糯扎渡高心墙堆石坝抗震安全研究与设计

雷红军，冯业林，刘兴宁

（1.中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院，云南昆明650051；2.云南省水利水电土石坝工程技术研究中心，云南昆明650051；3.国家能源水电工程技术研发中心高土石坝分中心，云南昆明650051）

1 工程概况

糯扎渡水电站位于云南省思茅市境内，是澜沧江下游的水电核心工程。电站以发电为主要目标，还有防洪、改善航运、发展旅游等综合利用效益。电站水库总库容237×108m3，装机容量5850 MW，工程由心墙堆石坝、左岸开敞式溢洪道、左、右岸泄洪隧洞、左岸地下引水发电系统及地面副厂房等建筑物组成。

其中，心墙堆石坝最大坝高261.5 m，在已建、在建的同类坝型中居中国第一、世界第三。坝体基本剖面为中央直立心墙形式，即中央为砾质土直心墙，心墙料采用天然土料掺入35%人工碎石的掺砾料。为保护心墙土料，根据反滤设计原则，在心墙下游设置了Ⅰ、Ⅱ两层反滤。考虑到水位骤降的影响，在心墙的上游也设置了Ⅰ、Ⅱ两层反滤。上游Ⅰ、Ⅱ两反滤层的宽度均为4 m，下游Ⅰ、Ⅱ两反滤层的宽度均为6 m。为避免反滤Ⅱ与粗堆石料直接接触粒径相差太大，同时为协调心墙与坝壳堆石体变形，在反滤层与堆石料间设置10 m宽的细堆石过渡料区。坝顶宽度为18 m，上游坝坡坡度为1∶1.9，下游坝坡坡度为1∶1.8。心墙堆石坝最大横剖面如图1所示。

糯扎渡坝址区位于耿马-澜沧强震带和思茅-普洱中强震带之间。工程可行性研究阶段确定的坝址区地震基本烈度为Ⅶ度，拟定大坝的抗震设防烈度为Ⅷ度，抗震设计标准按100年基准期超越概率2%，相应基岩水平峰值加速度0.283 g，校核工况基准期100年超越概率1%，对应的基岩水平加速度峰值0.345 g。

图1 糯扎渡心墙堆石坝最大横剖面Fig.1 The largest profile of Nuozadu dam

2008年汶川地震后，国内多座水库大坝发生了不同程度的破坏[1，2]，国家对大坝抗震安全非常重视，国家发改委、能源局等有关部门要求对重要大坝工程的抗震设计进行复核，为此，对糯扎渡水电站地震安全评价成果进行了复核。复核后的坝址区地震基本烈度为Ⅷ度，并提高大坝设防烈度至Ⅸ度，设计工况及校核工况下的基岩水平加速度峰值分别提高至0.380 g及0.436 g。

2 大坝抗震安全科研成果简介

糯扎渡心墙堆石坝坝高261.5 m，比国内已建成最高的小浪底心墙堆石坝（坝高160 m）高出100余m，大坝规模巨大。坝址区位于我国西南强震区，地质条件复杂，地震频繁、强度大，大坝的抗震安全至关重要。而国内已建工程中没有超过200 m的高心墙堆石坝，如此规模的心墙堆石坝的抗震安全设计，国内没有任何成熟经验可资借鉴，国外可资借鉴的经验也很少。

因此，在工程设计过程中，针对大坝抗震安全相关的关键技术问题开展了持续深入的研究工作，取得了丰硕的成果，且已应用到工程设计中。主要的科研成果简介如下。

2.1 坝料的静动力特性试验研究

工程在不同设计阶段进行了数次、多组的坝料静动力特性试验研究，包括室内试验与现场试验。其中，动力特性试验分别采用了大型静动力三轴仪、共振柱仪、空心圆柱扭剪仪等先进的试验设备，研究了各种坝料的动剪切特性、残余变形及动强度特性。采用了Hardin模型、沈珠江修正等价黏弹性模型、沈珠江残余变形计算模式等目前较为常用的动力计算模型[3]，并求取了相应的模型参数。

