地震作用下面板堆石坝错台模型试验研究
邱鹏
【摘? 要】地震的作用让面板堆石坝表现出了很强的加速度效应，它们在这种加速度反应之下出现了变形、崩塌以及残存物的变形和崩塌等现象。这些现象是对其进行有效分析的关键内容。针对容易发生地震的部分狭窄河谷地区的面板堆石坝，论文制作了相关的结构型式试验材料，该试验材料高1m，可以有效地模拟出面板堆石坝的实体的形状，然后再运用相关的试验方式和工具在地震作用下进行模拟试验。
【Abstract】The effect of earthquake makes the face rockfill dam show strong acceleration effect， and deformation， collapse and residual deformation and collapse appear under this acceleration response. These phenomena are the key content to carry on the effective analysis. In view of some narrow valley areas prone to earthquake， this paper has made the relevant structure type test material. The test material is 1m high， which can effectively simulate the solid shape of the face rockfill dam， and then use the relevant test methods and tools to conduct the simulation test under the earthquake action.
【关键词】地震作用;面板堆石坝;错台模型;试验研究
【Keywords】earthquake action; face rockfill dam; staggered platform model; experimental study
【中图分类号】TV641.4+3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文献标志码】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章编号】1673-1069（2021）05-0161-02
1 总体性概述
工程庞大的猴子岩水电站在装机容量上达到了1700MW，它是整个大渡河干流里面的第九级别水电站，可以说，猴子岩水电站在整个大渡河流域的水电开发当中都占有极其重要的地位，它的最大坝高是223.5m。但是由于该水电站的建造位置选择在了河流的转弯处，河谷狭窄，而且二者地形差异很大，这使得两边的结构差异十分明显：左岸的坡是先陡后缓，然后插入大坝之中，右岸的边坡虽然在坡度上变化不大，但是总体而言却十分陡峭。另外，河流转弯处的河谷十分狭窄，这使得整个大坝在结构的宽度和高度比方面较小，所以该水电站的开关站点就只能布置在该大坝下游的平台上。而面板堆石坝在地震作用下其加速度反应和残余变形特性会出现极为剧烈的波动。一旦地震较为强烈，总管整个大坝的开关站很容易失去保护，从而遭到毁灭[1]。
我国是幅员辽阔的国家，但是地震带总体而言偏少，这导致我国总体上经历过较强地震的高土石坝比较少。同样的，我国对于高土石坝以及面板堆石坝在强烈地震中遭受严重破坏的报道也是罕见的，而正是这种罕见的存在导致了面板堆石坝所遭受的地震灾害的实际资料大大缺乏，所以直到目前为止，相关研究者对于堆石坝面板所遭受的地震影响的观察和研究依然基于各类试验。
2 试验设计
模式试验的展开是在具有6m×6m的大型地震模拟振动台上进行的，该试验的模拟是基于重力场中面板堆石坝的动力规律展开的，而同时所要开展面板堆石坝的错台模型试验也是如此。整个过程包括模型的设计、工程情况的构筑和试验结果的分析3个部分。整个模型石坝为1m高，有坝段和整体模型各1个。对坝段模型的错台控制是根据原型大坝自身的最大横截面进行按比例缩小所得到的。而整体的面板堆石坝则是在将原型大坝的共10个断面进行按比例缩小之后所建成的。接着又用钢筋混凝土模拟河谷，把原型堆石料的缩小版作为模型大坝的填充建筑材料，在这个过程当中，我们将通过人工手段来有效地让模型大坝的面板得到制作，钢丝网则充当了模拟的钢筋，大坝总体的填充建筑堆积石料最多拥有20mm的粒子直径。同时，为让原型大坝的堆积石料依然可以在模型大坝中发挥其最大现实作用，我们通过等量代换等方式对模型大坝中的堆积石料进行有效配置。其主要原料是水泥、沙子、珍珠岩石和水，比例按照8%、67%、5%以及20%进行调配。最终，整个建筑而成的三位缩小版立体大坝模型经过7层配料以及逐層敲击加固得以完成。而三维河谷模型则是通过计算机进行辅助设计，最终使得大坝模型整体得到完整的填充浇筑[2]。
