卡基娃面板壩下游壩坡抗震措施研究

盧 羽 平

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

近年來，西部地區擬建的高土石壩越來越多，但由于西部地區地質條件復雜，地震頻繁且強度高，高土石壩的抗震安全是工程設計關注的主要問題之一。高土石壩的震害實例、振動臺模型試驗及地震動力反應分析均表明，壩頂的地震反應最為強烈，壩體初始破壞主要發生在壩頂附近。這是因為壩體地震加速度的放大效應導致4/5壩高以上結構的加速度反應較大，即“鞭梢效應”明顯。由于較大的加速度產生較大的地震慣性力，地震時壩體頂部土石料承受較大剪應力。在此動剪應力的作用下，壩體產生較大的地震變形。過大的地震變形會使壩頂產生裂縫等，裂縫壩體在強震的持續作用下會演化為滑坡等災害。壩頂區堆石料在地震荷載作用下也會產生松動、顆粒滾落甚至滑塌，其破壞形式是坡面的顆粒松動并沿平面或近乎平面滑動，然后坡面顆粒滑動的數量和范圍逐漸擴大，同時壩頂不斷塌陷，進而導致下游壩體發生局部坍塌。汶川地震紫坪鋪面板壩經受了烈度為Ⅹ度的地震檢驗，下游壩坡堆石料出現了震松喪失結構性現象，但并沒有形成大規模顆粒滾落及坍塌等嚴重損壞。

減緩上部1/5壩高范圍內的堆石壩壩坡、增設馬道以及加寬壩頂對提高壩頂抗震穩定性效果顯著，但這勢必會增大壩體斷面，導致工程投資大幅增加。相對而言，對壩體上部1/5～1/4壩高范圍采用土工格柵或鋼筋網加筋堆石等措施進行抗震加固，可以較小的經濟代價換取壩體整體穩定性的顯著改善，可以增大上部堆石區的整體性，防止在地震過程中表層堆石體的松動或滑落。本文結合卡基娃面板壩的抗震設計，對面板壩下游壩坡抗震措施進行了探索和研究。

1 工程設計概述

卡基娃水電站位于四川省涼山州木里縣境內的木里河干流上，系木里河干流水電規劃“一庫六級”的第二個梯級，是該河段梯級開發的“控制性水庫”工程。水庫正常蓄水位為2 850 m，總庫容3.745 億m3，具有年調節能力。電站采用混合開發方式，樞紐建筑物主要由攔河大壩、兩岸泄洪及放空建筑物、右岸引水發電系統等組成。攔河大壩為混凝土面板壩，最大壩高171 m。電站總裝機容量452.4 MW，多年平均年發電量為16.51 億kW·h。

壩區河流流向微呈反“S”型，呈深切略微不對稱“V”型峽谷地貌，左岸陡右岸較緩，兩岸基巖多裸露，局部為陡崖地形。壩軸線位置左岸為凸岸，右岸為凹岸，右岸上游、左岸下游分別發育有深切的則窩溝和卡基娃巨型古滑坡體。

面板壩壩頂高程2 856 m，最大壩高171 m，壩頂寬11 m，壩頂長355 m，大壩立面寬高比為2.08：1。上游壩坡1：1.4，下游壩坡設置三級5 m寬馬道，第一級馬道以上壩坡為1：1.5，其下兩級馬道間壩坡均為1：1.4，綜合壩坡1：1.496。下游壩腳和下游圍堰間設置壓重區，頂高程2 710 m。大壩自上游至下游依次為：棄碴壓重區、黏土鋪蓋區、墊層區、過渡區、主堆石區、下游堆石區、排水堆石區、干砌石(漿砌石)護坡區和下游壓重區。

2 下游壩坡抗震措施研究

卡基娃大壩設計地震基準期為50年超越概率10%，相應基巖水平峰值加速度為149 gal，抗震設計烈度為Ⅶ度；校核抗震標準為基準期100年超越概率2%，相應基巖水平峰值加速度為310 gal，大壩抗震設計地震烈度較高。

大壩動力反應分析表明，地震動反應最大的部位在壩體頂部。動力有限元壩坡穩定分析成果也表明，地震過程中下游壩坡頂部淺層滑弧安全系數較小。因此在高程2 802 m至壩頂范圍內的堆石體內需施加抗震措施，以加強壩體上部區域壩殼的整體性，提高抗震性能。因“壩面混凝土框格梁+壩內鋼筋”的方案對壩頂表層及整體滑動抑制作用明顯，可研階段大壩下游壩坡采取的抗震措施為“壩面混凝土框格梁+壩內鋼筋+干砌石護坡”。壩面混凝土框格層距3 m，間距3 m，混凝土框格上下游方向長1 m，寬和高均為0.6 m，壩內錨筋按層距3 m、間距1.5 m布置，直徑25 mm，長30 m，壩面與框格梁錨固在一起，壩內與混凝土錨筋樁相連，混凝土錨筋樁尺寸為0.6 m×0.6 m×1 m。

