特約稿件

我國高土石壩抗震安全研究進展

¹周建平，²王富強 劉超 楊澤艷

（¹中國電力建設集團有限公司；²水電水利規劃設計總院）

關鍵詞：高土石壩　抗震安全　抗震工程措施　技術進展

1 引言

土石壩因其就地取材、適應性好等優點，在我國水利水電工程中被廣泛采用。近年來，隨著水利水電行業的快速發展，我國土石壩建設也取得了很大成就。根據我國《碾壓式土石壩設計規范》（DL/T 5395—2007）的定義，壩高超過100m的土石壩可稱為高土石壩。我國高土石壩工程一般為采用現代碾壓技術的分區土石壩，防滲體可分為土心墻、混凝土面板、瀝青混凝土心墻或瀝青混凝土面板等，壩殼料一般為堆石料或砂礫石料。據不完全統計，截至2015年底，我國已建成壩高超過100m的高土石壩工程84座，其中面板堆石壩68座，土心墻堆石壩15座，瀝青混凝土心墻堆石壩1座。我國已建最高的面板堆石壩為水布埡水電站大壩，壩高233m，也是世界最高的面板堆石壩；最高的土心墻堆石壩為糯扎渡水電站大壩，壩高261.5m；最高的瀝青混凝土心墻壩為冶勒水電站大壩，壩高125.5m。

由于水資源配置需求，我國尚需在西部地區建設一批高壩大庫工程，其中有不少擋水建筑物為高土石壩。比如，2016年底蓄水的猴子巖水電站面板堆石壩和長河壩水電站心墻堆石壩，正在建設的兩河口水電站和雙江口水電站心墻堆石壩，壩高分別為223.5m、240m、295m、314m；規劃建設的如美心墻堆石壩、古水面板堆石壩、茨哈峽面板堆石壩等超高壩工程，壩體分別高達315m、242m和257.5m。這些工程有不少建設于高地震烈度區，其抗震安全性一直是社會以及水利水電行業關注的重點問題。由于地震動作用、土石材料的復雜性，高土石壩的抗震安全也一直是行業關注的難點問題和科學研究的熱點問題，這方面也取得了大量研究成果^［1-3］。

本文對抗震設防標準、安全評價準則及計算分析方法、抗震工程措施等方面的主要成果進行簡要總結，以期為高土石壩抗震設計研究和建設實踐提供參考。

2 高土石壩抗震設防標準

2.1 我國現行抗震規范及相關規定

我國現行《水電工程水工建筑物抗震設計規范》（NB/T 35047—2015）規定，一般水工建筑物采用場地地震基本烈度設防，即以基準期50年超越概率10%的地震動參數作為設計地震動參數；而設防類別為甲類的壅水建筑物以基準期100年超越概率2%的地震動參數作為設計地震動參數。相應的性能目標為：允許局部損壞，經一般修復后仍可正常運行。

2008年汶川特大地震后，我國更加重視水電工程的抗震安全評價工作，水電水利規劃設計總院2008年制定的 《水電工程防震抗震研究設計及專題報告編制暫行規定》，對水電工程抗震專題設計和專題審查進行了規定，并要求不僅在設計地震工況下需保證結構強度安全性和整體穩定性，對1級擋水建筑物和復雜地震地質條件的2級擋水建筑物，還應考慮抵御超設計地震情況下的結構整體安全性，即分析校核地震工況下的結構整體穩定性。甲類建筑物采用基準期100年超越概率1%或最大可信地震 （MCE）的地震動參數進行校核，相應的性能目標為 “不潰壩”。對特別重要的擋水建筑物，還應研究極限抗震能力和地震破壞模式。

2.2 國內外高壩抗震標準對比分析

高壩抗震設防標準主要受以下幾個因素影響：工程重要性、地區經濟發展程度、工程區地震強烈性和地震的不確定性等。工程越重要，失事造成的后果越嚴重，則設防標準越高，重現期也越長；工程影響區域經濟越發達，一般采用的地震重現期也越長；地震活動性強的國家和地區，設計重現期可能適當縮短，反之在弱震國家和地區，則設計重現期可能適當加長。

