特约稿件
我国高土石坝抗震安全研究进展
摘要：土石坝在我国水利水电工程中被广泛采用，近年来建成了一批高土石坝工程，不少位于高地震烈度区，其抗震安全一直是社会和业界关注的重点。由于地震传播和土石材料的复杂性，高土石坝抗震安全也是科学研究的难点和热点。通过大量研究和工程实践，我国在高土石坝抗震安全及工程措施方面取得了一系列研究成果。本文着重从高土石坝抗震研究和建设实践出发，概要总结我国高土石坝的抗震设防标准、安全评价准则及计算分析方法、抗震工程措施等方面的研究成果和技术进展。
关键词：高土石坝 抗震安全 抗震工程措施 技术进展
1 引言
土石坝因其就地取材、适应性好等优点，在我国水利水电工程中被广泛采用。近年来，随着水利水电行业的快速发展，我国土石坝建设也取得了很大成就。根据我国《碾压式土石坝设计规范》（DL/T 5395—2007）的定义，坝高超过100m的土石坝可称为高土石坝。我国高土石坝工程一般为采用现代碾压技术的分区土石坝，防渗体可分为土心墙、混凝土面板、沥青混凝土心墙或沥青混凝土面板等，坝壳料一般为堆石料或砂砾石料。据不完全统计，截至2015年底，我国已建成坝高超过100m的高土石坝工程84座，其中面板堆石坝68座，土心墙堆石坝15座，沥青混凝土心墙堆石坝1座。我国已建最高的面板堆石坝为水布垭水电站大坝，坝高233m，也是世界最高的面板堆石坝；最高的土心墙堆石坝为糯扎渡水电站大坝，坝高261.5m；最高的沥青混凝土心墙坝为冶勒水电站大坝，坝高125.5m。
由于水资源配置需求，我国尚需在西部地区建设一批高坝大库工程，其中有不少挡水建筑物为高土石坝。比如，2016年底蓄水的猴子岩水电站面板堆石坝和长河坝水电站心墙堆石坝，正在建设的两河口水电站和双江口水电站心墙堆石坝，坝高分别为223.5m、240m、295m、314m；规划建设的如美心墙堆石坝、古水面板堆石坝、茨哈峡面板堆石坝等超高坝工程，坝体分别高达315m、242m和257.5m。这些工程有不少建设于高地震烈度区，其抗震安全性一直是社会以及水利水电行业关注的重点问题。由于地震动作用、土石材料的复杂性，高土石坝的抗震安全也一直是行业关注的难点问题和科学研究的热点问题，这方面也取得了大量研究成果［1-3］。
本文对抗震设防标准、安全评价准则及计算分析方法、抗震工程措施等方面的主要成果进行简要总结，以期为高土石坝抗震设计研究和建设实践提供参考。
2 高土石坝抗震设防标准
2.1 我国现行抗震规范及相关规定
我国现行《水电工程水工建筑物抗震设计规范》（NB/T 35047—2015）规定，一般水工建筑物采用场地地震基本烈度设防，即以基准期50年超越概率10%的地震动参数作为设计地震动参数；而设防类别为甲类的壅水建筑物以基准期100年超越概率2%的地震动参数作为设计地震动参数。相应的性能目标为：允许局部损坏，经一般修复后仍可正常运行。
2008年汶川特大地震后，我国更加重视水电工程的抗震安全评价工作，水电水利规划设计总院2008年制定的 《水电工程防震抗震研究设计及专题报告编制暂行规定》，对水电工程抗震专题设计和专题审查进行了规定，并要求不仅在设计地震工况下需保证结构强度安全性和整体稳定性，对1级挡水建筑物和复杂地震地质条件的2级挡水建筑物，还应考虑抵御超设计地震情况下的结构整体安全性，即分析校核地震工况下的结构整体稳定性。甲类建筑物采用基准期100年超越概率1%或最大可信地震 （MCE）的地震动参数进行校核，相应的性能目标为 “不溃坝”。对特别重要的挡水建筑物，还应研究极限抗震能力和地震破坏模式。