技施階段考慮到可研階段的大壩下游壩坡采取的“壩面混凝土框格梁+壩內鋼筋+干砌石護坡”的抗震措施施工較為復雜，混凝土框格梁施工影響大壩填筑進度。為了簡化大壩壩體抗震措施的施工工藝，根據抗震設計研究成果，并參考類似工程的經驗，統籌考慮工程的安全性和經濟性，對大壩高程2 802 m以上的抗震措施進行優化設計。

土石壩通常采用在堆石體內加筋的措施來增加壩頂結構的抗震穩定性，主要有土工格柵、鋼筋網格、混凝土框格梁和釘結護面板等。

土工格柵作為特種土工合成材料，由于其良好的結構穩定性、耐沖擊性以及便于施工等特點，被廣泛應用于土石壩壩頂加固，以提高壩體的整體性和壩頂的抗震穩定性。自1986年首次在Cascade土石壩上鋪設土工格柵進行壩頂抗震加固以來，采用土工格柵加筋壩頂堆石已成為目前高土石壩抗震加固設計的主要方法之一。近年來，160 m高的青峰嶺水庫主壩加固工程、125.5 m高的冶勒瀝青混凝土心墻堆石壩、186 m高的瀑布溝心墻堆石壩和在建的240 m高的長河壩心墻堆石壩、223.5 m高的猴子巖面板堆石壩等均已采用或擬采用土工格柵堆石加筋技術進行壩頂抗震加固。土工格柵加筋堆石體結構依靠土工格柵與堆石體之間的摩擦和嵌鎖咬合作用傳遞拉應力，增加堆石體的變形模量，改善加筋堆石復合體的抗剪強度和變形特性，從而達到加固壩頂的目的。土工格柵是采用高密度聚乙烯或聚丙烯經擠壓拉伸形成的新型土工合成材料，它在巖土工程中以加筋作用為主。土工格柵的加固效果主要體現在三個方面，包括：土工格柵縱肋和橫肋表面與堆石體的摩擦作用、堆石體對格柵肋的被動阻抗作用和格柵的孔眼對堆石體的鑲嵌與咬合作用。土工格柵加筋性能優異，其特殊的網格結構能防止填料局部下陷，可最大程度地減少壩體側向變形，增加土體的整體穩定性能，因而被廣泛地應用于土石壩加固工程中。國內外學者對土工格柵的加筋機理和變形特性作了大量的理論分析和試驗研究，工程實踐和試驗研究表明，加筋土的強度和穩定性均優于無筋土。

糯扎渡大壩采用了不銹鋼鋼筋網加固壩頂堆石，即：將上下游方向的主鋼筋與壩軸線方向的鋼筋焊接成網，分層鋪設在堆石體中。下游壩面采用條鋼焊接成網，并與壩內鋼筋焊接相連，其加筋原理與土工格柵加筋堆石相同。鋼筋的剛度大，變形小，維系的加固力持久。

瀘定大壩上下游過渡區及堆石區設置水平抗震框格梁，框格梁為矩形斷面預制鋼筋混凝土構件，預制梁采用受力鋼筋與鋼絞線、卡扣連接，同時，壩體水平抗震框格梁與上下游壩坡面框格梁連接為整體。

吉林臺一級大壩下游壩坡上覆蓋了鋼筋混凝土板，通過錨筋與壩內埋設的錨筋樁相連，以確保下游壩坡和防浪墻的穩定。

也有專家主張采用鋼筋籠或其他有機合成材料籠加筋堆石的，但工程實踐中，考慮到筋籠與堆石碾壓可能相互干擾，因而目前還沒有應用實例。

通過對壩體上部的“壩面混凝土框格梁+壩內鋼筋”“土工格柵”等加固措施的比較，認為土工格柵的鋪設受氣候環境影響小、施工簡捷、快速，且對堆石壩的填筑施工進度影響很小，加之土工格柵在類似高土石壩中的成功應用經驗和在汶川大地震中起到了很好的抗震效果。確定卡基娃大壩下游壩坡的抗震措施調整為“壩內土工格柵+漿砌塊石”，土工格柵埋設高程范圍為2 820～2 851.2 m，約為1/5壩高范圍，每層格柵垂直間距2.4 m，水平埋設深度20 m，高程2 800 m以上下游壩面護坡進行加強，由1 m厚的干砌石護坡調整為1 m厚的M10漿砌石護坡。

3 動力有限元法抗滑穩定計算分析

考慮地震過程總壩體應力的瞬時變化，計算出每一時刻壩坡抗滑穩定安全系數，稱之為“動力有限元時程法”。動力有限元時程法可以考慮巖土材料的不均勻性以及其非線性的應力應變特性，從合理性而言，動力有限元時程法優于擬靜力極限平衡法。為了檢驗不同加筋方案的加固效果，計算大壩下游壩坡在地震過程中的動力穩定性，選取河床最大剖面，對“壩內無加筋方案”“壩面混凝土框格梁+壩內鋼筋+干砌石護坡方案”(以下簡稱“鋼筋加筋方案”)和“壩內土工格柵+漿砌石護坡方案”(以下簡稱“土工格柵加筋方案”)運用動力有限元時程法計算出壩坡的靜應力和每一瞬時的動應力，然后根據單元的靜動應力計算整個地震過程中每一時刻的最小安全系數并搜索最危險滑裂面，當安全系數小于1時，自動激活Newmark法進行滑移量分析。