據統計，國外一些國家主要采用不同重現期地震參數進行抗震設防。比如，智利地震活動性強烈，重現期800年的地震峰值加速度（PGA）大于0.5g；意大利重現期2500年的PGA為0.6g；英國地震活動性較弱，重現期3000年的PGA為0.375g；瑞士重現期10000年的PGA約為0.5g。我國多數高壩所在的西南地區，重現期5000年的PGA一般為0.3g～0.4g，重現期10000年可達0.4g～0.5g，有的甚至超過0.6g。

通過國外與我國的高壩抗震設防標準對比發現，國外主要采用運行期基本地震（OBE）和安全設防地震（SEE）兩級設防，而我國高壩則對SEE分設計安全設防地震和校核安全設防地震兩級，對OBE則不予控制。高壩大庫一旦受震失事，次生災害對社會造成的損失遠大于工程本身，嚴重威脅公共安全。而我國既是一個地震多發國家，又是世界上修建大壩最多的國家。因此，我國抗震規范對重要大壩地震設防水準的要求相對比較嚴格，甲類設防的大壩接近于國外多數國家MCE的水平，而其性能目標又和國外OBE的要求接近。

綜上，我國建立大壩抗震設防水準的原則與國外基本一致，但甲類高壩的抗震設防水準和性能目標要求相對較為嚴格。我國大壩抗震設防標準是基于震害實際、工程實踐和科研成果等綜合確定的，符合我國高壩數量大且多分布于強震區的實際情況。

3 高土石壩抗震安全評價準則及分析方法

3.1 抗震安全評價內容

根據大量水電工程震損調查及分析^［4］，高土石壩抗震安全需重點關注下列震害現象：

（1）滑動失穩，主要指地震作用下壩坡整體或局部失穩滑動。

（2）永久變形，即土石壩在地震作用下的沉降與水平位移。

（3）裂縫，即土石壩在地震作用下產生的縱向、橫向或其他形狀的裂縫。從土石壩抗震安全角度來看，應重點關注滑動裂縫（滑裂面）、貫穿土質防滲體或混凝土面板的裂縫等。

（4）壩基土層地震液化及其引起的滑動、坍塌等。

（5）防滲體系功能的損壞，包括土質防滲體貫穿裂縫（滑裂面）、混凝土面板裂縫或損壞、接縫止水結構變形過大或損壞等。

3.2 安全評價準則及計算分析方法

針對高土石壩抗震安全評價的主要內容以及地震作用下的壩坡穩定、壩體變形、壩基土層液化、防滲體斷裂、極限抗震能力降低等的評價準則，常用的計算分析方法有以下幾種：

（1）壩坡穩定分析方法及安全判斷標準。擬靜力法壩坡穩定分析是現行抗震規范規定的基本方法，其安全判斷標準為：壩坡抗震穩定的作用效應不大于抗力效應。擬靜力法概念簡單，在我國土石壩抗震設計中得到廣泛采用，但對于高地震烈度區的高土石壩，在進行擬靜力法計算的同時應進行動力計算，以便對工程抗震的安全性作出綜合判斷。

壩坡動力穩定分析，即利用各個時刻的動應力和加速度進行瞬時穩定分析，得出各滑動面安全系數隨時間的變化規律，并視其極小值是否小于某一標準來評價滑動破壞的安全度。安全評價標準為：（F_s）_min＞［F_s］，其中［F_s］為安全系數的允許值，安全系數極小值（F_s）_min可利用數學規劃法來求解。

Newmark滑塊分析法可用于計算土石壩在地震作用下產生的永久滑動位移，據此評價壩坡的動力穩定性。該方法的思路是：將可能出現滑動的土體類比于平面剛性滑塊，塊體和平面之間采用剛塑性接觸；滑塊受到的地震慣性力與加速度相關，而滑動面上抵抗力則采用臨界加速度或屈服加速度表示，當滑塊加速度超過該臨界值時，滑塊開始滑動，直至慣性力反向后滑動停止；對加速度超過屈服加速度的部分進行二次積分就可計算出滑塊的位移。

