心墙堆石坝坝顶加筋措施的动力离心模型试验研究

张雪东，李 纲，魏迎奇，张紫涛，粱建辉，胡 晶

（1.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2.商都县水土保持工作站，内蒙古 商都 013450）

1 研究背景

地震荷载作用下土石坝易发生震陷、水平永久变形、滑坡失稳、液化、防渗体破坏和次生破坏等破坏形式［1-5］。根据Tani等［6］的统计结果，1995年日本神户地震造成了1362座土石坝不同程度的破坏，在其中的4次大地震中每次地震均造成超过100座土石坝的损坏。因此，采取一定的抗震措施以降低土石坝破坏程度具有极其重要的现实意义。随着我国西南、西北等强震区水电资源的开发，未来将有大量的心墙堆石坝建于地震烈度达到甚至超过Ⅷ度的场地，这无疑对心墙堆石坝的抗震设计带来了巨大挑战。目前，针对面板堆石坝的抗震设计主要依靠经验，抗震设计理论远未成熟，心墙堆石坝抗震问题研究的重要性和迫切性越来越突出。

坝顶加筋是一项重要的工程抗震措施，为工程界和学术界所认可［7-9］。由于坝体破坏往往始于坝顶附近坝坡的浅层滑动，坝顶加筋能够有效降低地震荷载作用下坝顶浅层滑动的风险。利用土工格栅加筋是坝顶加筋的主要形式之一，土工格栅的铺设适用于多种气候条件，在恶劣环境下依然实用，且施工简捷、快速，对堆石坝的填筑进度影响小［1］，已在瀑布沟、长河坝、冶勒水电站拦水堆石坝等工程中得以应用。但是，尽管已积累了一定的工程经验，工程界、学术界对铺设土工格栅加固坝顶的抗震效果的认识仍待深入研究。目前，这一领域的研究多采用数值模拟的方法［9-10］，系统的试验研究较少。

土工离心模型试验是利用离心机所产生的离心力场来提高模型的体积力，模拟原型在自然重力场下的行为，通过控制离心加速度保证在原型与模型几何相似的前提下，保持原型与模型的力学特性相似、应力应变相同以及破坏机理相同等，达到在小比尺模型中再现原型的应力状态以模拟各类土工构筑物的工程特性的目的。在离心机振动台模型试验中，利用离心力产生的超重力场在模型内重现原型应力场，进而保证模型与原型动力特性的相似性。较之普通振动台模型试验，离心机振动台模型试验在研究地震作用下坝体动力响应、变形特征、破坏形式等方面具有一定的优越性［11-14］。因此，本文拟结合西藏如美水电站高心墙堆石坝工程，基于中国水利水电科学研究院离心机及双向离心机振动台模型试验技术，开展一系列动力离心模型试验研究，以探究心墙堆石坝铺设土工格栅加固坝体这一措施的抗震效果，重点探究加固间距及土工格栅刚度对抗震效果的影响。

2 依托工程概况

本文依托西藏如美水电站工程开展。如美水电站位于澜沧江干流水电基地上游河段西藏自治区芒康县境内，是澜沧江西藏段规划6个梯级开发的第五级，控制流域面积为7.94万km2，多年平均流量为653 m3/s，多年平均径流量为206亿m3，装机2100 MW。其挡水建筑物初拟坝型为砾石土心墙堆石坝，心墙堆石坝坝顶高程为2902.00 m，河床段心墙建基面高程为2587.00 m，最大坝高315.00 m，坝顶宽度为18.00 m，上游坝坡坡比为1：2.1。大坝防渗体采用砾石土直心墙型式，心墙与上、下游坝壳堆石之间均设有反滤层、过渡层。大坝防渗心墙顶宽5.00 m，顶高程2898.00 m，心墙上、下游边坡系数均为0.23，心墙底部高程为2589.00 m，顺河向宽度为181 m。心墙底部坐落在混凝土垫层上，垫层混凝土河床段厚2 m，岸坡段水平厚1 m。如美水电站位于羌塘地块内部的澜沧江断裂带附近，经受强地震的可能性较高。因当前高心墙堆石坝经受强地震的实例较少，可借鉴的工程经验较少，相关抗震设计尚不成熟，坝体动力分析的相关理论、方法以及坝体加固措施有待进一步研究。

3 离心模型试验方案

试验利用中国水科院双向离心机振动台开展，其原理及设备介绍可参阅文献［15］，主要指标参见表1。该离心机振动台能够模拟各类土工结构物（构筑物）在各种水平及竖向地震情况下的动力特性。所用的模型箱为中国水科院ESB（Equivalent Shear Beam）等效剪切梁层状模型箱，其内部净尺寸810 mm×353 mm×415 mm（长×宽×高）。该模型箱从下到上平面尺寸逐渐减小，分底部、中部和顶部3大部分，共15层。底部5层共13 cm，中部7层共18.5 cm，顶部3层共8 cm。每层间均镶嵌有橡胶层。在试验时，模型箱内部敷设一层橡皮膜，橡皮膜上部采用卡扣与模型箱壁夹紧。