2.2 国内外高坝抗震标准对比分析
高坝抗震设防标准主要受以下几个因素影响：工程重要性、地区经济发展程度、工程区地震强烈性和地震的不确定性等。工程越重要，失事造成的后果越严重，则设防标准越高，重现期也越长；工程影响区域经济越发达，一般采用的地震重现期也越长；地震活动性强的国家和地区，设计重现期可能适当缩短，反之在弱震国家和地区，则设计重现期可能适当加长。
据统计，国外一些国家主要采用不同重现期地震参数进行抗震设防。比如，智利地震活动性强烈，重现期800年的地震峰值加速度（PGA）大于0.5g；意大利重现期2500年的PGA为0.6g；英国地震活动性较弱，重现期3000年的PGA为0.375g；瑞士重现期10000年的PGA约为0.5g。我国多数高坝所在的西南地区，重现期5000年的PGA一般为0.3g～0.4g，重现期10000年可达0.4g～0.5g，有的甚至超过0.6g。
通过国外与我国的高坝抗震设防标准对比发现，国外主要采用运行期基本地震（OBE）和安全设防地震（SEE）两级设防，而我国高坝则对SEE分设计安全设防地震和校核安全设防地震两级，对OBE则不予控制。高坝大库一旦受震失事，次生灾害对社会造成的损失远大于工程本身，严重威胁公共安全。而我国既是一个地震多发国家，又是世界上修建大坝最多的国家。因此，我国抗震规范对重要大坝地震设防水准的要求相对比较严格，甲类设防的大坝接近于国外多数国家MCE的水平，而其性能目标又和国外OBE的要求接近。
综上，我国建立大坝抗震设防水准的原则与国外基本一致，但甲类高坝的抗震设防水准和性能目标要求相对较为严格。我国大坝抗震设防标准是基于震害实际、工程实践和科研成果等综合确定的，符合我国高坝数量大且多分布于强震区的实际情况。
3 高土石坝抗震安全评价准则及分析方法
3.1 抗震安全评价内容
根据大量水电工程震损调查及分析［4］，高土石坝抗震安全需重点关注下列震害现象：
（1）滑动失稳，主要指地震作用下坝坡整体或局部失稳滑动。
（2）永久变形，即土石坝在地震作用下的沉降与水平位移。
（3）裂缝，即土石坝在地震作用下产生的纵向、横向或其他形状的裂缝。从土石坝抗震安全角度来看，应重点关注滑动裂缝（滑裂面）、贯穿土质防渗体或混凝土面板的裂缝等。
（4）坝基土层地震液化及其引起的滑动、坍塌等。
（5）防渗体系功能的损坏，包括土质防渗体贯穿裂缝（滑裂面）、混凝土面板裂缝或损坏、接缝止水结构变形过大或损坏等。
3.2 安全评价准则及计算分析方法
针对高土石坝抗震安全评价的主要内容以及地震作用下的坝坡稳定、坝体变形、坝基土层液化、防渗体断裂、极限抗震能力降低等的评价准则，常用的计算分析方法有以下几种：
（1）坝坡稳定分析方法及安全判断标准。拟静力法坝坡稳定分析是现行抗震规范规定的基本方法，其安全判断标准为：坝坡抗震稳定的作用效应不大于抗力效应。拟静力法概念简单，在我国土石坝抗震设计中得到广泛采用，但对于高地震烈度区的高土石坝，在进行拟静力法计算的同时应进行动力计算，以便对工程抗震的安全性作出综合判断。
