活斷層上CFRD特性研究

[西班牙] C.奧拉拉

活斷層上CFRD特性研究

[西班牙] C.奧拉拉

建在活斷層上的大壩，在斷層活動時土石壩具有很好的抗變形能力，而混凝土重力壩則可能受壩基差異運動的嚴重影響。對建在相同地基上的混凝土面板堆石壩(CFRD)進行研究具有重要意義。利用物理和巖土學原理，對CFRD受壩基水平或豎向差異運動影響下的合理和可能的破壞機理進行了分析。分析表明，當壩基下存在潛在活斷層時，目前不推薦修建CFRD和瀝青混凝土面板土石壩。

混凝土面板堆石壩；斷層；抗震性能；性能分析

目前，對活斷層或潛在活斷層還沒有統一的科學定義。對同一條斷層，根據不同的定義可以確定為“活動的”或“不活動的”。但有一點得到普遍認同，那就是斷層活動的范圍很大。然而從實際的角度來看，如果一條斷層在過去幾千年甚至上萬年中引發過一次大地震，大多數專家會贊同這就是“活斷層”。

通過直接觀察和地質測繪，再加上航片解譯和絕對年齡測定，可以識別活斷層。探槽，尤其是垂直于斷層走向且挖至全新世地層以下的探槽，通過分析被斷層錯斷和沒被錯斷的地層和地表，可以確定活斷層。此外，斷層崖、影像、鉆孔和地球物理方法等也有助于活斷層研究。

多學科協同研究是必要的，包括地質、地震、新構造運動和地殼動力學等方面的專家都應該參與這項研究，地形地貌相關專業人員也可以參與活斷層研究。

目前在學術文獻中，有許多不同的術語用來描述斷層面兩側部位的差異運動，如“斷層破裂”、“斷層滑移”、“斷層運動”、“斷層位移”等，在本文中這些術語可以互換。

斷層活動不僅可以用矢量來表示，確定在兩個水平方向和第3個垂直方向上的位移量，而且還可專門用微分向量來表示，即建立在同一基礎上的兩個點在三維空間中的位移差。在實際中，即使有專家的參與，不受研究時間或預算的限制，這一層面的三維解還是不容易獲得。

從工程角度來看，設計的關鍵是壩基的特殊差異運動是否會危及大壩的安全。考慮到問題的復雜性和風險，最終的評價結論很難得出，因此判斷始終帶有保守色彩。

1 CFRD的抗震性能

實踐證明，即使是在震級較高、壩址距震中較近的情況下，CFRD也具有良好的抗震性能，世界范圍內許多實例均驗證了這一點。目前在工程實踐中廣泛使用一種地震震級與壩頂最終沉降量的關系來評價大壩的穩定性。

2008年5月，高156 m的紫坪鋪CFRD受到里氏8.0級強烈地震的影響，震中距僅17 km。地震對壩體造成了一定程度的損害，但壩體結構依然保持穩定和安全。震后壩下滲透水流變渾濁，但幾天后即恢復正常。這表明，一般情況下可預期這類堆石壩的抗震性能良好。

壩基下斷層破裂引起的差異運動對CFRD的影響，目前還沒有值得借鑒的經驗和數據。對這類結構的認知不僅基于設計中用到的知識，而且還基于從性能觀察中所獲得的經驗。由于缺乏數據，應采取保守的設計方案。

2 早期的評估方式

2.1 謝拉德、克拉夫與艾倫(1974年)

謝拉德等人認為，保守設計土石壩是合理的，不建議在活斷層上或活斷層附近建混凝土壩。設計保守的土石壩可以承受壩基中斷層的位移。

對建在活動斷層上的CFRD，尚沒有給出具體的意見。

2.2 國際大壩委員會公告112(1998年)

在國際大壩委員會(ICOLD)的建議中對減輕土石壩的潛在損害提出了基本指導方針，包括選擇適當的筑壩材料和設計方案，概括如下：

(1) 當斷層活動的可能性較大時，最好的方法是放棄壩址，另外選擇一個危險性較小的壩址。

(2) 放棄混凝土壩設計方案，考慮保守設計的土石壩方案。

(3) 設計合理的土石壩可以承受壩下斷層較大位移，而壩體不會遭破壞。

但對壩基受潛在活斷層影響的CFRD，沒有提出具體的要求。

2.3 維蘭德、布倫納與波佐維奇(2008年)

維蘭德等人總結了近幾年來的經驗，對大壩設計提出了建議并列舉出了采取結構措施的實例，主要是針對混凝土壩和粘土心墻堆石壩。斷層活動對CFRD的影響可歸納為：

(1) 壩基巖石的位移將剪斷趾板并使周邊密封縫開裂。沿趾板裂縫、壩基直至面板裂縫將發生滲漏。這并不表示大壩會垮塌，因為如果大壩適當分區，壩體滲透水流不會帶出細小顆粒。

(2) 如果水平位移量不到趾板寬度的一半，趾板仍然有足夠的寬度，即使產生裂縫，還是可得到修復。垂直位移量不應超過趾板厚度的1/4。

(3)對于防滲面板下排水能力削弱的一些老壩，情況會有不同，這樣的壩基容許位移量僅為5～20 cm。

(4) 以上估算的沿壩基結構面發生的容許位移量是非常粗略的。

(5) 一般混凝土壩址不能承受活動構造帶的影響。

在解釋斷層滑移對滲透力和壩體其他部位的影響結論上是沒有異議的。

2.4 維蘭德(2009年)

