深厚覆盖层上阿尔塔什高面板坝大型振动台模型试验研究

杨正权，王 龙，赵剑明，刘小生，刘启旺，林 建

(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.新疆新华叶尔羌河流域水利水电开发有限公司，新疆 喀什 844000)

当前高土石坝在我国水电建设工程中举足轻重，高土石坝建设中出现的抗震问题更加复杂化，高土石坝的抗震研究工作成为了我国坝工研究的重点之一[1- 2]。尤其在“汶川”大地震之后，我国西部地区的高坝抗震问题更是成为全民关注的焦点。高土石坝在地震作用下的动力反应性态、大坝的极限抗震能力以及在极端地震影响下的震损过程与机制，都是科研人员亟需探索的问题。

目前已有许多研究高土石坝动力反应特性的理论分析和计算方法。然而实际经历过强烈地震的高土石坝数量极少，也鲜见有因强烈地震产生坝体严重破坏情况的实际研究数据和资料，因此很难对已有的理论方法和计算程序加以证明和完善[3- 5]。开展高土石坝震害模拟的大型振动台模型试验，不仅能够为上述理论方法和计算程序验证提供依据，也可以通过研究模型坝地震动力反应特性来研究原型大坝的相应特性[6- 9]，为大坝抗震设计提供依据。

本文论述了阿尔塔什高面板坝大型振动台模型试验的基本情况，包括模型设计与制作、试验内容与方法等，并总结了主要试验成果和研究结论。大坝模型试验的研究成果不但可以为工程的抗震设计提供技术支撑，同时也是验证和完善大坝地震动力反应分析方法和计算程序的重要资料。

1 试验模型

1.1 原型坝概况

阿尔塔什高面板坝坝轴线长度为795.0m，坝顶高程为1825.80m，坝顶宽度为12.0m，最大坝高164.8m，上游坝坡坡比1∶1.7，下游坝坡坡比为1∶1.6，大坝直接建设在最大厚度94.8m的河床覆盖层上。坝址区的基本地震烈度为8度，大坝抗震设计烈度为9度，对应100年超越概率2%的设计地震动峰值加速度为320.6g。大坝典型横断面如图1所示。

图1 大坝典型横断面图

1.2 模型坝设计

模型试验采用实际筑坝土石料作为模型坝料。由于原型筑坝砂砾料和爆破料粒径较大，需对原型筑坝材料进行大比例缩尺。模型试验中控制模型坝料的最大粒径为20mm，为最大程度模拟实际填筑坝料的级配特性，采用相似级配法和等量代换法综合确定模型坝填筑料级配。对于原型坝面板中的钢筋，在模型坝中则采用聚乙烯丝网来模拟。

结合模型试验振动台规模(6m×6m)、载重量(80t)及原型坝坝高259.6m(覆盖层也作为坝体的一部分)实际情况，确定本次模型试验三维整体模型和二维坝段模型的坝高均为1.3m，原型与模型坝的几何比尺为Cl=199.69。基于重力场中土石坝振动台模型试验相似律[6]，确定模型试验相似常数，汇总见表1。

表1 模型试验相似常数汇总

对于坝段模型采用最大断面作为控制横断面，长度2.2m，图2为坝段模型的控制断面图；对于整体模型选择原型坝的10个控制断面缩尺后作为模型坝的控制断面，图3为三维整体模型的部分断面图。

图2 坝段模型断面图

图3 整体模型部分断面图

1.3 模型坝制作

1.3.1模型箱

整体模型近似地把基岩和坝肩山体作为刚度较大的整体刚性结构考虑，参照已选定的原型坝10个典型控制断面按几何缩尺来设计制作模型箱体(河谷和两岸)。模型箱体的制作材料为钢板，通过各个三角形钢板单元以焊接的方式连接成为河谷形状。

和坐落于基岩上的土石坝不同，阿尔塔什高面板坝建设在最大厚度94.8m的河床覆盖层上。为了模拟覆盖层地基截断后近域地基和远域地基的动力相互作用[10]，在模型箱与覆盖层地基接触部分加设了橡胶垫层，用以模拟远域地基对大坝-覆盖层地基系统地震响应的“辐射阻尼效应”。

1.3.2基岩河谷

模型坝体坐落的基岩上，基岩则是由在焊接成型的钢板内部浇筑混凝土而成，浇筑的模板采用前述10个控制断面组成的钢板。同时为了提高支模准确性，采用专业软件对缩尺后河谷进行三维的几何构造，用于辅助设计制作模型模板。混凝土浇筑的基岩与焊接于钢板内侧钢筋连为一体，目的是保证混凝土河谷模型自振频率为模型坝自振频率的2倍以上[10]。浇筑完成后的三维河谷模型如图4所示。