坝坡动力稳定分析，即利用各个时刻的动应力和加速度进行瞬时稳定分析，得出各滑动面安全系数随时间的变化规律，并视其极小值是否小于某一标准来评价滑动破坏的安全度。安全评价标准为：（Fs）min＞［Fs］，其中［Fs］为安全系数的允许值，安全系数极小值（Fs）min可利用数学规划法来求解。
Newmark滑块分析法可用于计算土石坝在地震作用下产生的永久滑动位移，据此评价坝坡的动力稳定性。该方法的思路是：将可能出现滑动的土体类比于平面刚性滑块，块体和平面之间采用刚塑性接触；滑块受到的地震惯性力与加速度相关，而滑动面上抵抗力则采用临界加速度或屈服加速度表示，当滑块加速度超过该临界值时，滑块开始滑动，直至惯性力反向后滑动停止；对加速度超过屈服加速度的部分进行二次积分就可计算出滑块的位移。
数值分析方法包括有限元法、差分法和离散单元法等，其中最为常用是有限元法。有限元法可以根据边坡的位移场、应力场、塑性区等计算结果来间接评价坝坡稳定性，或根据应力场利用极限平衡方法计算稳定安全系数。
此外，地震作用下坝坡稳定分析还可采用地震滑动危险度法和临界滑动面法。
（2）坝体变形评价准则及分析方法。在地震作用下，除坝顶一定区域的坝坡表面出现鼓胀、松动现象外，高土石坝宏观上呈现“震缩”，即整体上产生震陷。地震作用导致的大坝变形主要有两个影响：一是造成坝顶高程降低，增加库水漫顶的风险；二是过大变形导致防渗体开裂，引起严重渗漏、渗透破坏或冲刷破坏的风险。根据工程经验和实际震害资料总结分析，对于采用重型碾压机械压实的现代土石坝和堆石坝，允许震陷率一般不应超过1%～2%，坝高100m以下可以取高限，坝高100m以上的高土石坝一般取低限值1%。
常用的土石坝动力反应分析方法主要有简化分析方法（剪切楔法）、集中质量法和数值分析方法（以有限元、有限差分为主）。其中，数值分析方法最为常用。根据计算中对动荷载的处理方式，土石坝地震反应分析可分为拟静力分析和动力反应分析。根据动力本构模型不同，可分为基于等价黏弹性模型的等效线性分析方法和基于弹塑性模型的真非线性分析方法等。从是否考虑孔隙水压力的角度，可分为总应力法和有效应力法，而有效应力法又可分为排水有效应力法和不排水有效应力法。
（3）液化破坏标准及分析方法。高土石坝的坝壳材料主要为堆石料或砂砾石料。若大坝建基于深厚覆盖层上，覆盖层中可能存在可液化土层，液化区位置或液化区达到一定范围时则会发生液化破坏。常见的液化破坏判别方法有动孔隙水压力判别法、抗液化剪应力比判别法和动抗剪强度判别法。
1）动孔隙水压力判别法：根据地震产生的动孔隙水压力u与该部位的上覆压力σ（σ=γh）的比值，即孔隙压力水平Dl进行判断。一般认为，Dl≥0.9为液化区，0.5＜Dl＜0.9为可能液化区。
2）抗液化剪应力比判别法：即Seed和Idriss提出的估计砂土液化势的方法，可在土石坝坝基土层液化的初步评价时采用。该方法将地基土的抗液化剪应力比与该部位地震引起的最大动剪应力比的比值，定义为抗液化安全系数。若抗液化安全系数大于1，则该部位不会液化，反之则发生液化。
3）动抗剪强度判别法：定义抗震液化安全系数Fe是材料动强度τf与地震时潜在破坏面上总剪应力τ的比值，若Fe＞1.0，则该部位不会发生动力失效或地震液化。
