第1章土石壩抗震安全
　　土石壩是當(dāng)今壩工建設(shè)中最常見的一種壩型，也是發(fā)展最快的一種壩型.在水利工程的諸多壩型中，土石壩具有可利用當(dāng)?shù)夭牧现�壩，對地形地質(zhì)條件適應(yīng)性較好，造價較低，施工方法簡單，抗震性能好等優(yōu)點，在國內(nèi)外水利水電資源開發(fā)過程中占有重要的地位.心墻堆石壩是在20世紀(jì)40年代以后才有所發(fā)展的，其背景是土力學(xué)理論和實踐的發(fā)展，以及大型施工機具的出現(xiàn)，使得在合理工期內(nèi)完成大量土石方成為可能.近幾十年來，土質(zhì)心墻堆石壩已逐漸成為世界上高壩建設(shè)的主流壩型之一.據(jù)20世紀(jì)90年代初統(tǒng)計，世界上已建和在建的壩高230m以上的高壩中，土質(zhì)心墻堆石壩約占555%.全世界壩高超過15m的土石壩有29000多座，而在我國，各種壩高的攔河壩有86000多座，其中土石壩占95%以上.土石壩主要包括均質(zhì)土壩，心墻壩和混凝土面板堆石壩等.據(jù)統(tǒng)計，1940年以前，很少有壩高超過100m的心墻堆石壩;1960~1990年是全世界心墻堆石壩快速發(fā)展時期，興建的土石壩壩高，數(shù)量都有很大的增加;1990年后，興建的心墻土石壩有減少的趨勢，但興建的土石壩多是150m以上的高心墻土石壩，建壩的高度和水庫的規(guī)模越來越大.水壩關(guān)系著下游廣大地區(qū)人民生命財產(chǎn)的安全，隨著水庫規(guī)模的增大，水壩帶來的風(fēng)險也隨之增大.大壩安全為公共安全的重大問題，受到世界各國的普遍關(guān)注.據(jù)不完全估計，從12世紀(jì)以來，全世界約發(fā)生了2000余起的水壩事故，比較顯著的大壩失事就有200多起，造成了災(zāi)難性的后果.引起水壩事故的原因多種多樣，地震是對水壩安全構(gòu)成威脅的重要因素之一，多次大地震中產(chǎn)生的大壩震害使大壩的抗震安全成為關(guān)注的重點之一.另外，根據(jù)我國能源發(fā)展的需要，一大批200~300m級的高土石壩和大型水庫將在金沙江，瀾滄江，雅礱江，大渡河，怒江和黃河上游等大江大河上進(jìn)行建筑，這些大壩的高度和規(guī)模不少將接近和超過國外已建同類工程的水平.特別值得重視的是，這些大壩的設(shè)防地震加速度將遠(yuǎn)超過我國歷史上的最高水平.20世紀(jì)90年代建設(shè)的小浪底心墻堆石壩(高160m)，設(shè)計地震加速度為015g.但目前在建和將建的高土石壩的設(shè)計地震加速度將分別達(dá)到:糯扎渡心墻堆石壩(高2615m)0283g;兩河口心墻堆石壩(高2935m)0288g;雙河口心墻堆石壩(高314m)0205g;猴子巖面板堆石壩(高2195m)0297g;吉林臺面板堆石壩(高157m)高達(dá)0462g.200~300m級土石壩的抗震安全成為設(shè)計中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一[1-6].
　　從國內(nèi)外關(guān)于土石壩抗震安全評價的發(fā)展來看，在20世紀(jì)60年代以前，主要是采用以地震系數(shù)為代表的擬靜力法來核算壩坡穩(wěn)定.1964年日本新潟地震和美國基于變形安全防控的高土石壩抗震安全評價阿拉斯加地震后，特別是1971年美國SanFernando地震中LowerSanFernando水力沖填壩的大規(guī)模坍滑事故引起了土石壩抗震安全評價方法的變革，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)方法在評價土石壩抗震性能方面所出現(xiàn)的矛盾日益增多，難以預(yù)測土石壩可能出現(xiàn)的多種震害.地震變形逐漸引起了人們的重視，對地震變形引起的土石壩震害開展了深入的研究.經(jīng)過多年的發(fā)展，以地震變形安全防控為代表的土石壩抗震研究的水平取得了較大的進(jìn)步，包括土石壩的動力材料特性，地震動力響應(yīng)分析，地震變形，地震災(zāi)變機理等[5，7，8].