3.1 計算方法

在常規動力有限元時程法的基礎上，考慮了土工格柵或鋼筋的作用，即：將堆石體采用等參單元離散，采用強度等效和模量等效的原則，土工格柵或鋼筋采用桿單元離散，建立加固后大壩的有限元模型，分別計算出大壩的震前應力和地震時每一瞬時的動應力，假定破壞時土工格柵或鋼筋的拉力沿滑弧的切向作用。安全系數計算示意如圖1所示。

圖1 安全系數計算示意

根據單元的靜動應力疊加成果可對大壩進行穩定計算，其安全系數為：

(1)

式中，ci、φi分別為第i單元土體的凝聚力和內摩擦角；li為第i單元滑弧面的長度；∑f為土工格柵或鋼筋的拉力；∑F為土工格柵或鋼筋的抗拉強度，計算時取HRB400鋼筋的極限抗拉強度為540 MPa，土工格柵每延米縱向拉伸力取120 kN(格柵的極限抗拉強度)。σni、τi分別為第i單元滑弧面上法向應力和切向應力，表示為下式：

(2)

(3)

3.2 計算成果分析

地震作用下，各方案壩坡穩定動力計算成果見表1，抗震措施和最小安全系數對應的滑弧如圖2～4所示。

由壩坡抗滑穩定動力有限元計算成果可知，在無加筋方案中，設計地震和校核地震工況下游壩坡最危險滑動面的安全系數分別為1.31和0.79，滑弧位置較淺，設計地震作用下安全系數大于1，壩坡不會發生滑移。校核地震作用時，下游壩坡穩定性較差，采用Newmark滑塊法計算得到壩頂部壩坡淺層的累積最大滑移量為2.6 cm，安全系數小于1的時間0.56s，下游壩坡滑動僅限于堆石體表層約8m范圍內，并不影響大壩的整體穩定性。加筋后壩體整體性得到加強，下游壩坡潛在滑動面最小安全系數得到較大幅度的提高，最小安全系數均大于1，表明加固后下游壩坡將不會出現瞬時滑移，大大提高了壩坡的抗震穩定性；最危險滑動面位置向壩體內部發展，滑弧位置較深，土工格柵加筋方案設計地震和校核地震工況下游壩坡最危險滑動面的安全系數分別為1.52和1.08，鋼筋加筋方案設計地震和校核地震工況下游壩坡最危險滑動面的安全系數分別為1.57和1.15。從最危險滑動面的位置可以看出，加筋后壩體下游最危險滑弧穿過加筋體內部，加筋前的最危險滑動體的穩定性得到較大改善。

表1 壩坡穩定動力計算成果

圖2 無加筋方案最危險滑弧位置(單位：m)

圖3 鋼筋加筋方案最危險滑弧位置(單位：m)

圖4 土工格柵加筋方案最危險滑弧位置(單位：m)

由于鋼筋加筋方案剛度大，對壩頂表層及整體滑動抑制作用優于土工格柵加筋方案，但土工格柵加筋方案也能滿足卡基娃大壩下游壩坡抗震的要求，與鋼筋加筋方案相比，下游壩坡抗震安全性相差不大，也滿足規范要求。故卡基娃大壩下游壩坡抗震工程措施由“壩面混凝土框格梁+壩內鋼筋+干砌石護坡”方案優化為“土工格柵+漿砌石護坡”方案是合適的，大壩完全可以抵御超設計地震荷載的考驗。優化方案可以簡化施工工藝，減小對大壩填筑進度的影響，并節省工程投資1 120萬元。

4 結 語

目前高土石壩抗震設計大多采用堆石加筋技術加固壩頂，但如何準確評價堆石加筋對提高高土石壩抗震安全的工程效果是設計人員非常關注的問

題。本文結合卡基娃面板壩，對堆石加筋壩坡的抗震安全評價方法進行了初步地研究與探討，得到以下結論：

(1)堆石加筋技術且可顯著地改善高土石壩壩頂部分的抗震性能。以卡基娃面板壩為例，加筋堆石提高抗滑穩定安全系數最高可達46%。

(2)對Ⅶ度地震設防的土石壩，可采用土工格柵加筋技術加固壩頂，既經濟又可靠；對Ⅷ度以上地震設防的土石壩，可采用“土工格柵+混凝土框格梁”的復合加筋技術加固壩頂，以更有效地增強壩頂的抗震穩定性。

(3)加筋堆石體施工引起的筋材損傷及筋材強度變形特性的改變和加筋體的技術性能要求、布置間距等均需進一步深入研究。