游側面板在845 m 高程二、三期混凝土面板施工縫錯開破壞情況比較嚴重，這種錯動幾乎貫穿整個壩面的所有面板分塊。如果下游側最上一級馬道以上部位采用混凝土塊護坡，則可預見面臨上游側同樣的問題，破壞情況將比上游側面板表現的更為突出;上游側二、三期混凝土施工縫中除布置有面板本身的配筋外，還布置有加強筋，其尚沿845 m 高程發生大的錯動;如果下游側采用混凝土塊護坡，混凝土塊護坡是直接“斜躺“在堆石上的，由于其沒有得到下部鋼筋的約束，則混凝土塊會直接拋離壩體，對壩后建筑物構成大的威脅。為減輕高面板堆石壩壩體上部面板在低水位遇地震時的錯動情況，或可在壩體上游側埋設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、下游邊坡均沒有出現大規模的滑坡，沒出現大的破壞，表現良好。下游邊坡雖然有局部掉塊，但不構成對整個壩體的安全威脅，說明基于目前實踐經驗的面板壩邊坡設計理念能很好的抵御地震。當然，必要的邊坡穩定分析也是必需的。

(6)邊坡穩定及邊坡穩定分析。

用擬靜力法進行地震工況下邊坡穩定分析時，一般都計算其向凌空面滑出時的最小安全值，要求其值不得小于規范的最小安全系數。從紫坪鋪面板堆石壩壩體在地震中的表現看，壩前、壩后邊坡并沒有向凌空一側滑出;相反，壩體是向壩體內部發生沉降，說明在具有一定坡度的人工邊坡中，由于整個邊坡是由人工一層一層用震動機具碾壓而成的，只要施工質量有保證，整個邊坡內部出現明顯的軟弱結構面的幾率非常低，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雜，沒得人的因素參與其中，不可控因數太多，極易形成軟弱結構面，很多時候還有地下水參與其中，因此，設計時將注意力更多的考慮向凌空面滑出是必須的。對人工修建的各類建筑物邊坡則還需考慮內陷問題。

(7)張、壓性縫問題。

目前在面板壩設計時把兩岸岸坡部位的面板壩分縫設計成張性縫，靠河床中心部位的面板之間的縫設計成壓性縫，從紫坪鋪面板堆石壩面板在地震中的表現看，設計的壓性縫區域內的面板破壞情況較張性縫區域嚴重，但張性縫之間由于各塊面板的相對位移不一致，依然有擠壓破壞。考慮到在實際工程中壓性縫和張性縫施工、造價差別不大，故可以全部按壓性縫設計。各壓性縫之間的面板之間的有效接觸面積要加大，以減小應力集中時的應力值，減輕面板之間的擠壓破壞情況。

4 結語

“5.12”汶川大地震對紫坪鋪樞紐建筑物的抗震性能全面進行了檢驗，交出了一份合格的答卷。事實證明，只要按照相關法律法規、規程規范要求嚴格管理、精細設計、認真施工，最終建成的建筑物基本能達到設計地震“可修復”、校核地震“不潰壩”的目標。