我们在有效结合当地实际振动情况的差异上，有效地把整个试验分成数种方案，不同的方案代表不同的实际地震情况。在整体的模型试验过程当中，一共有20个方案和37个小工况，而在水库没有水的情况下，大坝段模型会涉及16个方案共计28个小工况的地震试验。如果面板堆石坝是满水状态，那么其会进行18个方案，总共会有40个小工况的地震试验。从总体上来看，工况的设置要求符合这样一个关键原则，即地震强度从小到大，地震波的传递方向要从单方向逐渐变为多方向，而在每一次地震之前和地震之后，都必须要把幅度很低的白色噪音输入进去，让面板堆石坝能够得到自振测试。在输入地震波的加速度值时，一般最高为0.8，最低不低于0.1。
这次试验测试内容包括了对整个面板堆石坝的加速度情况的反应测试，针对面板堆石坝的错台模型在经过地震时所出现的变形现象以及针对大坝整体的动力形变测试等。大坝自身的震动在其加速度变化和反应方面的表现和反馈会通过预先设置在面板堆石坝面板错台模型内部关键区域的加速度传感器来进行测量反馈。该坝段模型在测试断面的设计上采用的是从中间开始的断面，之所以如此建造，是考虑到了原来的大坝本身是修建在河谷河道转弯处的，因为河谷两旁的山体坡度不一致且有落差，故在本次试验中，我们选择了2个距离比较接近的控制断面，然后再选择主要用于测试的断面两旁的3个控制断面为用来辅助的测试断面（分别为3、5、7）。而传感器就被安装在主要的测试断面里头，这种传感器可以有效地感应到加速度的变化。后来，我们又通过在大坝表面安装位移观测点以及在模型箱上有效安装和固定相应基准线来保证大坝整体的表面都可以受到地震的均匀残余变形的力量，而通过运用肉眼观察和专业仪器拍摄的方式，我们可以更好地认识到大坝在地震时所出现的反应及其所遭受到的外力和形变状况。最后，大坝在地震结束之后，会出现一定程度的滑坡，这时用人工方式来对滑坡深度和所遭受的破坏类型进行深刻观察和记录分析。
3 反应情况
面板堆石坝在模型试验方面和作为原型的大坝来说是相同的，无论是在加速度的反应水平上，还是在加速度的反应分布上，都和原型大坝一样，因此，在结束该试验之后，我们能够有效地认识到作为原型大坝的面板堆石坝在加速度反应之中所表现出来的特性，尤其是运用错台模型的针对面板堆石坝的试验。
在对试验结果进行分析之后可以发现，在大高水平，固定的情况下，板堆石坝面板的错台模型在加速度反应水平方面整体上比较弱，由于石坝面板错台模型的相关保护作用，加上河谷转弯处地形呈现的是一个狭窄和不对称的状态，所以该面板堆石坝的加速度反应分布规律是比较均匀的。
另外，水平方向上的加速度反应和高度成正比。但是在遭遇幅度较低的一般地震波时，大坝顶部的“鞭梢”效应是比较弱的，这应该算是由于石坝面板错台具有较强的保护作用。而随着地震幅度的加强，石坝面板错台模型的保护作用就越发被减弱，再加上场地波和天然地震波等各类地震波的影响加强，使得该模型大坝主要断层面的竖直中心线上的水平加速度效应成倍增长。
最后，在同等幅度地震水平和不同类型的地震影响之下，整个面板堆石坝面板错台模型在各结构方面所表现出来的加速度反应会随着高度和宽度的不同而出现明显的水平差异。在地震波当中的规范正弦波作用下的大坝在遭受地震影响时，其加速度反应是最为强烈的，因为在本次试验过程当中，对正弦波的频率设定为40Hz，这十分接近模型大坝结构的共振频率，所以大坝在近乎共振的情况下，加速度反应十分强烈。而在天然地震波的作用下，整个大坝体系在加速度水平的反应方面也是比场地地震波要高很多的。所以我们认为：随着地震强度的不断增加，大坝整体的加速度反应水平也会成倍数增长，但是加速度的放大倍数却是逐渐减弱的。这应该是由于面板堆石坝内部的堆石体材料经过动力变形之后所展现出来的非线性特质所导致的结果[3]。
4 结论
从总体上来看，面板堆石坝当中的钢筋混凝土面板，以及设立在狭窄的河道转弯古地形条件下的大型水坝拥有其自己的较为特别的几何形态，而正是这种几何形态使得在地震来临时有效地影响了整个大坝所表现出来的加速度反应水平和分布情况。不过，石坝面板错台模型的存在，让大坝顶区的加速度反应得以减弱，也有效地保护了上游大坝坡不被高强度的加速度反应水平所破坏。
另外，地震的类型和地震的强度都能够对大坝内部和外部所表现出来的加速度反应水平以及分布情况产生重大影响。在规范的正弦地震波作用下，大坝顶部的加速度反应非常明显，随着地震所带来的加速度峰值的不断增加，大坝内部和外部的加速度反應在放大倍数方面得到不断减小。
【参考文献】
【1】唐旺.地震作用下混凝土面板堆石坝风险等级及风险预警机制研究[D].西安：西安理工大学，2020.
【2】孔宪京，屈永倩，邹德高，等.强震作用下面板堆石坝跨尺度面板开裂演化分析[J].岩土工程学报，2020，351（06）：17-18.
【3】张鸥，戴寿晔，李晓娜.不同模型参数对面板堆石坝应力变形的影响研究[J].水利水电技术，2019，50（04）：95-101.