數值分析方法包括有限元法、差分法和離散單元法等，其中最為常用是有限元法。有限元法可以根據邊坡的位移場、應力場、塑性區等計算結果來間接評價壩坡穩定性，或根據應力場利用極限平衡方法計算穩定安全系數。

此外，地震作用下壩坡穩定分析還可采用地震滑動危險度法和臨界滑動面法。

（2）壩體變形評價準則及分析方法。在地震作用下，除壩頂一定區域的壩坡表面出現鼓脹、松動現象外，高土石壩宏觀上呈現“震縮”，即整體上產生震陷。地震作用導致的大壩變形主要有兩個影響：一是造成壩頂高程降低，增加庫水漫頂的風險；二是過大變形導致防滲體開裂，引起嚴重滲漏、滲透破壞或沖刷破壞的風險。根據工程經驗和實際震害資料總結分析，對于采用重型碾壓機械壓實的現代土石壩和堆石壩，允許震陷率一般不應超過1%～2%，壩高100m以下可以取高限，壩高100m以上的高土石壩一般取低限值1%。

常用的土石壩動力反應分析方法主要有簡化分析方法（剪切楔法）、集中質量法和數值分析方法（以有限元、有限差分為主）。其中，數值分析方法最為常用。根據計算中對動荷載的處理方式，土石壩地震反應分析可分為擬靜力分析和動力反應分析。根據動力本構模型不同，可分為基于等價黏彈性模型的等效線性分析方法和基于彈塑性模型的真非線性分析方法等。從是否考慮孔隙水壓力的角度，可分為總應力法和有效應力法，而有效應力法又可分為排水有效應力法和不排水有效應力法。

（3）液化破壞標準及分析方法。高土石壩的壩殼材料主要為堆石料或砂礫石料。若大壩建基于深厚覆蓋層上，覆蓋層中可能存在可液化土層，液化區位置或液化區達到一定范圍時則會發生液化破壞。常見的液化破壞判別方法有動孔隙水壓力判別法、抗液化剪應力比判別法和動抗剪強度判別法。

1）動孔隙水壓力判別法：根據地震產生的動孔隙水壓力u與該部位的上覆壓力σ（σ=γh）的比值，即孔隙壓力水平D_l進行判斷。一般認為，D_l≥0.9為液化區，0.5＜D_l＜0.9為可能液化區。

2）抗液化剪應力比判別法：即Seed和Idriss提出的估計砂土液化勢的方法，可在土石壩壩基土層液化的初步評價時采用。該方法將地基土的抗液化剪應力比與該部位地震引起的最大動剪應力比的比值，定義為抗液化安全系數。若抗液化安全系數大于1，則該部位不會液化，反之則發生液化。

3）動抗剪強度判別法：定義抗震液化安全系數F_e是材料動強度τ_f與地震時潛在破壞面上總剪應力τ的比值，若F_e＞1.0，則該部位不會發生動力失效或地震液化。

（4）防滲體斷裂判斷方法。土石壩的破壞多由于防滲體失效而引起，面板、土質防滲體的斷裂是地震破壞的主要類型之一。斷裂破壞可采用應力判斷和變形判斷。采用應力判斷時，分別采用壓應力和拉應力進行評價，包括拉裂與壓裂兩種破壞模式。采用變形判斷時，則根據永久變形計算結果并采用“傾度法”等經驗方法分析產生裂縫的可能，多用于土質心墻堆石壩中。

（5）高土石壩極限抗震能力分析。高土石壩地震破壞模式包括壩坡失穩、震陷量過大以致庫水漫頂、基礎覆蓋層中砂層液化導致壩體失穩、防滲結構嚴重破壞以致滲透失穩等。目前，高土石壩極限抗震能力尚未形成統一的評價標準。一般認為，可針對上述幾種破壞模式進行以下分析評價：

