淺談土工格柵在高心墻堆石壩抗震設計中的應用

冉從勇，喻 暢

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 應用背景介紹

土或堆石體具有一定的抗壓強度和抗剪強度，但抗拉性能較差。土或堆石結構在自重或外力的作用下易產生變形或失穩(wěn)。加筋土工技術正是基于這點，在土或堆石體中一定部位鋪設水平方向的加筋材料，在土或堆石體壓實后，由于土或堆石體與筋帶材料密切結合成加筋土或加筋堆石體，其依靠筋材與土或堆石體的相互作用以及格柵網眼所具有的特殊的嵌鎖和咬合作用，限制其上下土或堆石體的側向變形［1－2］，從而增加土或堆石體結構的穩(wěn)定性，提高土或堆石體的抗剪強度和變形特性。

我國從20世紀80年代開始應用土工加筋技術以來，因其實用有效、施工簡單、造價較低而迅速得到推廣。土工格柵是一種常用的土工加筋材料，目前已被廣泛應用于軟基加固、堤防、高速公路、鐵道、機場和擋土墻等工程實踐中，取得了良好的工程效果與經濟效益。同時，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。工程實踐和實驗研究表明，加筋土的強度和穩(wěn)定性比無筋土有較大的提高［3－5］。

近年來，我國西部地區(qū)擬建的高土石壩越來越多。但由于西部地區(qū)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。土石壩震害實例、振動臺模型試驗及地震動力反應分析均表明，壩體上部1/5～1/4壩高范圍壩體的地震動力反應較大，是土石壩抗震設計防護的主要部位［6］。在高心墻堆石壩抗震設計中，對壩體上部1/5～1/4壩高范圍進行抗震加固是目前高土石壩抗震設計的主要措施。借鑒土工格柵加筋技術，對壩頂堆石進行加筋，依靠筋材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，以提高堆石的整體性及抗震穩(wěn)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，壩頂加筋已成為目前高土石壩抗震加固設計的主要方法。近年來，已建的冶勒瀝青混凝土心墻堆石壩、水牛家礫石土心墻堆石壩、蹺磧礫石土心墻堆石壩以及瀑布溝礫石土心墻堆石壩等均采用土工格柵進行壩頂抗震加固。

筆者結合瀑布溝水電站礫石土心墻堆石壩的抗震設計和施工對土工格柵在高堆石壩抗震設計中的應用作一總結，愿與同行探討。

2 在汶川大地震中相關工程土工格柵加筋體的抗震性能

2.1 國道G213加筋土結構在汶川大地震中的震害及試驗研究

(1)汶川大地震后，西南交通大學對國道G213都江堰—映秀段加筋土結構進行了震害調查統(tǒng)計［7］。

加筋土擋墻震害情況:調查共統(tǒng)計了6處加筋土擋土擋墻，加筋土擋墻最大高度為14～20m，擋墻長度50～135m;擋墻分二級設置，填料為碎礫石土，筋帶采用CAT300200C鋼塑復合帶，長度為5～8m;墻面板為C25鋼筋混凝土矩形面板;每隔10～15m處設置伸縮縫，伸縮縫寬2cm。在汶川大地震中僅2處擋墻在地震中遭受破壞。破壞原因一處為路基強度不夠，一處也僅第二級平臺有輕微開裂鼓脹現象，但不影響擋墻使用和功能。

加筋土路基震害情況:該路段加筋土路基一共32處，加筋土路基段長度范圍為32～153m，筋材為土工格柵。在斜坡路堤下部鋪設土工格柵進行加固處理，上部和下部每填土壓實60cm鋪設一層土工格柵，在外側回折2m;土工格柵上、下側填料的最大粒徑上限為壓實厚度的2/3(在緊靠格柵層8cm內的填料小于6cm)。在地震作用下，加筋土路堤的路基(路面)、坡面防護遭受到了一定的破壞，但路堤土工格柵良好，未受到地震破壞。

(2)汶川大地震后，相關學者對國道G213都江堰—映秀段加筋路基的抗震性能進行了振動臺模型試驗研究［8］，認為土工格柵能有效地降低土體對地震加速度的放大效應，在地震作用下邊坡中下部到坡肩為最易破壞失穩(wěn)部位，加筋措施能顯著減弱土體的破壞程度。