图4 制作完成的三维河谷模型

1.3.3坝体填筑

为保证模型坝体填筑质量，依据河谷及10个控制断面形状将模型坝分9层填筑，图5(a)为坝体填筑分层示意图。坝料填筑前，先在模型箱内的基岩表面标出各层的填筑高度控制线，按模型坝的控制填筑密度分层计算各层坝料重量。图5(b)为实际填筑过程情况。

图5 整体模型坝体分层填筑

1.3.4坝坡和面板

为保证模型坝与原型坝坡度一致，上、下游坝坡用预制模板设定的斜度来进行控制。对于模型坝混凝土面板浇筑主要由以下3个环节进行控制：①浇筑前对上游坝坡进行整平；②将用来模拟混凝土面板中钢筋作用的聚乙烯丝网展开均匀铺设于坝坡表面；③将按配比制作而成的混凝土浇筑于坝坡和聚乙烯丝网上。为了模拟面板缝对面板动力反应特性的影响，参考实际设计，沿顺坡向设置了面板垂直缝，制作完成的整体模型坝上游坝坡如图6所示。

图6 制作完成的整体模型坝上游坝坡

2 试验内容

大坝振动台模型试验重点作了以下几方面的试验测试：①在坝体结构内部和浅层布设加速度传感器，测试坝体不同部位的地震加速度动力反应；

②在坝顶和坝坡上布置位移测量点，测试大坝表层各点在地震中的残余变形；③在面板不同高度布设应变测点测量面板应变值，进而根据混凝土的应力应变关系推求出各点的应力时程；④观察坝体的动力反应情况和地震破坏过程。

2.1 坝体加速度反应

整体模型坝选取靠近河床中央的0+2175.9断面(六号断面)作为加速度反应测量的主控制断面，图7为主控制断面内和坝体表面加速度测点布置情况。平面图中与坝轴线方向平行的线为各填筑层面与坝坡交线的水平投影，与坝轴线垂直方向的线为控制断面位置线；横断面图中，水平虚线为分层填筑界面线。图中编号数值为测点编号，x、y、z分别表示顺河水平方向。图8给出了坝段模型加速度测点布置情况。

图7 整体模型部分加速度测点分布图

图8 坝段模型部分加速度测点分布图

2.2 坝体地震残余变形

模型坝坝体地震残余变形通过在坝顶和下游坝坡布置的位移测点测量坝坡表面位移变形的方式量测，将测点固定于坝坡表面，然后在模型箱上固定基准线，通过量测测点和基准线之间的位移来获得坝坡表面的地震残余变形情况，图9为整体模型和坝段模型表面残余变形测点布置情况。

图9 坝坡表面位移测地测点分布图

2.3 面板应变

上游面板的应变反应通过测点应变片来获得。所有测点应变片使用同一批次的BX120- 5AA型电阻应变片，其电阻约为120Ω，丝栅5mm×3mm。应变片固定前需对角度和高度进行划线定位。黏贴时先用砂布将面板表面磨平抛光，而后用胶黏剂将应变片黏固。

整体模型的应变片主要设置在靠近河床中心的六号控制断面(0+2175.9断面)上，另外在山谷地势起伏较大的三号断面(0+821.1断面)和八号断面(0+3125.5断面)上，应变片自坝顶向坝趾布置于各填筑层的中间高程上。对于坝段模型在河谷中间和靠近中间位置布置了两条测线。图10给出了整体模型和坝段模型面板应变测点的具体布置情况。

图10 应变测点分布图

2.4 坝体反应现象

模型坝动力反应现象和过程主要通过以下两方面加以考察：①对模型坝动力反应现象加以观测，主要是在振动过程中记录坝体振动破坏情况；②根据布置的位移测点对模型坝体残余变形进行测量。

3 试验方案

3.1 输入地震动

大坝振动台模型试验输入的地震波包括白噪声、不同压缩比的压缩场地地震波和压缩规范地震波，图11为归一化的场地地震波和规范地震波的地震动时程曲线对比。

图11 试验输入地震动时程

3.2 工况设计

对整体模型，按照地震动输入类型和输入方向的差异共设计了29个方案，每个工况又根据输入的不同加速度峰值细分了若干个数量不等的小工况，共计72个。对坝段模型，输入的地震动设计工况与整体模型基本保持一致。通过坝体模型测试蓄水对坝体动力反应特性的影响，因此在空库试验工况后又进行了满库蓄水工况的试验。空库条件下设置了25个方案、52个小工况的试验，满库条件下设置了16个方案、36个小工况的试验。地震动的输入顺序为先小震后大震，振动方向为先单向后多向，在每个振动工况前均采用白噪声对坝体进行扫频。