表1 中国水科院离心机振动台性能指标

如表2及图1所示，共开展4组离心模型试验。4组试验模型布置情况类似，均分为堆石区、心墙、反滤层、过渡层等坝体区和上游蓄水区。模型尺寸主要受离心机振动台有效负载（440 kg）与模型箱尺寸（长×宽×高：810mm×353mm×415mm）的限制。依据如美工程原型坝体最大横剖面典型图，采用1615的长度比尺确定模型坝体尺寸，模型坝高确定为195 mm。受动力试验容许离心运转加速度（最大值为50g）限制，采用的离心加速度为40g，动力试验中按照N=40的相似率对原型场地波进行调整以确定输入激励地震波。因此，模型对应原型高度为7.8 m，远小于如美工程原型坝高315.0 m。受离心机振动台设备技术指标限制，当前开展的动力离心模型试验在模拟高坝时存在一定的不足，这是动力离心模型试验领域存在的一大难题。尽管如此，本文的试验结果可为工程加固措施的比选提供一定的依据。模型堆石料级配由原型堆石料经缩尺获得，如美心墙坝采用阶梯式爆破开采的堆石料一般为连续级配料，故在堆石料级配设计时，参照国内外的工程经验，一般仅控制堆石料的最大粒径、细粒含量和含泥量。参考其它类似工程经验，并考虑到如美大坝为300 m级超高坝，对上游堆石Ⅰ区（建基面至0.4倍坝高间的区域）、上游堆石Ⅱ区（0.4倍坝高至坝顶间的区域）及下游堆石区的配要求如下：最大粒径为800 mm；粒径小于5 mm的颗粒含量不超过15%；0.075 mm以下的颗粒含量小于5%。采用等量替代法确定初步模型堆石料级配，再进一步微调以模拟原型压实度，最终确定模型堆石料的级配曲线（如图2所示）。心墙料选用掺砂红黏土，反滤层及过渡层材料选用福建平潭标准砂，土料干密度控制在1.8 g/cm3。另外，采用刚度差别较大的两种材料（窗纱与钢丝网）作为坝顶加筋材料，初步研究加筋材料刚度对加固效果的影响，在后续研究中拟采用实际工程中应用的土工格栅等多种材料开展进一步的研究。

表2 离心模型试验方案

图1 模型布置（单位：mm）

就坝顶加筋情况而言，试验T1中坝顶不加筋，试验T2、T3中分别以0.08H、0.16H的间距在坝顶埋设3层窗纱加筋，试验T4中以0.08H的间距在坝顶埋设3层钢筋网加筋，H为模型坝高。对比试验T1与T2，可探究采用柔性加筋材料加固坝顶的效果；对比试验T2与T3，可探究加筋材料层间距对加固效果的影响；对比试验T2与T4，可探究加筋材料刚度对坝顶加固效果的影响。在输入地震波方面，基于原型工程设计场地波，按照动力离心模型试验相似率确定输入模型地震波。以试验T1、T2为例，实测的输入地震波（已计算至原型尺度）如图3所示，各组试验中输入相近的双向地震波，其原型顺河向、竖向峰值加速度约为0.25g、0.2g。

图2 模型堆石料的级配曲线

在模型量测设计方面，如图2所示，沿模型坝轴线及上游坝坡埋设微型加速度传感器，该加速度传感器的量程为500g，灵敏度为10 mV/g，量测频段为1.6—10 000 Hz。

图3 T1、T2台面实测的输入地震波

4 试验结果分析

由于振动台的有效振动频率为10～400 Hz（对应模型），本文试验加速度为40g，因此在整理数据时以0.25 Hz～10.00 Hz带通滤波。再根据各测点加速度时程曲线确定其峰值加速度，进一步确定加速度放大系数。

4.1 坝顶加筋效果初探图4（a）对比了不加筋（T1）、加筋坝体（T2）坝轴线顺河向加速度放大系数，图4（b）对比了两个坝体坝坡顺河向加速度放大系数。图中z/H为测点至建基面的垂直距离z与坝高H的比值，z/H=0与z/H=1分别对应台面与坝顶。由图4可以看出，坝轴线、坝坡峰值加速度均沿高程增大，坝顶处峰值加速度较大。另外，对比坝轴线、坝坡峰值加速度数据可知，相同高程坝坡处的峰值加速度大于坝轴线处。坝轴线顶部的放大系数在1.5～2范围内，坝坡顶部的放大系数在2～2.25范围内。该结果符合对土石坝动力响应的一般认识，与1g条件下振动台试验所反应的规律相吻合。