（4）防渗体断裂判断方法。土石坝的破坏多由于防渗体失效而引起，面板、土质防渗体的断裂是地震破坏的主要类型之一。断裂破坏可采用应力判断和变形判断。采用应力判断时，分别采用压应力和拉应力进行评价，包括拉裂与压裂两种破坏模式。采用变形判断时，则根据永久变形计算结果并采用“倾度法”等经验方法分析产生裂缝的可能，多用于土质心墙堆石坝中。
（5）高土石坝极限抗震能力分析。高土石坝地震破坏模式包括坝坡失稳、震陷量过大以致库水漫顶、基础覆盖层中砂层液化导致坝体失稳、防渗结构严重破坏以致渗透失稳等。目前，高土石坝极限抗震能力尚未形成统一的评价标准。一般认为，可针对上述几种破坏模式进行以下分析评价：
1）坝坡稳定抗震极限分析。采用拟静力法时，如果坝坡整体稳定安全系数Fs＜1.0，则可认为坝坡失稳；采用有限元时程分析法时，地震过程中如果Fs＜1.0的时间累加起来超过一定时间，比如2s，则坝坡失稳。
2）坝体震陷率。坝体震陷可能导致坝体和防渗结构裂缝，以及坝顶超高不足而带来库水漫坝失事。大量震害资料及分析表明，高土石坝抗震极限分析时取震陷率破坏标准为不大于1%基本合适，但该标准尚需进一步研究。
3）坝基土层液化。根据上文所述，可采用孔压法、抗液化剪应力比判别法等来评价坝基覆盖土层液化的可能性，并分析土层液化是否导致坝坡整体失稳。
4 高土石坝抗震工程措施
4.1 高土石坝抗震薄弱部位与薄弱环节
根据国内外高土石坝地震灾害调查分析，地震危害主要表现为坝顶及坝体沉陷、坝体开裂和坝坡失稳。在软岩地基和覆盖层地基上的土石坝，还表现出地基透水性增加、局部地基渗透破坏和地基失稳。高土石坝的地震薄弱部位通常是指坝基地质缺陷部位、坝坡以及大坝坝顶建筑物。
研究表明，大坝震后永久变形相对较大，与主震历时长、等效振次高以及较小的震中距，使得坝址基岩垂直向加速度反应偏大密切相关；堆石体震缩产生的永久变形导致混凝土面板的顶部出现脱空现象，混凝土面板横缝、水平缝发生挤压、拉伸和剪切破坏。坝顶建筑物包括防浪墙、大坝下游坝坡表面出现剪胀效应，坝体上部滑块易于震动滑落，或出现较大残余变形。总体而言，筑坝堆石料在地震过程中具有振动硬化特性;且现场原级配堆石体的最大动剪模量高于室内试验值，其动剪模量随动应变的衰减程度也有所降低，表明面板坝具有优良的抗震性能。
4.2 坝体抗震工程措施
（1）适当放缓大坝上部坝坡。对于强震区高土石坝工程，一般宜在顶部约1/4～1/5坝高区域适当放缓坝坡，必要时设置马道。
（2）坝料及压实度。由于“鞭梢”效应，强震时高土石坝的坝顶区动力响应较大。良好的压实质量是提高其抗震稳定的重要措施。此外，在坝顶区和坝坡表面采用大粒径填筑料，可增强颗粒间的嵌固作用，提高坝料的抗剪强度，有助于提高坝顶区的抗震性能。我国高土石坝的坝坡通常采用干砌或浆砌块石进行护坡。
（3）适当加大坝顶宽度。地震时，坝顶加速度往往有所放大，坝顶区域有发生坡面滑动的可能，为不危及整个坝顶区抗震安全，坝顶应具有足够宽度，且强震区应适当加宽。糯扎渡水电站心墙堆石坝和在建的300m级双江口水电站、两河口水电站心墙堆石坝坝顶宽度分别为18m、16m和16m，均在规范规定的10～15m基础上适当加宽。
（4）抗震加筋措施。我国高土石坝建设中，主要坝坡抗震加筋措施包括埋设土工格栅、铺设钢筋网等。土工格栅的铺设受气候环境的影响小，施工简捷、快速，对堆石坝的填筑强度影响较小。冶勒水电站沥青混凝土心墙堆石坝在约3/4坝高以上的部位采用土工格栅进行加固，其后泸定水电站、长河坝水电站、猴子岩水电站、毛尔盖水电站等多座水电站高土石坝也采用了该加固措施。
