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土石坝震害与抗震设防准则讨论 迟世春大连理工大学土木水利学院工程抗震研究所 目录 1 土石坝震害2 各国土石坝抗震设防准则简介3 土石坝抗震设计几个问题的讨论 24号文17条规定 对特别重要的挡水建筑物要研究极限抗震能力及破坏模式 有的放矢地采取工程抗震措施 国内外震害资料大多是针对中小坝或低坝的震害 现代方法施工高土石坝坝强震资料偏少 1 土石坝震害 1 土石坝震害 土石坝震害的主要形式裂缝 渗漏 滑坡 裂缝最为常见 裂缝又分纵向裂缝 横向裂缝 地震变形是震害基础 不均匀变形过大则裂缝 防渗体开裂则渗漏 坝坡失稳滑动是纵缝发展的结果 对震损土石坝震害调查显示 大坝裂缝多以纵缝居多 多出现在坝顶中部及坝顶近坝坡两侧 纵缝长短不一 短则10余米 长则贯通坝顶 缝宽从几厘米到几十厘米不等 部分震损水坝也发现横向裂缝 横缝分布以坝肩位置居多 一般都贯穿坝顶 1 1汶川地震土石坝震害 绵阳市安县丰收水坝坝顶纵缝 彭州市莲花洞水坝坝顶纵横交错缝 绵竹市柏林水库主坝坝坡滑动迹象 江油市观音堂水库上游坝坡滑坡迹象 紫萍铺混凝土面板堆石坝 大坝沉降变形 最大值81cm 整个坝体向坝内收缩变形 原因 高围压下堆石料循环剪切引起剪缩 颗粒破碎 下游坝坡大片干砌石护坡有震松 翻起等隆起现象 伴有零星掉块 原因 低围压堆石料相互翻越 剪胀 结构破坏 面板及止水损坏 面板在垂直缝附近起拱 鼓起 脱落及面板裂缝或开裂 面板顶与防浪墙间的水平缝产生沉降 部分垂直缝和周边缝错台 止水结构剪切破坏明显 二期与三期面板水平施工缝错台等 上部面板发生较大范围脱空 1 2日本典型的土石坝地震观测成果 1984年长野县西部地震 震级m 6 8 时 距震中约5km的105m高的牧尾堆石坝 遭受了强震作用 在坝顶心墙部位产生了深约1 5m的裂缝 坝上地震计震坏 没有获得加速度记录 同年10月3日在坝近旁岩基上设置的地震计记录的地震加速度达到719gal 以此推测 强震时的加速度可达500 1000gal 1 3墨西哥典型的土石坝地震观测成果 1985年墨西哥发生m 8 1级强震 elinfiernillo心墙堆石坝 高148m 遭受了持续60秒长的强震作用 大震后两日 9月21日又发生了m 7 5级的强余震 elinfiernillo坝建于岩基上 距主震震中约75km 右岸地下强震仪记录的最大加速度在主震和强余震时分别达到0 13g和0 06g 下游马道 在坝基以上100m 中部记录的最大加速度为0 38g 据此推断坝顶中部的振动加速度可达0 50g 不透水料 反滤 过渡区 压实堆石 堆石 大块堆石 围堰elinfiernillo心墙堆石坝 地震造成坝顶两侧宽约0 2cm 15cm断续绵延坝全长335m的两条纵向裂缝 深达不透水心墙顶部 此外 还有长约9m宽约3 6cm的较细纵向裂缝 出现在右坝肩2条 左坝肩1条 观测到的坝顶沉降约9cm 1 3墨西哥典型的土石坝地震观测成果 1 4美国典型的土石坝地震观测成果 austrian土坝 高61m 1989lomaprieta地震 m 7 1 坝距震中11 5km 与sanfernando大断裂相距600m 与该大断裂相关的sargent活动断裂相距210m左右 振动持续了10s 估计austrian坝的地震加速度可达0 60g 使坝遭受了比较严重的震害 上 下游坝坡上部1 4坝高度范围内均出现了最大深度达4 27m的纵向裂缝 下游坝面还出现了许多浅裂缝 两坝肩出现了横向裂缝 左坝肩建于风化碎裂岩石上 裂缝深达9 14m 右坝肩与溢洪道相连的界面开裂深度为7m 坝的最大沉降85 34cm 向下游的最大变形33 