4 试验成果

(1)模型坝在初始未经强震作用时，其顺河水平向一阶自振频率为30.0Hz左右，推算原型坝为1.09Hz左右。随着白噪声激振强度的增加，坝体自振频率减小，其阻尼比也随激振白噪声强度的增加而提高，体现了土石材料明显的非线性特征。大坝自振频率变化同振动历史密切相关，加速度峰值较低的地震动基本不会使坝体自振频率发生显著变化，而较强地震则会使大坝自振频率明显降低，阻尼比显著增加。水库蓄水后，大坝的自振频率相对比较空库时略有上升。整体模型坝初始振动时主要测点顺河水平向一阶自振频率和阻尼比汇总见表2。

表2 整体模型坝初始振动时的一阶自振频率和阻尼比汇总

(2)随着输入地震动强度的提高，坝体加速度反应放大倍数变小，表现出了土石材料结构动力响应的非线性特性。下游坝坡的表层加速度放大效果比较明显，由于上游坝坡受到面板的保护，加速度放大效果较下游边坡略小。竖直方向上，加速度反应最为强烈的是坝顶至3/4坝高区域。加速度反应的这一空间分布规律表明有必要对坝顶和下坝坡表面进行重点加固防护。图12给出了压缩场地波作用下，不同幅值地震动作用下整体模型坝中心线上加速度放大倍数沿坝高方向的对比。

图12 不同幅值地震动作用下整体模型坝中心线上加速度放大倍数沿坝高方向的对比

(3)在地震作用下，充分压实的模型坝坝体各向残余变形值较小，在达到校核水准的多向地震的作用下，坝顶最大沉降变形值在总坝高的1%之内。同等地震作用下，采用了抗震阻滑钢筋和混凝土框格梁加砌石护坡等抗震增强措施后，下游坝坡表面的地震残余变形显著降低。

(4)空库时，面板的大主应力、剪应力和大主应变峰值都发生在靠近坝顶处，而小主应力、小主应变的峰值都出现在约0.6倍坝高处；满库蓄水时，面板的大、小主应力，大、小主应变和剪应力峰值都发生在约0.6倍坝高处。

(5)极端地震作用下，坝坡表面堆石料块石由于地震作用脱离原位、顺坡滑移造成坝坡表面松动、整体结构性变差，引发大面积的坝料顺坡滑移，进而造成了大面积坝坡浅层滑动，导致坝坡表层发生破坏。抗震阻滑钢筋和混凝土框格梁加砌石护坡的抗震措施体系，可以显著提升下游坝坡在地震作用下的稳定性和大坝的整体抗震性能。图13给出了极端地震作用下作用下，有无抗震措施时大坝下游坝坡地震破坏情况的对比。

图13 有无抗震措施时大坝下游坝坡地震破坏情况的对比

5 结语

本文论述了阿尔塔什高面板坝大型振动台模型试验的基本情况，包括模型设计与制作、试验内容与方法等，并总结了主要试验成果和研究结论。大坝模型试验的研究成果不但可以为工程的抗震设计提供技术支撑，同时也是验证和完善大坝地震动力反应分析方法和计算程序的重要资料。主要的研究结论为：

(1)依据振动台模型试验相似率设计、制作了几何比尺为1/199.69(模型坝高为130cm)的阿尔塔什高面板坝整体模型和坝段模型。

(2)对整体模型进行了不同输入地震波类型、不同加速度幅值和不同输入方向共29个方案、72个小工况的振动试验；对坝段模型进行了不同蓄水条件、不同输入地震波类型、不同加速度幅值和不同输入方向共41个方案、88个小工况的振动试验。

(3)基于振动台模型试验成果，研究了模型坝的结构动力特性、加速度反应特性、残余变形特性和破坏模式等相关特征参数和变化规律，并通过模型试验相似率推求了原型大坝的有关参数和变化规律，还论证了大坝设计抗震加固措施的有效性。

(4)大坝结构的动力特性同输入地震动的强度和振动历史相关，地震强度及频谱特性、蓄水等因素对大坝结构的地震反应特性有重要影响，大坝在设计地震作用下的地震残余变形量值较小，抗震阻滑钢筋和混凝土框格梁加砌石护坡的大坝抗震加固措施体系可以有效提升大坝的抗震性能。