1）壩坡穩定抗震極限分析。采用擬靜力法時，如果壩坡整體穩定安全系數F_s＜1.0，則可認為壩坡失穩；采用有限元時程分析法時，地震過程中如果F_s＜1.0的時間累加起來超過一定時間，比如2s，則壩坡失穩。

2）壩體震陷率。壩體震陷可能導致壩體和防滲結構裂縫，以及壩頂超高不足而帶來庫水漫壩失事。大量震害資料及分析表明，高土石壩抗震極限分析時取震陷率破壞標準為不大于1%基本合適，但該標準尚需進一步研究。

3）壩基土層液化。根據上文所述，可采用孔壓法、抗液化剪應力比判別法等來評價壩基覆蓋土層液化的可能性，并分析土層液化是否導致壩坡整體失穩。

4 高土石壩抗震工程措施

4.1 高土石壩抗震薄弱部位與薄弱環節

根據國內外高土石壩地震災害調查分析，地震危害主要表現為壩頂及壩體沉陷、壩體開裂和壩坡失穩。在軟巖地基和覆蓋層地基上的土石壩，還表現出地基透水性增加、局部地基滲透破壞和地基失穩。高土石壩的地震薄弱部位通常是指壩基地質缺陷部位、壩坡以及大壩壩頂建筑物。

研究表明，大壩震后永久變形相對較大，與主震歷時長、等效振次高以及較小的震中距，使得壩址基巖垂直向加速度反應偏大密切相關；堆石體震縮產生的永久變形導致混凝土面板的頂部出現脫空現象，混凝土面板橫縫、水平縫發生擠壓、拉伸和剪切破壞。壩頂建筑物包括防浪墻、大壩下游壩坡表面出現剪脹效應，壩體上部滑塊易于震動滑落，或出現較大殘余變形。總體而言，筑壩堆石料在地震過程中具有振動硬化特性;且現場原級配堆石體的最大動剪模量高于室內試驗值，其動剪模量隨動應變的衰減程度也有所降低，表明面板壩具有優良的抗震性能。

4.2 壩體抗震工程措施

（1）適當放緩大壩上部壩坡。對于強震區高土石壩工程，一般宜在頂部約1/4～1/5壩高區域適當放緩壩坡，必要時設置馬道。

（2）壩料及壓實度。由于“鞭梢”效應，強震時高土石壩的壩頂區動力響應較大。良好的壓實質量是提高其抗震穩定的重要措施。此外，在壩頂區和壩坡表面采用大粒徑填筑料，可增強顆粒間的嵌固作用，提高壩料的抗剪強度，有助于提高壩頂區的抗震性能。我國高土石壩的壩坡通常采用干砌或漿砌塊石進行護坡。

（3）適當加大壩頂寬度。地震時，壩頂加速度往往有所放大，壩頂區域有發生坡面滑動的可能，為不危及整個壩頂區抗震安全，壩頂應具有足夠寬度，且強震區應適當加寬。糯扎渡水電站心墻堆石壩和在建的300m級雙江口水電站、兩河口水電站心墻堆石壩壩頂寬度分別為18m、16m和16m，均在規范規定的10～15m基礎上適當加寬。

（4）抗震加筋措施。我國高土石壩建設中，主要壩坡抗震加筋措施包括埋設土工格柵、鋪設鋼筋網等。土工格柵的鋪設受氣候環境的影響小，施工簡捷、快速，對堆石壩的填筑強度影響較小。冶勒水電站瀝青混凝土心墻堆石壩在約3/4壩高以上的部位采用土工格柵進行加固，其后瀘定水電站、長河壩水電站、猴子巖水電站、毛爾蓋水電站等多座水電站高土石壩也采用了該加固措施。

糯扎渡水電站心墻堆石壩在壩頂約1/5壩高區域的上、下游壩殼堆石中埋入順河向不銹鋼錨筋，φ20@2.0m×2.5m，L=18.0m；并在相應區域上、下游壩面鋪設扁鋼網與埋入壩殼內的不銹鋼錨筋焊接。