維蘭德過去認為CFRD的震損小于其他壩型，然而現在這種看法正在發生改變。他指出，在地震引發壩基不連續結構面差異運動作用下，CFRD易于受損。

認識到這些問題，可以促進壩基斷層活動對CFRD的影響研究。

3 合理的破壞機理

下面著重討論CFRD受壩基水平或豎向差異運動影響下的合理和可能的破壞機理，再現了壩體變形的8個不同階段。扼要介紹了利用物理和巖土學原理進行的機理分析。

3.1 階段1——斷層豎向位移(圖1與圖2)

地震剛發生，壩基中產生豎向差異位移，位移量可能在數厘米到數米，假設位移量大于趾板高度，盡管這一假設對下面的討論并非必要。無論何種情況，位移都可能穿過接縫(水平)，最不利情況是斷層位于壩體橫剖面最高點和豎向接縫附近。

因為難以確定斷層通過壩腳的具體位置，需要一些假設。壩基豎向位移在壩頂產生共振沉降，但共振沉降量很小，僅有數厘米。由斷層豎向運動導致的壩頂總沉降量相當大，取決于地震震級和震中距。

3.2 階段2——周邊或垂直接縫開裂(圖3)

假定這種垂直位移是“集中”的斷層錯動，垂直位移后隨即會在混凝土面板和趾板之間的接縫產生同等量的裂縫，在兩塊相鄰面板之間的垂直接縫間會產生同樣的影響。

如果位移出現在水平方向上，結果相似，這一假設可能更具悲觀性，因為水平位移的破壞后果可能與垂直位移的相同，也可能更糟，巨大的水力梯度可能無限，影響范圍可能很廣。

3.3 階段3——巨大的水力梯度(圖4)

斷層的突然位移會產生巨大的水力梯度，這個水力梯度難以準確計算，其初始值理論上可能接近無窮大。這是由于在上游面不管是什么材料，其中的孔隙水壓力相當于水深，而在下游面孔隙水壓力為大氣壓，一旦破裂發生，兩點間的距離為零，因此水力梯度無窮大。

破裂發生后幾分鐘或幾秒鐘，水力梯度會降低，因此這些巨大的水力梯度在短時間內產生相當大的集中內驅力。盡管這一水力梯度持續時間短，但必須加以考慮，可以用一個連續的內力來代替其影響。

3.4 階段4——材料流失

這一水力梯度幾倍于極限水力梯度并隨時間降低，但其廣泛分布于斷層位移帶附近。一些較細的砂礫顆粒在這一水力梯度作用下填充到較大顆粒的孔隙中，可能會產生集中滲漏，結果導致2B區的顆粒向3A區運移。同樣地，3A區的顆粒向3B區運移，但運移強度較低。

材料流失量難以確定，雖然它在影響區中所占比例為1%～5%。

3.5 階段5——混凝土面板開裂(圖5)

由于材料的流失，在混凝土面板上出現異常的剪應變和大裂縫，因此在相應斷面的下部混凝土面板 會受到破壞，將出現張裂縫、破裂、空洞和微裂隙。

3.6 階段6——面板滑動(圖6與圖7)

混凝土面板的破損及其下孔隙水壓力的升高將導致接觸剪應力降低，壩腳受影響最嚴重的面板將向下滑動，甚至在不考慮下部漩渦流的情況下也會發生，這是由于垂直節理的低抗剪強度所致，在設計中并未考慮這種受力狀態。這就容易解釋斷層破裂

后面板會滑落到趾板上，相鄰的面板也會受到影響。

由于這些面板滑動的發生，垂直位移量不必大于趾板的高度，因為較低部位的面板下部完全受到破壞也會發生滑動。

上游壩坡比介于1.4H∶1V(34°)和1.6H∶1V(32°)時壩坡是穩定的，混凝土面板與2B區填料(通常是過渡堆石料，顆粒從粉粒到卵石)之間的抗剪強度足夠高，摩擦角大于32°～34°。可是，天然建筑材料與混凝土之間的摩擦角常假定為初始摩擦角的66%～75%。因此，僅在靜荷載作用下，基底材料的摩擦角(2b)應大于45°～50°以保證穩定性。因為假定破壞發生時地震已經結束了，不必考慮地震力的作用。

如果假設混凝土面板與2D過渡料接觸，穩定性將得到改善，但不必要做到過于安全。

3.7 階段7——止水效果的喪失(圖8)

斷層滑移前不久，庫水位應在正常高水位。地震發生后，在前6個階段已經完成時，受影響的面板頂面標高可能低于大壩高處的水位。因此，面板的下滑將破壞上游壩面的止水效果。雖然壩頂防浪墻完好無損，但這并不見得有益，因為庫水并不會與之接觸。

3.8 階段8——通流現象(圖9)

類似于漫壩，不同的研究者以不同的形式對這一現象進行過深入研究。水會從大壩上部的堆石體流過，雖然水流沒有漫過壩頂，但仍然會沖開填筑料，顯然強大的沖蝕力可能會沖出一個垂直缺口。這一類似漫頂事件一經激發，后果不堪設想。例如，下游壩肩積聚起來的高孔隙水壓力可能影響壩背水坡的總體穩定性。

4 結 語

本文描述了建在活斷層上的面板堆石壩可能合理的破壞機理。假定趾板地基產生了差異運動，運動量的大小并不重要，本文從巖土學和水力學方面入手討論了建筑物在這種差異運動作用下的反應。問題的關鍵是在周邊縫產生了巨大的水力梯度(理論上接近無限大)，這種破壞機理是諸多可能的破壞機理之一。為了確保壩體的穩定性，在面板堆石壩的設計中必須積極穩妥地處理所有這些危險。

研究得出的主要結論是，當壩基下存在潛在活斷層時，目前不推薦修建CFRD和瀝青混凝土面板土石壩。

(於汝山 馬貴生 編譯)

2014-12-01

試驗與研究

1006-0081(2015)01-0033-04

TV641.43

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