糯扎渡水电站心墙堆石坝在坝顶约1/5坝高区域的上、下游坝壳堆石中埋入顺河向不锈钢锚筋，φ20@2.0m×2.5m，L=18.0m；并在相应区域上、下游坝面铺设扁钢网与埋入坝壳内的不锈钢锚筋焊接。
（5）抗震钢筋混凝土框格梁。抗震梁可有效增加坝顶区域坝体的整体性，对坝顶区域坝坡稳定有利。泸定水电站心墙堆石坝就在坝体和坝坡设置了抗震钢筋混凝土梁。
4.3 覆盖层坝基抗震处理措施
深厚覆盖层坝基是高土石坝施工建设常常面临的挑战，近年来我国在深厚覆盖层上建设了大量高土石坝工程。深厚覆盖层上的高心墙堆石坝有长河坝水电站、瀑布沟水电站、毛儿盖水电站、小浪底水电站、狮子坪水电站、泸定水电站等，高面板堆石坝有九甸峡水电站、察汗乌苏水电站、那兰水电站等，沥青混凝土心墙堆石坝有冶勒水电站、黄金坪水电站等。
目前已在深厚覆盖层坝基处理上取得了大量经验。对判定为可能液化的坝基砂层，应采取挖除置换法。在挖除比较困难或很不经济时，可采取人工加密措施。对浅层宜用表面振动压密法，对深层宜用置换振冲、强夯等方法加密，还可结合振冲处理设置砂石桩，加强坝基排水以及采取盖重等防护措施。比如，瀑布沟水电站心墙堆石坝在下游坝脚处增设了60m长的弃渣压重，以提高坝基中砂层透镜体的抗液化安全性；长河坝水电站心墙堆石坝将坝基埋深4~30m范围内厚0.75～12.5m的可能液化砂层全部挖除；狮子坪水电站心墙堆石坝对心墙与下游堆石下部的含碎砾石粉砂层进行了8～15m深的振冲加固处理；龙头石水电站心墙堆石坝对坝基砂层采取了振冲碎石桩处理措施；黄金坪水电站沥青混凝土心墙堆石坝对坝基可能液化砂层采取了基本挖除及设置下游坝坡压重等处理措施。
5 主要结论及展望
我国高土石坝抗震设防标准是基于震害调查分析以及工程实践和大量科研成果确定的，符合我国高坝多且多分布于强震区的实际情况。对比国外主要国家地震设防目标，我国高坝工程的抗震设防标准及性能目标要求相对较为严格。
经过数十年的工程实践和科学研究，高土石坝抗震安全评价体系基本形成，也发展出多种行之有效的抗震工程措施。抗震安全评价主要内容包括地震作用下的坝坡稳定、坝体变形、坝基土层液化、防渗体系断裂等。2008年汶川地震的震害调查分析也表明，按照现代理论和方法以及现行规程规范设计建设的高土石坝是安全可靠的。
由于地震动作用和土石材料的复杂性，高土石坝计算分析和抗震安全评价中仍需大量借助经验判断，如何合理提出定量的评价指标仍是研究难点。比如，目前坝体震动变形安全评价仍主要采用经验的震陷率；大坝地震永久变形分析仍主要采用等效线性分析加经验公式的方法。因此，进一步研究合理实用的本构模型、永久变形计算模式、接触面模拟方法、地震动输入、库水-坝体-地基等的动力相互作用和耦合效应，发展实用的非线性动力分析方法，分析高土石坝地震破坏模式及机理，进而提出定量指标，仍是未来高土石坝抗震安全的研究重点。
参考文献
［1］ 沈珠江，郦能惠.高土石坝动力分析及抗震工程措施研究［R］.南京：南京水利科学研究院，1995.
［2］ 水电水利规划设计总院，清华大学，大连理工大学，等.高土石坝抗震性能及抗震安全研究报告［R］.2012.