图4 T1、T2顺河向加速度放大系数

图5（a）对比了两个坝体坝轴线竖向加速度放大系数，图5（b）对比了两个坝体坝坡竖向加速度放大系数。由图5可见，就其沿高程的分布模式而言，与水平向地震动的分布存在差异，坝轴线处竖向峰值加速度放大系数随高程先增大至2.17～3.46后减小至1.46～1.68；坝坡处竖向峰值加速度随高程放大的趋势也不太明显，坝顶放大系数估计为0.85～1.97。

对比加筋、不加筋模型动力响应可知，不加筋坝体、加筋坝体的顺河向坝顶加速度放大系数分别为1.80、1.89，竖向坝顶加速度放大系数分别为1.46、1.68，加筋坝体的坝顶顺河向和竖向的加速度放大系数比不加筋坝体的对应数值大。这是因为，坝顶加筋提高了坝顶刚度，从而导致坝顶附近区域加速度放大系数变大。该结果与杨光等［5］的有限元数值模拟结果相似。参考杨光等［5］的有限元模拟结果，较大的坝顶动力响应将明显减低坝体顺河向和竖向残余变形。

图5 T1、T2竖向加速度放大系数

图6 间距0.08H、0.16H加筋试验顺河向加速度放大系数

图7 间距0.08H、0.16H加筋试验竖向加速度放大系数

4.2 加筋间距的影响图6（a）对比了间距0.08H、0.16H加筋试验坝轴线顺河向加速度放大系数，图6（b）对比了两组试验坝坡顺河向加速度放大系数。图7（a）对比了间距0.08H、0.16H加筋试验坝轴线竖向加速度放大系数，图7（b）对比了两组试验坝坡竖向加速度放大系数。由图可知，改变加筋层间距对峰值加速度沿剖面的分布影响较小。间距增大后，模型坝体依然表现出坝轴线水平向峰值加速度随高程逐渐增大的趋势，坝轴线竖向峰值加速度随高程先增大后减小的趋势。在各高程上，坝坡坝轴线、竖向峰值加速度值相近。以上结果说明，改变加筋层间距对坝体动力响应的影响较小。由此说明采用0.08H至0.16H间距加筋都将起到增强坝体刚度、提高坝体抗震稳定性的作用。

图8 窗纱、钢丝网加筋试验顺河向加速度放大系数

图9 窗纱、钢丝网加筋试验竖向加速度放大系数

4.3 加筋材料刚度的影响图8（a）对比了窗纱、钢丝网加筋试验坝轴线顺河向加速度放大系数，图8（b）对比了两组试验坝坡顺河向加速度放大系数。图9（a）对比了窗纱、钢丝网加筋试验坝轴线竖向加速度放大系数，图9（b）对比了两组试验坝坡竖向加速度放大系数。在沿坝轴线的分布方面，采用柔性材料时，峰值加速度沿高程逐渐增大；采用刚性材料时，峰值加速度沿高程增大趋势不明显。在沿坝坡的分布方面，两模型均呈现随高程逐渐增大的趋势。就坝顶放大系数而言，钢丝网加筋坝顶顺河向加速度放大系数明显低于窗纱加筋的坝顶放大系数，而其竖向加速度放大系数则大于窗纱加筋的相应放大系数。这是由于钢丝网的刚度过大，在制备土样的压实过程中很难将钢丝网与土体完好结合。因此，虽然钢丝网刚度较大，坝顶整体的刚度则较低，因而，钢丝网加筋坝体表现出较弱的坝顶动力响应。这也启示了在工程实践中，进行坝顶加筋时，采取必要的措施使加筋材料与土体充分结合是十分必要的。本文中仅考虑了加筋材料刚度两种极端情况，依据现有试验数据，较难得出随加筋材料刚度增加加速度动力响应的变化趋势。需采用不同材料开展更为系统的离心机振动台模型试验研究，以进一步明确加筋材料刚度对加固效果的影响。

5 结论

本文基于中国水科院离心机及双向离心机振动台，开展了4组离心模型试验，探究了铺设土工格栅加固坝顶这一措施的抗震效果，并探讨了埋设间距及土工格栅材料刚度对心墙堆石坝动力响应的影响。结论如下：（1）对比未加筋坝体及采用柔性材料加筋坝体的动力响应，加筋坝体的坝顶顺河向和竖向的加速度放大系数比不加筋坝体的对应数值大，坝顶加筋提高了坝顶刚度，导致坝顶附近区域顺河向和竖向动力响应变强；（2）采用0.08H至0.16H间距加筋都将起到增强坝体刚度、提高坝体抗震稳定性的作用；（3）土工格栅的刚度对心墙堆石坝的动力响应影响较大，刚度过大的材料难以造成土料与土工格栅的紧密结合，从而不能起到良好的抗震效果。