　　在土石壩筑壩材料性質(zhì)的研究方面，經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者多年的研究工作，已經(jīng)取得了較多成果，積累了較為豐富的資料[9-13].特別是隨著高壩建設(shè)的發(fā)展，尤其是強震區(qū)高土石壩建設(shè)的發(fā)展，人們對高應(yīng)力水平下堆石料，過渡料，風(fēng)化料，礫石土等粗粒料的動力特性開展了深入的研究工作，尤其是通過“七五”“八五”及“九五”科技攻關(guān)，在高土石壩壩料的動力特性和測試方法方面取得了一系列研究成果[9，13].隨著工程建設(shè)的需要，還需進(jìn)行更深入的研究工作，如復(fù)雜應(yīng)力及大應(yīng)變條件下的動力本構(gòu)模型和殘余變形特性等都需要做進(jìn)一步的研究工作.
　　在土石壩震害方面，科技工作者對近幾十年的強震中的震害進(jìn)行過詳細(xì)調(diào)查，對土石壩的震害資料有較細(xì)致的收集和分析.在唐山，海城，通海和汶川等地震中，土石壩震害資料較為豐富.國內(nèi)學(xué)者對土石壩震害的特點，類型，影響因素和經(jīng)驗教訓(xùn)等都進(jìn)行了較為深入的調(diào)查，分析和總結(jié)，為土石壩抗震研究提供了基礎(chǔ)資料.有關(guān)高土石壩動力特性和動力模型試驗研究也取得了較大進(jìn)展，獲得了有關(guān)結(jié)構(gòu)反應(yīng)特性及破壞特征的資料數(shù)據(jù).要進(jìn)行高土石壩震害機理的研究，還需要更為豐富的，定量的資料以及強震區(qū)高土石壩的實際震害資料和地震反應(yīng)記錄等.
　　從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看，土石壩動力反應(yīng)分析方法逐漸由二維的，等效線性的，總應(yīng)力分析方法向三維的，真非線性的，考慮孔壓擴散和消散的有效應(yīng)力分析方法發(fā)展，而在庫水，壩體，地基等的耦合非線性分析，復(fù)雜應(yīng)力條件下的非線性本構(gòu)模型，孔壓計算模式，地震殘余變形計算方法，接觸面模擬及邊界條件處理，地震動輸入，高精度數(shù)值模擬和非線性計算方法等方面還需要進(jìn)行深入的研究.工程上慣用擬靜力法進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析來進(jìn)行土石壩及地基的抗震安全評價，然而，傳統(tǒng)的擬靜力法不能很好地考慮與地震動特性密切相關(guān)的土體內(nèi)部應(yīng)力——應(yīng)變關(guān)系和實際工作狀態(tài)，求出的安全系數(shù)只是所假定的潛在滑裂面上的所謂安全度，無法得到實際內(nèi)力分布和確定土體變形，也就無法預(yù)測土體失穩(wěn)的發(fā)生和發(fā)展過程，更不能考慮局部變形對壩體穩(wěn)定的影響.所以，近年來逐步發(fā)展了進(jìn)行土石壩及地基的地震安全評價的動力法.在動力法中，為了進(jìn)行抗震安全評價，首先對土石壩及地基進(jìn)行地震反應(yīng)分析，求出在地震作用下土體內(nèi)部的應(yīng)力和變形分布等，然后按照相應(yīng)的破壞標(biāo)準(zhǔn)來評價大壩的安全性.動力法中的關(guān)鍵問題包括土石料動力特性的確定，土石壩及地基地震反應(yīng)的分析，安全評價標(biāo)準(zhǔn)和理論方法等.
　　第1章土石壩抗震安全
　　在非線性地震反應(yīng)分析的基礎(chǔ)上，研究高土石壩地震作用下的災(zāi)害機理，抗震安全性及防災(zāi)對策是高土石壩抗震研究中的關(guān)鍵問題，而研究地震破壞機理必須深入研究地震作用下結(jié)構(gòu)的非線性問題，包括非線性材料性質(zhì)，非線性破壞參數(shù)，非線性地震反應(yīng)特征，非線性求解理論和實驗方法.根據(jù)結(jié)構(gòu)的破壞特征和工程的破壞機理提出合理的高土石壩抗震設(shè)計方法和抗震措施，并研究相應(yīng)措施的作用機理，以解除地震災(zāi)害之虞，在研究中應(yīng)重視它們的針對性，可靠性，實用性和經(jīng)濟性.