53cm发生在右坝肩靠近溢洪道部位 austrian土坝及震害 1 5土石坝震害引起坝体滑移变形统计 印度学者debasisroy2007年对世界上土坝地震滑移变形进行了统计 我们剔除了尾矿坝以及河堤等低矮土工建筑物 区分心墙坝及堆石坝 并查阅其覆盖层性质及厚度等进行了统计 表中mw为地震震级 td为坝体及坝基体系的基本自振周期估计值 心墙坝地震滑移变形统计 土石坝震害随坝型而异 心墙坝与面板坝不同 心墙堆石坝震害主要形式 震陷变形 裂缝 滑坡 渗漏 此外 上游反滤料液化及上部心墙动强度不足 为了减小坝壳对心墙的拱效应 常设置较松的反滤料 但反滤料颗粒较细 地震条件下容易发生液化需要注意 在上游坝料强度有保证的前提下 上游反滤液化一般不会危险坝坡安全 但破坏坝体的整体性 加速坝体累积变形 坝体顶部1 4地震反应较大 承受的地震惯性力也大 故顶部心墙的动剪切应力大 容易出现动强度不足问题 动强度不足易引发变形及裂缝等 某坝心墙动强度安全系数 面板坝破坏形式 1 震陷 坝体向内收缩变形 高围压堆石料反复剪切引起颗粒破碎 导致剪缩 2 下游坝坡堆石料结构性丧失 低围压堆石料反复剪切 会发生颗粒相互翻越的剪胀 引起结构性丧失 3 坝坡堆石料滚落 坍塌丧失结构性的堆石料颗粒相互之间没有约束 获得足够的能量后 会沿坝坡滚落与坍塌 4 面板失去有效支撑堆石料坍塌 面板失去有效支撑而发生脱空 5 面板之间的相对运动会使伸缩缝挤压 拉伸 错动变形 导致止水破坏 2 各国土石坝抗震设计准则 美国大坝安全评定委员会 icods 2005年完成了大坝安全导则的更新 出版了 联邦大坝安全导则 大坝的抗震分析与设计 欧洲2004年对欧盟5个国家近期先后完成的大坝抗震安全评价导则进行了研究比较 总结了强地震活动区 罗马尼亚 中强地震活动区 意大利 以及低强地震活动区 瑞士 奥地利 英国 导则的内容与特点 供欧盟有关国家参考 日本97年阪神地震后修订了规范 2002年 现有大坝抗震性能评价的现状与课题 印度古吉拉特邦制订了土石坝抗震设计导则 2007 墨西哥联邦电力委员会 cfe 2008出版了抗震设计手册 提出了土石坝的抗震设计导则 基本内容和动态简要介绍 两级设防 1 运行基准地震 operationbasicearthquake obe 2 最大设计地震 maximumdesignearthquake mde 或安全检验地震 safeevaluationearthquak see obe作用时 坝不发生震害 或是只产生轻微震害 可继续正常运行 obe指在大坝运用期内有较大可能发生的地震 我国设计地震的功能目标 可修复 see作用时坝的基本性能要求是 防渗体和坝基中不产生贯穿性裂缝 不发生库水漫顶 容许坝产生一定损伤 但不丧失坝的挡水功能 对重要大坝see一般选为最大可信地震mce 我国校核地震的功能目标 不溃坝 各国规范规定的概率水准有很大差别 对obe设防的概率水准 其重现期在100 200年间 例如奥地利 伊朗取200年 新西兰取150年 俄罗斯取100年 我国设计地震50年超越概率10 mce的重现期大约为10000年 但加拿大的魁北克地区取2000年 而多地震国家的伊朗也仅取2000年 不少国家对大坝不采用分级设防 而是采用一种接近mce的设防水准进行抗震设计 例如英国 澳大利亚 瑞士的安全检验地震see 美国 加拿大的最大设计地震mde 其理由是实际上大坝抗震设计中obe是不起控制作用的 在满足mce时 再去校核大坝在obe的正常运用功能 似无必要 各国规范关于土石坝的安全检验内容一般包括 a 坝基和坝体材料的液化评定b 库水漫顶的检验地震沉降和永久变形 大坝坝坡滑坡 特别注意坝材料由于超静孔隙水压力或液化引起的抗剪强度降低 