2.2 冶勒水電站大壩在汶川大地震中地震反應分析［9］

冶勒大壩壩頂高程2654.5m，最大壩高125.5m ，壩頂寬14m，上游壩坡為1∶2.0，下游壩坡為1∶1.8。壩體主要由瀝青混凝土心墻、壩殼堆石料在心墻，以及在心墻與壩殼堆石之間的碎石反濾料和過渡料組成。心墻底部設鋼筋混凝土墊座，墊座下為混凝土防滲墻。

結合靜、動力計算并參考類似工程經驗，在大壩上、下游堆石體2624.5m高程以上設置抗震土工格柵，其中2624.5～2634.5m高程之間每兩米鋪設一層土工格柵;2634.5m高程以上，每米鋪設一層土工格柵。

“5.12”汶川大地震后，對地震時冶勒大壩最大斷面(壩0+220.00m)沿壩坡的加速度、速度和位移監(jiān)測成果進行了分析。從加速度的反應看，沿大壩下游坡面順河向和橫河向加速度沿高程先減小再增大，在壩頂和下游壩腳位置同時達極值，但壩頂的加速度要大于壩腳;在豎直向，沿大壩下游坡面的加速度沿高程先增大再減小，在2624.5m高程達極值。從加速度各方向的分量來看，順河向的加速度最大，橫河向的次之，豎直向的最小，但橫河向加速度與順河向加速度相差的幅度并不大。速度反應總體上是沿著高程的增加而略有增大;三方向的位移反應都是壩頂最小。

大壩地震反應從壩體內監(jiān)測廊道的位置到壩頂位置沿高程放大。其中，順河向加速度放大倍數約為3.0，橫河向及豎直向加速度放大倍數約為2.0。大壩地震反應從監(jiān)測廊道位置到下游壩腳位置沿水平距離放大。其中，順河向加速度放大倍數約為3.5，橫河向加速度放大倍數約為1.7，豎直向加速度放大倍數約為2.3。這明顯地表現出大壩地震反應由壩體內部向壩體表面的放大作用。

綜合分析認為，在壩體上部2624.5m高程以上上、下游壩坡堆石體中增加抗震措施是很必要的，土工格柵在汶川大地震中起到了很好的抗震效果。

3 土工格柵在瀑布溝礫石土心墻堆石壩抗震設計中的應用

3.1 大壩結構設計概況

瀑布溝水電站的礫石土直心墻堆石壩，大壩抗震設防類別為甲類，設計烈度為8度。

大壩壩頂高程856.00m，壩頂寬度14m，最大壩高 186m，上游壩坡 1∶2和 1∶2.25，下游壩坡 1∶1.8。壩體分為礫石土心墻、反濾層、過渡層和堆石區(qū)。心墻頂高程854.00m，頂寬4m，上、下游側坡度均為1∶0.25，底寬96.0m。心墻上、下游側各設二層反濾層。在心墻底部壩基防滲墻下游也設兩層反濾料，并與下游堆石基礎反濾層連接。反濾層壩殼堆石間設過渡層。為了減少不均勻沉降，防止壩體開裂，在心墻與兩岸基巖接觸面上鋪設3m厚的高塑性黏土，在上游防滲墻頂刺墻、下游防滲墻廊道周圍和心墻底部也鋪設高塑性黏土。

壩基采用2道全封閉混凝土防滲墻，墻厚1.2m，中心間距 14m。上游防滲墻最大深度76.85m，下游防滲墻最大深度75.55m。上游防滲墻頂刺墻插入大壩心墻，下游防滲墻頂部設灌漿兼觀測廊道。為了增加下游壩基中砂層的抗液化能力，在下游壩腳設兩級壓重體。大壩結構見圖1。

3.2 大壩抗震計算［10－11］

按現行規(guī)程規(guī)范要求，瀑布溝水電站大壩抗震安全性評價和抗震設計既采用了規(guī)范要求的擬靜力法，也采用了基于靜力和動力有限元分析的抗震穩(wěn)定評價方法。

“5.12”汶川地震后，根據相關要求對壩址區(qū)地震動特性重新進行了安評分析，確定了大壩設計地震采用100年超越概率0.02(基巖峰值水平加速為225gal);校核地震采用100年超越概率0.01(基巖峰值水平加速度為268gal)。