结果表明，这些试验及动力模型参数的研究为准确把握坝料的动力特性及抗震设计和计算提供了有力的依据。

2.2 地震波的生成及输入研究

合理的地震动输入是工程抗震设计及安全评价的基础，但由于地震动的随机性及极大的不确定性，加之精确的地震动记录资料较少，因此目前通常采用人工生成地震波的方法，以尽可能合理地模拟具有某些特征参数的地面运动。

糯扎渡心墙堆石坝工程规模巨大，复核后的设防烈度达Ⅸ度之高，因此进行了人工地震波合成方法及参数（如地震输入界面、持续时间、反应谱βmax、特征周期、衰减参数等）、规范谱及场地谱拟合、地震动的组合及输入方式等方面的研究[4，5]。

研究得到了数组人工地震动时程数据并用于大坝动反应有限元计算中。另外，通过研究建议了针对土石坝的设计反应谱最大值的代表值βmax的取值为1.6～1.8，弥补了《水工建筑物抗震设计规范》中针对土石坝没有确定取值的空白[6]。

2.3 动变形及动反应的计算方法

由于工程条件、坝料静动力特性、地震动时程的复杂性，目前，动力反应分析大多结合不同的动力本构模型采用有限元法计算分析，分为总应力法和有效应力法。而计算过程中的数值积分方法又可分为Gauss法、Newmark法和Wilson-θ法等[7]。

结合糯扎渡心墙堆石坝的动力反应分析表明，采用等价粘弹性模型计算分析较为简单且计算时稳定性较好，采用总应力法的计算效率较高，此外还可进行永久变形分析及液化判断，满足工程抗震计算的要求。

校园足球政策执行离不开教育部门与体育部门的紧密合作，教育、体育部门政策协同已成为提升校园足球政策实施成效的关键点，教育与体育部门各有其优势，应以责、权、利相对应为原则，充分发挥各自作用。《中国足球改革发展总体方案》明确指出“教育部应当履行好校园足球主管责任，体育总局应当加强对足球改革发展的政策研究和宏观指导”[6]。

2.4 动强度及液化

对于心墙土石坝，由于心墙渗透性较弱，上下游坝壳堆石体渗透性较强，因此一般认为心墙和坝壳难以发生地震液化，可能发生液化的部位在反滤料及过渡料[8]。

糯扎渡心墙堆石坝抗震设计中，对心墙料的动强度进行了深入的试验研究，并结合数值分析成果对心墙料在地震条件下的抗剪安全进行了分析评价，结果表明，心墙料在设计压实指标条件下可经受设计和校核地震而不发生剪切破坏。通过动强度试验及动应力（包括孔压）的分析，针对反滤料进行了抗液化安全评价，并研究分析了反滤料设计级配加粗以增强抗液化能力的必要性，结果表明，反滤料在设计级配及压实指标条件下能满足抗液化要求。

2.5 地震条件下的坝坡稳定性分析

分别采用极限平衡法中的简化Bishop法、有限元时程分析法和单元安全系数法、可靠度Rosen⁃blueth法对糯扎渡心墙堆石坝在不同地震工况下的稳定性进行了计算分析，并讨论分析了非线性强度指标的坝坡稳定分析方法，深入探讨了传统的安全系数与可靠度指标的相互关系，对几类计算方法的适应性和合理性进行了对比，并深入论证了不同计算方法对应的稳定安全标准。研究成果对指导200 m级以上的高心墙堆石坝抗震安全设计中的稳定性分析及安全评价具有重要的参考价值。

2.6 抗震措施

糯扎渡心墙堆石坝抗震设计中，根据传统经验及抗震规范的规定，在坝体几何形状与尺寸、结构设计、坝料及压实度选择等方面已进行了严密考虑。

在此基础上，还进行了对加强抗震的措施如加钢筋、土工格栅、扁钢网、护面板等方面的研究，分析比较了不同抗震措施的有效性及经济性[8]。通过数值计算分析研究，结果表明采取加筋抗震措施后的坝体在变形、稳定性等方面的安全性有明显提高。

研究还表明，土工格栅虽然可一定程度上增强大坝的抗震稳定性，但在堆石的重型机械碾压过程中会发生严重破坏而导致强度大幅损失，导致其抗震加固效果不如不锈钢筋。

3 抗震安全设计方案

根据上述相关研究成果，结合工程经验，统筹考虑坝体安全性和经济性，糯扎渡心墙堆石坝的抗震安全设计采取如下方案：

（1）采用直线型的坝轴线，坝顶宽度适当加大（坝顶宽度设计为18 m，大于规范对高坝10～15 m的要求），以避免堆石滚落而造成坝体局部失稳。考虑了地震涌浪及地震沉陷量，预留足够的坝顶超高。