地震引起的水库波浪 库岸滑坡和穿过水库的断层活动引起的库水位上涨等因素的影响c 裂缝和内部渗流侵蚀的影响 不少国家规范指出大坝抗震设计和安全评价采用的分析方法的精细程度应与场地地震研究 现场地质勘查和土料试验的深度相协调 例如 加拿大规范建议采用三水准的分阶段的抗震设计方法 水准1 初评 水准2 简化响应分析 水准3 精细有限元分析 初评的方法一般指拟静力法坝坡抗震稳定分析 简化响应分析一般指基于等价线性粘弹性模型的地震动力分析以及newmark滑块位移法或makdisi seed简化方法计算滑动体位移 安全评价变形控制标准 许多研究学者认为 如果坝体和地基不发生液化 土石坝超高大于2 3 的坝高 且不小于1 5m 坝体的地震变形不至于影响坝体抗震安全 国外大多采用newmark法进行坝坡抗震控制 hynesgriffun和frankin曾经建议 对大多数坝来说 1m左右的地震变形不致对坝体造成重大危害 美国采用newmark法计算填筑良好坝体顶部的地震沉陷 规定沿滑裂面的地震滑移不超过60cm 瑞士要求地震时滑移变形产生的排水层和反滤层的错动不应超过排水和反滤层厚度的50 对较次要的3级坝 发生浅层滑动时 滑移深度d与坝高h之比小于10 20 时 容许变形20cm 发生深层滑动时 大于10 20 容许变形50cm 3土石坝抗震设计几个问题的讨论 3 1抗震设防标准设计地震 50年超越概率10 100年超越概率2 校核地震 100年超越概率5 50年超越概率2 3 实际上在设计地震的基础上提高1度校核 100年超越概率1 3 2反应谱问题 反应谱是抗震设计的基础 关系到设计标准和结构的动力特性 但现行 水工建筑物抗震设计规范 dl5073 2000 中没有对土石坝设计反应谱的最大值进行规定 也就是现行规范中没有土石坝设计反应谱 目前 我国地震部门基于地震危险性分析提供的具有包络特性的一致概率反应谱往往使中长周期处的谱值明显偏大 难以适应和满足与水工建筑物抗震相配套的工程技术要求 故场地谱在我国大坝抗震设计中尚未被应用 选择实测地震波进行分析则任意性更大 1 动强度问题 上游反滤料及覆盖层中的砂层存在液化可能 心墙动强度不足 动强度标准 对等压固结的试样 孔压 围压或动应变5 不等压固结试样以动应变达到10 为土体动力破坏标准 3 3抗震设防指标标准 液化度单元孔压值与静竖向有效应力之比来评价单元孔压相对值 若将液化度dl 0 9的区域定为液化区 把0 5 dl 0 9的区域定为破坏区 seed安全系数法 各单元相应振动周数的动强度与各单元在整个地震历时的等效剪应力最大水平动剪应力之比即为各单元的抗液化安全系数 把安全系数f 1 3的区域定为液化区 把1 3 f 1 5的区域定为破坏区 心墙动强度判断以动强度安全系数 1 0为标准 2 土石坝地震永久变形 沈珠江院士 八五 攻关 根据一些坝的实际震陷值提出如下初步建议 坝高100m以下的坝 允许震陷量可采用坝高的2 对100m以上的坝 可适当降低到1 5 土石坝地震永久变形标准应允许坝体产生裂缝 但不形成潜在滑坡为宜 顾淦臣统计整理了国内外55座土石坝的水平位移 竖向位移和裂缝资料 得到这样的认识 竣工后坝顶最大竖向位移为坝高的1 以下的坝都没有裂缝 坝顶最大竖向位移为坝高的3 以上的坝都有裂缝 坝顶最大竖向位移大于坝高的1 小于坝高的3 时 有的坝裂缝 有的坝不裂缝 要看土料的性质和其他因素而定 在调查国内外多座土石坝的不均匀沉降后认为 若坝体不均匀沉降的斜率 倾度 大于1 坝体就将产生裂缝 小于1 坝体一般不出现裂缝 对高土石坝而言 地震残余变形的梯度 或残余应变 沿坝高的分布是不同的 底部坝体残余应变较小 顶部坝体残余应变较大 且为地震残余变形等值线密集的部