3.2.1 擬靜力法的壩坡穩(wěn)定分析

圖1 瀑布溝礫石土心墻堆石壩剖面圖

結合抗震設計，本文僅介紹大壩穩(wěn)定滲流期、穩(wěn)定滲流遇設計地震和校核地震的穩(wěn)定性分析。計算采用簡化畢肖普法，計算剖面為河床中部典型剖面(擬合剖面)。計算假定上游壩殼內浸潤線與上游水位相同;心墻及下游壩殼料內浸潤線依據滲流計算確定。在滑裂面的搜索計算時，考慮了上、下游砂層可能對滑動面產生的影響，除了采用常規(guī)的搜索方法外，還采用了折線過砂層的計算方法;滑裂面位置先用窮舉法，再用最優(yōu)化法進行搜索;垂直地震力分別計算向上和向下兩個方向;壩殼料參數用線性和非線性參數分別進行計算，計算指標參數見表1。計算結果見表2、圖2和 圖3。

表1 壩坡穩(wěn)定計算參數

計算表明:大壩的穩(wěn)定主要由心墻料(包括反濾料、過渡料)及基礎覆蓋層控制，堆石料采用非線性參數和線性參數計算結果幾乎一致，各種工況下大壩上、下游壩坡穩(wěn)定安全系數均滿足要求。

3.2.2 三維靜、動力反應分析

大壩位于大渡河河灣處，河谷深切，壩體空間效應顯著，為了分析大壩抗震安全性，進行了大壩三維靜、動力有限元分析，本文僅介紹動力計算成果。

3.2.2.1 計算參數的選取

技施階段在前期大量試驗研究的基礎上，結合瀑布溝壩體施工實測級配、密度等指標和復核力學試驗成果，同時參考地基和筑壩材料相近、同在大渡河上、具有高低圍壓研究成果的長河壩、雙江口和龍頭石工程的動力特性試驗參數，通過反復論證確定動力計算參數(見表3和表4)。

3.2.2.2 計算方法及計算結論

大壩動力計算采用等價線性粘彈性模型，地震永久變形采用舍夫(Serff)和西特(Seed)等提出的應變勢概念為基礎建立的整體變形計算方法。對于粒徑較大的堆石材料，考慮到地震過程中顆粒的破碎，殘余應變應考慮振動過程中堆石的體積變形和剪切變形;地震液化利用試驗動孔壓比與動剪應力比關系曲線計算動孔壓與液化度的方法進行研究;動力計算采用W ilson－θ法，進行時程逐步數值積分，求解動力平衡方程式;將整個地震過程分為若干時段，以提高迭代收斂速度，同時反映地震過程中材料的軟化。主要計算結論如下:

表2 典型剖面壩坡穩(wěn)定計算安全系數

圖2 瀑布溝大壩典型剖面正常蓄水位穩(wěn)定滲流期上、下游壩坡危險滑弧示意

圖3 瀑布溝大壩典型剖面正常蓄水位穩(wěn)定滲流期遇地震上、下游壩坡危險滑弧示意

表3 壩料動彈性模量和阻尼比計算參數(河海大學振動強化模型)

表4 壩料永久變形計算參數

(1)在設計地震波作用下，大壩的水平、豎直和壩軸向絕對加速度反應極值放大倍數分別為3.80、2.61和2.97倍，主要分布在河床壩段的壩體頂部;壩坡地震抗滑穩(wěn)定分析的安全系數小于1.2的滑弧位置基本位于壩頂附近;壩坡最大累積滑移量14.8cm。參照美國和瑞士的抗震安全評價標準，大壩壩坡在給定地震條件下不會出現滑動失穩(wěn)破壞。大壩最大永久變形82.9cm，位于河床最大斷面壩頂位置，地震沉陷量為壩高(不含覆蓋層厚度)的0.4%。在校核地震波作用下，大壩的加速度與動應力反應分布規(guī)律與設計地震一致，反應量值有所增大，水平向絕對加速度反應極值放大倍數達3.73倍;壩坡最大累積滑移量24.3cm;大壩最大永久沉降變形109.4cm。

