孔宪京:关于高土石坝抗震的一些思考
思考1:土石坝的两种破坏机理
有粘性土坡的破坏形式
→深层滑裂面(带)、整体瞬间滑动
解决办法 →土工布加筋技术
思考2:面板坝与心墙坝破坏的共性与个性
共性:
坝顶区附近堆石体松动、坡面块石滑移、坝顶坍塌、坡面堆体浅层滑动
个性:
由于面板构造和受力的特点,强震时面板坝的破坏性态非同于一般心墙堆石坝,心墙堆石坝破坏发生在坝顶 上、下游两侧,而面板坝仅发生在下游一侧,上游坝坡的稳定远远高于下游侧
此外,动荷载作用下,面板断裂发生在面板的上部, 坝顶土体的破坏(松动、滑移、塌坍等)是引起面板断裂、脱空的重要因素。
因此,在地震区修建面板坝时应特别重视坝顶区堆石体的稳定,特别是下游坝坡的稳定。
思考3:坝顶区堆体稳定的影响因素
因数1-坝料粒径对坡面临界加速度的影响
在坝坡角一定的条件下, 筑坝材料平均粒径增大, 坡面临界加速度相应地也有所提高
思考4:高土石坝地震响应的特点
对低坝(100米以下)来说, 中等地震时坝体的地震反应以第一振型(剪切振型)为主,因而面板动应力沿坝高分布变化不大。但是, 对高坝(150米以上)来说, 坝体地震反应中高振型参与量增大,坝越高高振型参与量越大,坝体上部反应增大
即所谓“鞭鞘效应”,对面板而言,坝顶部的“鞭鞘效应”将使面板上部出现高应力区。一般在坝高3/4~4/5附近面板动应力最大
因此, 高面板坝上部面板在地震中可能出现的高应力区是面板设计的关注点之一
思考5:高土石坝抗震的着力点
高土石坝在遭遇强震时, 坝顶部往复地震惯性力较大, 这将会导致坝顶区块石体松动、堆石颗粒间咬合力丧失, 从而在坝顶上、下游两侧发生坝面块石滑移或浅层滑动。
高土石坝上部坝坡浅层滑动是最常见的震害,大量的动力模型试验和数值分析以及地震震害现象也给予了充分印证。
因此,高土石坝抗震设计中应特别注意坝顶区堆石体的稳定, 采取必要的抗震措施。
对高土石坝的河谷坝段,可以综合考虑在临界高度以上采用减缓坝坡并设置马道、同时适当加宽坝顶、在坝顶区用抗剪强度较高的填筑材料等抗震措施;也可以选择钉结护面板加固措施,即对坝体上部坝坡采用加筋(钉结)技术,并加盖护面板,从而增强坝顶区堆石体的整体稳定性,提高堆石坝抗震能力。
思考6:现代碾压堆石坝的地震沉降量
干燥堆石料在三轴固结排水(气)条件下变形特性试验表明:循环动荷载作用引起的累积永久轴向变形仅是b百分之零点几(5~7.5)的量级,这与砂土固结不排水条件下的试验结果截然不同。
由此说明,堆石料(尤其是干燥堆石料)不象砂土那样地震中因受到反复振动而引起颗粒间接触应力一部分转移给孔隙水承担,从而使有效应力减小,动抗剪强度降低,加剧土体变形。
由于试验在正常围压下进行,没有考虑颗粒体破碎引起的体积变形
但现代碾压堆石坝,堆石压实密度几乎达到极限,因此,可以预计地震沉降变形不会超过百分之一,多数情况下应该在千分之五左右。
思考7:面板断裂的原因-附加“静应力”
日本东京大学所做的模型试验和紫坪铺大坝震害分析表明, 面板断裂不仅仅是因为地震惯性力的直接作用
地震力引起的坝体永久变形(残余变形),使面板“静应力”在很短的时间显著地增大, 达到并超过地震惯性力直接作用的动应力水平
这所谓的“静应力”呈上部面板受拉、下部面板受压状态。
这一现象提醒设计者,在面板坝设计中要考虑地震力造成坝体永久变形对面板附加应力(“静”应力)的影响。