高面板堆石坝地震反应和破坏振动台模型试验研究

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1、高面板堆石坝地震反应和破坏振动台模型试验研究*收稿日期：2014-03-08；修订日期：2014-10-31基金项目：国家重点基础研究发展计划（973计划）课题（No.2013CB036404）、中国水利水电科学研究院科研专项（岩集1467）、“十二.五”国家科技支撑计划课题（2013BAB06B02）和国家自然科学基金青年基金项目（51209234）资助杨正权1,2，刘小生1,2，刘启旺1,2，杨玉生1,2，陈宁1,2，赵剑明1,2（1.流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100038；2.中国水利水电科学研究院岩土工程研究所，北京100048）摘要：坝体在地震

2、作用下的加速度反应、残余变形和破坏是土石坝动力分析的重要内容。本文，针对狭窄河谷中猴子岩高面板堆石坝的特殊结构形式，设计、制作了高达1米的大坝坝段模型和整体模型，进行大型地震模拟振动台模型试验。研究了大坝加速度反应的空间分布规律及相关因素对坝体加速度反应特性的影响，分析了大坝地震残余变形和破坏的发展过程和破坏机理。研究表明：面板对堆石坝体的加速度反应有明显的限制作用，不对称河谷中高面板堆石坝两岸侧坝体的加速度反应水平差异明显；高面板堆石坝的地震残余变形量值相对较小，坝体抗震性能良好，但猴子岩水电站开关站所在下游压重体平台是整个大坝结构抗震的薄弱环节，应当在设计中重点予

3、以考虑。关键词：高面板堆石坝；振动台模型试验；加速度反应；地震残余变形；动力破坏中图分类号：TU文献标识码：A文章编号：引言地震作用下，土石坝的加速度反应水平和在坝体内部的分布情况是大坝动力分析的重要内容，也是后续进行坝体和地基液化判别、大坝地震残余变形和坝坡稳定性分析的基础[1]。以往，对土石坝动力安全性的考察主要集中于坝体应力状态和坝坡稳定性上。然而，大量的土石坝震害调查和分析表明：地震引起的坝体地震残余变形和不均匀沉降是很多土石坝动力破坏的主要原因，土石坝的地震残余变形分析应当作为大坝动力稳定分析的重要内容[2]。此外，我国近几年在西部高地震烈度区修建了多座高土

4、石坝工程，这些高坝大库的抗震安全性一直是工程界关注的焦点，尤其是在汶川大地震后，高土石坝的极限抗震能力问题成为了研究的热点[3,4]。猴子岩水电站装机容量1700MW，是大渡河干流水电规划“三库22级”的第9级电站，在整个大渡河流域水电开发中占有重要地位。水库挡水大坝为钢筋混凝土面板堆石坝，最大坝高223.5m，建成后将是该坝型的世界第二高坝。由于坝址区处在河流转弯处，河谷狭窄，两岸岸坡地形差异很大，堆石大坝结构两侧形态差异明显——左岸边坡先陡后缓，嵌入坝体内部；右岸边坡坡度变化不大，但十分陡峻，如后图1(a)和(b)。此外，狭窄河谷不仅使得大坝结构宽高比较小，三维结

5、构性明显，也使得枢纽建筑物的布置十分困难。例如，水电站开关站就被迫布置在了大坝下游坡压重体形成的宽马道平台上[5]，如后图1(c)。面板堆石大坝在地震作用下的加速度反应和残余变形特性，以及大坝在极端地震作用下的动力破坏特性是设计人员重点关注的内容，尤其是该坝的特殊几何结构形式对前述特性的影响和开关站所在压重体平台的地震稳定性问题。由于经历过强烈地震的高土石坝较少，更未见有由于强震而引起高土石坝严重破坏的实例报道，缺乏高土石坝震害实测资料，土石坝地震模拟振动台模型试验仍是人们认识大坝结构动力反应特性和在极端地震作用下破坏特性的重要研究手段[5]。本文，利用大型地震模拟振

6、动台模型试验——包括坝段模型试验和整体模型试验，进行狭窄河谷中猴子岩高面板堆石坝地震反应和破坏特性研究。研究了坝体在地震作用下的加速度反应特性和相关影响规律，面板和大坝结构特殊几何形态的影响是重点关注内容；研究了高面板堆石坝的地震残余变形特性和在极端地震动作用下的动力破坏特性，分析了大坝的地震破坏机理，对原型大坝在地震荷载作用下的抗震性能进行了评价。相关研究成果，可为原型大坝抗震设计提供参考，也可为土石坝动力分析理论和计算模式的验证和改进提供基础资料。1.振动台模型试验设计模型振动试验在6×6m三向六自由度大型地震模拟振动台上进行。基于刘小生等提出的重力场下土石坝动力

7、模型试验相似律[6]，进行大坝振动台模型试验的模型设计、工况设计和试验成果分析。模型坝高1m，包括坝段模型和整体模型各一，模型试验相似律和相应相似常数汇总如表1。坝段模型控制断面由原型大坝最大横断面缩尺确定。整体模型的几何形状则由原型坝的10个控制断面缩尺后确定，用钢筋混凝土来模拟基岩河谷，用原型堆石料缩尺料作为模型坝填筑料，用人工配合材料制作模型坝面板，用细铁丝网来模拟钢筋的作用。坝体填筑堆石料最大控制粒径为20mm，为了更好地模拟原型堆石料的级配特性，采用相似级配法和等量替代法综合确定模型坝堆石料的级配。面板人工配合材料采用水泥、砂子、珍珠岩和水