(2)在設計地震作用下不考慮消散，砂層透鏡體的孔壓極值為357.6kPa，動孔壓比為0.62，不會發(fā)生液化;大壩反濾層的最大動孔壓比為0.37，不會發(fā)生液化。在校核地震作用下不考慮消散，砂層透鏡體的孔壓極值為481.7kPa，動孔壓比為0.89，不會發(fā)生液化;大壩反濾層的最大動孔壓比為0.47，不會發(fā)生液化。

(3)大壩極限抗震能力計算表明:壩基砂層液化和壩頂較強的鞭梢效應成為大壩抗震的薄弱環(huán)節(jié)，大壩的極限抗震能力為0.45g左右。

3.3 土工格柵在大壩抗震設計中的應用

由計算分析可知，在地震動力作用下，810m高程以上壩體的加速度反應相對較大，鞭梢效應較強，有必要在壩頂810m高程以上增加抗震措施，以提高壩頂部位壩體的整體性和穩(wěn)定性，減小地震引起的永久變形，進而提高壩體的抗震能力。通過對壩體上部的鋼筋混凝土錨固梁、土工格柵等加固措施的綜合比較，認為土工格柵的鋪設受氣候環(huán)境的影響小、施工簡捷快速，且對堆石壩的填筑施工進度影響很小，加之土工格柵在冶勒大壩、水牛家大壩、蹺磧大壩中的成功應用經驗，確定采用土工格柵。其布置范圍為大壩上部810.00～834.00m高程之間垂直間距2.0m、835.00～855.00m高程之間垂直間距1.0m，水平最大寬度30m。

3.3.1 土工格柵技術指標及要求

為增強格柵對回填料的崁鎖，提高壩體抗蠕變能力，同時考慮到本工程的重要性，選用了性能較好、強度較高的雙向土工格柵?？v、橫向極限抗拉強度，每延米縱向拉伸屈服力150kN;縱、橫向伸長率為2%時，其每延米抗拉力應不小于85kN;縱橫向屈服伸長率不大于8%。土工格柵埋設在強度較高的硬質堆石體內，要求材料具備較高的抗折、抗沖擊能力，土工格柵在堆石的撞擊和碾壓機具的沖擊作用下不會產生斷裂，并保持原有的強度和延伸率;要求在縱、橫兩個方向均具有一定強度和抗變形的整體性;抗紫外線能力、化學穩(wěn)定性和生物穩(wěn)定性等應滿足相關規(guī)程規(guī)范的要求。

3.3.2 土工格柵的施工

土工格柵鋪設前先對鋪設面進行清理，對作業(yè)面突起的石塊進行挖除，并對局部不平部位采用細料找平、碾壓，以保證土工格柵鋪設面平整，經驗收合格后鋪設土工格柵。土工格柵鋪設平鋪、拉直，不能有褶皺，盡量張緊，然后用插釘固定，不得重疊，不得卷曲、扭結。土工格柵的鋪設按受力方向進行，縱向垂直壩軸線，橫向幅與幅之間的連接采用人工綁扎，綁扎材料為母材，搭接寬度不小于15cm，同時保證不同鋪設層的土工格柵在上下層間必須錯縫。土工格柵鋪設定位后，隨即采用填筑料進行覆蓋，裸露時間不超過48h。為保證施工進度，采用邊鋪設邊回填的流水作業(yè)法，卸料后采用推土機進行攤鋪，25t自行平碾壓實，以保證填筑料滿足壩體填筑的施工質量要求。

4 結束語

由于土工格柵的鋪設受氣候環(huán)境的影響小、施工簡捷、快速，且對堆石壩的填筑施工進度影響很小，土工格柵在冶勒瀝青混凝土心墻堆石壩、水牛家礫石土心墻堆石壩、蹺磧礫石土心墻堆石壩以及瀑布溝礫石土心墻堆石壩中成功應用，為高堆石壩壩頂抗震設計和計算創(chuàng)造了良好的開頭;但目前關于土工格柵與堆石體之間的作用機理、抗震效果、材料抗變形特性等尚未得到清楚的認識，計算分析方法欠完善和成熟，現場監(jiān)測資料更少，設計理論與方法還不能滿足工程建設的需要。

建議科研和設計部門加強合作以進一步清楚認識格柵與堆石體之間的作用機理、抗震效果、材料抗變形等特性。隨著土工格柵生產技術的不斷發(fā)展，土工格柵在高堆石壩抗震設計中的應用一定具有很好的推廣和應用價值。

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