（3）防渗体与垫层基础间设置接触黏土，并在防渗体上、下游面各设置两层反滤层及一层细堆石过渡层，反滤层在心墙下游侧延伸0.3倍坝高，坝体粗堆石料与岸坡交界面设置3 m厚的细堆石过渡料，增强了对防渗体和地基的反滤保护及坝体适应变形的能力。

（4）为减小心墙与坝壳的拱效应，减小心墙裂缝及水力劈裂发生的可能性，提高心墙坝料的静、动力强度及抗剪安全系数，地震动力条件下减小坝体震陷，减小心墙发生破坏的可能，避免心墙料可能动强度不足导致心墙变形偏大、发生裂缝等不利现象，心墙全部采用强度较高的掺砾料。

（5）采用较高的坝料压实密度。防渗土料要求标准击实功能下压实度不小于100%，重型击实功能压实度不小于95%；接触黏土要求压实度大于99%；I、II反滤料相对密度均大于0.85，可减小反滤料地震液化的可能性；坝壳堆石料孔隙率提高至22.5%，进一步减小坝体的地震变形，加强坝体的抗震稳定性。

（6）坝顶1/5坝高范围内为抗震的关键部位，采用块度大、强度高的优质堆石料。

（7）坝体上部50 m范围内的上、下游坝壳堆石中埋入ϕ20不锈钢锚筋，每隔2 m高程布置一层，沿坝轴线方向水平间距为2.5 m，埋入坝壳堆石中的长度为18 m，并布设顺坝轴线方向的钢筋将其连为整体。并在此范围上、下游坝面布设扁钢网，每隔1 m高程布设一层，水平间距为1.25 m，与埋入坝壳内的钢筋焊接，以防止坝顶堆石松动、滑移乃至坍塌等。

（8）在心墙顶面布设贯通上、下游的ϕ20间距为1.25 m的钢筋，并分别嵌入上游的防浪墙及下游堆石中，以使坝顶部位成为整体，提高坝顶部位的抗震稳定性。

（9）上游上部15 m范围内、下游上部20 m范围内布设浆砌石护坡，以减小坝坡浅层滑动破坏几率。

糯扎渡心墙堆石坝坝顶部位的抗震安全设计方案如图2所示。

图2 糯扎渡心墙堆石坝坝顶部位抗震安全设计方案Fig.2 Anti-seismic safety design in dam crest of Nuozadu dam

4 结语

糯扎渡心墙堆石坝坝高较高，规模巨大，大坝的抗震安全至关重要，开展了较多抗震安全相关的课题研究。从坝料动力特性试验、地震波、地震动反应分析、动力稳定及抗震措施等方面，介绍了工程抗震安全设计过程中的主要科研成果以及最终的大坝抗震安全设计方案。阐述了200 m级以上高心墙堆石坝抗震安全设计及科研中应关注的关键技术问题及可能的解决方法，为同类工程的抗震安全设计及研究提供了参考。■

[1]陈容,赵明.汶川地震对碧口等三座大坝的震损及修复工作综述[J].大坝与安全,2012(3):6-10.

[2]陈容,刘林.震后碧口大坝安全监测资料分析[J].大坝与安全,2011(3):43-46.

[3]朱百里,沈珠江.计算土力学[M].上海:上海科学技术出版社,1990.

[4]牛志国,李同春,崔绍峰,王亚莉.基于水工标准反应谱的人工地震动合成及其校正[J].三峡大学学报,2006,28(6):513-517.

[5]刘文清,陈利峰.大坝强震观测资料分析与探讨[J].大坝与安全,2009(6):49-52.

[6]中华人民共和国行业标准.DL5073-2000,水工建筑物抗震设计规范[S].2000.

[7]顾淦臣,沈长松,岑威钧.土石坝地震工程学[M].北京:水利水电出版社,2009.

[8]蔡晓鸿,贺新华.土石坝坝体反滤层与渗流控制[J].大坝与安全,2009(5):9-11.