　　1.1抗震安全評價內(nèi)容
　　土石壩抗震設(shè)計中首先要考慮的問題是地震作用可能引起的壩的破壞方式，有以下幾種情況值得重視.
　　1.1.1典型震害
　　1庫水漫頂
　　評價土石壩的抗震安全性取決于通過直接或間接方法所確定的預(yù)期變形的大小.如果地震變形導(dǎo)致壩頂?shù)陀谒畮焖�位，壩頂溢流造成的侵蝕可使壩發(fā)生破壞.直接方法是通過建立地震，壩體和壩基的計算模型預(yù)測壩的變形;間接方法則基于經(jīng)驗判斷壩和地基的地震響應(yīng).震后穩(wěn)定分析也是對變形的一種間接預(yù)測，如果震后穩(wěn)定安全系數(shù)高，變形將局限于很小的范圍(幾英尺(1英尺=03048m)或1m以內(nèi))，除非作用的荷載十分劇烈.
　　變形大小取決于材料的強度.強震時由于動應(yīng)力瞬時超過材料強度可產(chǎn)生永久變形，不過量值一般不大.對于飽和土，由于振動產(chǎn)生的孔隙水壓力將使抗剪強度降低，也使動力變形比沒有強度損失時大.對于十分松散的可壓縮性土，由于過量的孔隙水壓力增長，剩余的抗剪強度可能只占靜力排水剪強度很小的一部分，這一過程通常稱為“液化”.如果抗剪強度下降到低于維持靜力穩(wěn)定所需要的數(shù)值，即使振動已經(jīng)停止，在重力作用下，仍將產(chǎn)生很大的變形.液化評價將在下面闡述.有一種中間狀態(tài)，稱為“循環(huán)流動性”(cycliemobilify)，由于過量的超靜孔隙水壓力作用，初期的抗剪強度非常低，但隨著大的剪應(yīng)變發(fā)生，強度會逐漸增長.這種情況有助于防止整體穩(wěn)定的喪失，但仍然產(chǎn)生較大的變形.
　　導(dǎo)致壩發(fā)生破壞的庫水漫頂現(xiàn)象，還可能是以下原因引起的:①穿過水庫或穿過壩基的斷層活動，引起水庫水位上升，超過壩頂(或使壩頂沉降低于水庫水位);
　�、诘卣鹨�起的滑塊排擠出很大容量的水體;③地震引起的涌浪.
　　2裂縫和內(nèi)部侵蝕
　　如果壩由于地震激勵或斷層錯動而產(chǎn)生變形，可能出現(xiàn)裂縫或內(nèi)部反濾被切斷，兩者都將使壩由于侵蝕而破壞.裂縫多半發(fā)生在壩與混凝土結(jié)構(gòu)(如溢洪道)相結(jié)合的界面處或在土石壩斷面劇烈變化之處.也有跡象表明，如果壩已處于管涌邊緣，即使不出現(xiàn)裂縫，振動也可能引起管涌破壞.壩所能承受的變形大小，即不會發(fā)生裂縫被侵蝕而引起壩的破壞，取決于壩和地基的土料特性，壩的內(nèi)部分區(qū)和構(gòu)造(濾層，排水和截水墻等)，地震時的水庫水位，以及附屬結(jié)構(gòu)的性質(zhì)和位置.如果存在穿過土石壩的管道，壩的變形可使管道破裂，或使縫的接頭分離，兩者都可能產(chǎn)生不通過濾層的滲流出口或使壩或地基暴露在未曾預(yù)計的水庫全水頭作用下而引起侵蝕破壞.沿著完好管道發(fā)生的侵蝕也會引起壩的破壞.
　　1.1.2抗震防護(hù)措施
　　如果設(shè)計不當(dāng)，許多情況可使壩處于安全危急狀態(tài)或使壩發(fā)生破壞.不必進(jìn)行大量的分析評價，只需簡單地采取一些防護(hù)措施，即使在比較惡劣的情況下，也可使結(jié)構(gòu)滿意地運行.反之，防護(hù)措施設(shè)計不當(dāng)，則可使其變?yōu)闊o效.有關(guān)的防護(hù)措施包含以下方面.