（5）抗震鋼筋混凝土框格梁。抗震梁可有效增加壩頂區域壩體的整體性，對壩頂區域壩坡穩定有利。瀘定水電站心墻堆石壩就在壩體和壩坡設置了抗震鋼筋混凝土梁。

4.3 覆蓋層壩基抗震處理措施

深厚覆蓋層壩基是高土石壩施工建設常常面臨的挑戰，近年來我國在深厚覆蓋層上建設了大量高土石壩工程。深厚覆蓋層上的高心墻堆石壩有長河壩水電站、瀑布溝水電站、毛兒蓋水電站、小浪底水電站、獅子坪水電站、瀘定水電站等，高面板堆石壩有九甸峽水電站、察汗烏蘇水電站、那蘭水電站等，瀝青混凝土心墻堆石壩有冶勒水電站、黃金坪水電站等。

目前已在深厚覆蓋層壩基處理上取得了大量經驗。對判定為可能液化的壩基砂層，應采取挖除置換法。在挖除比較困難或很不經濟時，可采取人工加密措施。對淺層宜用表面振動壓密法，對深層宜用置換振沖、強夯等方法加密，還可結合振沖處理設置砂石樁，加強壩基排水以及采取蓋重等防護措施。比如，瀑布溝水電站心墻堆石壩在下游壩腳處增設了60m長的棄渣壓重，以提高壩基中砂層透鏡體的抗液化安全性；長河壩水電站心墻堆石壩將壩基埋深4~30m范圍內厚0.75～12.5m的可能液化砂層全部挖除；獅子坪水電站心墻堆石壩對心墻與下游堆石下部的含碎礫石粉砂層進行了8～15m深的振沖加固處理；龍頭石水電站心墻堆石壩對壩基砂層采取了振沖碎石樁處理措施；黃金坪水電站瀝青混凝土心墻堆石壩對壩基可能液化砂層采取了基本挖除及設置下游壩坡壓重等處理措施。

5 主要結論及展望

我國高土石壩抗震設防標準是基于震害調查分析以及工程實踐和大量科研成果確定的，符合我國高壩多且多分布于強震區的實際情況。對比國外主要國家地震設防目標，我國高壩工程的抗震設防標準及性能目標要求相對較為嚴格。

經過數十年的工程實踐和科學研究，高土石壩抗震安全評價體系基本形成，也發展出多種行之有效的抗震工程措施。抗震安全評價主要內容包括地震作用下的壩坡穩定、壩體變形、壩基土層液化、防滲體系斷裂等。2008年汶川地震的震害調查分析也表明，按照現代理論和方法以及現行規程規范設計建設的高土石壩是安全可靠的。

由于地震動作用和土石材料的復雜性，高土石壩計算分析和抗震安全評價中仍需大量借助經驗判斷，如何合理提出定量的評價指標仍是研究難點。比如，目前壩體震動變形安全評價仍主要采用經驗的震陷率；大壩地震永久變形分析仍主要采用等效線性分析加經驗公式的方法。因此，進一步研究合理實用的本構模型、永久變形計算模式、接觸面模擬方法、地震動輸入、庫水-壩體-地基等的動力相互作用和耦合效應，發展實用的非線性動力分析方法，分析高土石壩地震破壞模式及機理，進而提出定量指標，仍是未來高土石壩抗震安全的研究重點。

參考文獻

［1］ 沈珠江，酈能惠.高土石壩動力分析及抗震工程措施研究［R］.南京：南京水利科學研究院，1995.

［2］ 水電水利規劃設計總院，清華大學，大連理工大學，等.高土石壩抗震性能及抗震安全研究報告［R］.2012.

［3］ 周建平，陳觀福，黨林才.我國高壩抗震安全評價的現狀與挑戰［J］.水利學報，2007（S1）：54-59.

［4］ 晏志勇，王斌，周建平,等.汶川地震災區大中型水電工程震損調查與分析［M］.北京：中國水利水電出版社，2009.