　　(1)對有問題的地基土料予以挖除.(2)加寬用塑性土料建造的心墻能增強抵抗侵蝕的能力.(3)在心墻上游敷設(shè)良好級配的過濾層，使有可能張開的裂縫得以封閉，同時敷設(shè)心墻下游的過濾層以防止心墻中被侵蝕的顆粒外逸.(4)在土石壩心墻下游建造煙囪形豎井排水以減少飽和度.(5)在壩肩與岸坡接觸面處，擴展土石壩心墻的斷面.(6)調(diào)整心墻的位置，使土石壩體中的浸潤線位置最低.(7)加強水庫周邊土坡的穩(wěn)定性，防止滑坡塌方.(8)如果壩基中存在潛在滑動斷層的危險，壩和地基接觸面處應(yīng)進(jìn)行專門處理.(9)建立高質(zhì)量的排水通暢的堆石壩殼.(10)設(shè)立比較富裕的壩頂超高，以適應(yīng)壩體沉降，坍塌或斷層滑動的需要.(11)規(guī)劃好壩與地基接觸面的形狀，避免斷面突變，倒懸或較大的“臺階”.(12)填筑土料充分壓實，盡量減小超靜孔隙水壓力的發(fā)生.(13)設(shè)置過濾層或采取其他有效措施，防止埋設(shè)于土壩中的管道或其他結(jié)構(gòu)出口處發(fā)生水流侵蝕.
　　1.1.3抗震分析方法
　　如果壩和地基不發(fā)生液化，在滿足下列條件的情況下，微小變形是可能發(fā)生的，但不會引起壩的整體破壞.
　　(1)壩和地基土料為非液化土料，也不含松散土料和靈敏黏土.
　　(2)壩體良好施工，并壓實到實驗室最大干容重的95%以上，或相對密實度的80%以上.
　　(3)壩坡率H∶V=3∶1或更緩，浸潤線在下游壩坡線以內(nèi)足夠深度.
　　(4)土壩壩基水平峰值地震加速度不大于0.2g.
　　(5)地震發(fā)生前在相關(guān)荷載和預(yù)期孔壓作用下，所有可能的危險滑動面(壩坡表面淺層滑動面除外)的靜力安全系數(shù)大于15.
　　(6)地震時壩頂超高至少為壩高的3%~5%，并且不小于3英尺(約09m)，地震引起的水庫涌浪或地震引起的壩基或水庫中的斷層活動所要求的壩頂超高應(yīng)另行考慮.
　　(7)壩內(nèi)不存在重要的構(gòu)造部件，在壩體的微小變形下容易受到損害或產(chǎn)生裂縫，引起內(nèi)部侵蝕的潛在危險性.如果這些條件無法滿足，需要進(jìn)行更詳細(xì)的研究，包括評價液化的危險性，進(jìn)行震后穩(wěn)定和變形分析.如果不存在液化危險的土料，一般可采用簡化的Newmark滑塊法進(jìn)行分析.在有可能產(chǎn)生超靜孔隙水壓力的情況下，則需要進(jìn)行更嚴(yán)密的有限元或有限差分法分析.進(jìn)行變形分析的目的在于確定可能發(fā)生的變形是否足夠大到發(fā)生庫水漫頂，或是在關(guān)鍵部位產(chǎn)生裂縫，使土壩由于內(nèi)部侵蝕而發(fā)生破壞.根據(jù)分析結(jié)果，并參照土石壩在地震中表現(xiàn)的歷史經(jīng)驗，設(shè)計者必須做出全面判斷，壩和地基是否能安全承受這些荷載.
　　1.1.4地震變形分析
　　如果預(yù)期失穩(wěn)不會發(fā)生，液化也不可能，可應(yīng)用下述兩種方法之一，或兩者并用來進(jìn)行變形估計.
　　1Newmark滑動變形分析
　　Newmark滑動變形分析[14]為最普通的求解土石壩動力表現(xiàn)的方法.該方法假定壩和地基土料的地震變形模態(tài)可看成剛性塊的滑動.當(dāng)壩基加速度超過屈服加速度后，變形開始發(fā)生.屈服加速度為按常規(guī)壩坡穩(wěn)定分析得出的安全系數(shù)剛好等于10時所對應(yīng)的水平地震加速度.在地震作用的整個過程中，隨著安全系數(shù)上升