土石坝抗震研究的国内外研究现状及现实意义

土石坝抗震研究的国内外研究现状及现实意义摘要：随着生产和经济的不断发展、人口的不断增长，水和电的需要量都在逐年增加；而科学技术和设计理论的提高，又为水利工程特别是特大型水利水电工程的发展提供了有利条件，一大批的高坝大库型水利水电工程正在或已经兴建。土石坝是当今世界水利水电工程建设中最常见的一种坝型，也是世界水利水电工程界发展最快的一种坝型。对地震区的土石坝进行抗震设计并对其安全性做出评价具有十分重要的意义。关键词：水利水电；土石坝；抗震1土石坝的发展随着生产和经济的不断发展、人口的不断增长，水和电的需要量都在逐年增加；而科学技术和设计理论的提高，又为水利工程特别是特大型水利水电工程的发展提供了有利条件，一大批的高坝大库型水利水电工程正在或已经兴建。从国外看，近几年来大水库、大水电站和高坝在逐年增加，出现了一批库容在1000亿m3以上的大水库，其中，最大的是乌干达的欧文瀑布，总库容为2048亿m3；100m以上的高坝，1950年以前仅42座，现今已建和在建的有400多座。如此多的高坝大库，一旦失事，后果不堪设想。土石坝是当今世界水利水电工程建设中最常见的一种坝型，也是世界水利水电工程界发展最快的一种坝型。全世界超过15m的土石坝有3万多座，而在我国，各种坝高的拦河坝有86000多座，其中土石坝占95%以上[1][2]。到目前为止，我国已建库容在10万m3以上的水库达85000多座，高度在15m及以上的大坝有18600多座，其中土石坝占90%以上。土石坝主要包括均质土坝、心墙坝和混凝土面板堆石坝等[3]。早在19世纪末，国外的水力冲填坝就己经开始起步和发展，到1900年，国内外土坝总数还不超过116座，最高坝高仅61m.随着固结理论[4]5][6]、击实原理[7]、有效应力原理[8]等的形成，以及碾压机械、原位观测、施工工艺、水文学先后得到应用，世界各地的土石坝建设得到了迅速发展。20世纪50年代以来，随着大型碾压设备如振动碾的出现以及电子计算机在水利水电工程设计中的应用，各种粒径的土、沙、砂砾石、石渣都能方便的碾压密实，土石坝的高度越来越高，数量也迅速增加[9]，据统计，至80年代末期，世界上已建和在建的百米以上的高坝中，土石坝的比例已达到75%以上。但在同一时期，我国已建的八万余座土石坝中百米以上的高坝仅有3座。我国高土石坝在坝工建设中所占的比重较小，其主要原因是：现有的可以修建高坝的地方坝址处河谷狭窄，洪水流量大，修建土石坝时，为布置泄洪和施工导流所需的工程量很大，造价较高，且同时期中国在技术上远远落后于发达国家；而且坝址处的地质条件有比较好，修建混凝土坝（重力坝和拱坝）具有更大的优越性；其次，过去对防渗体（心墙）土料的选择，主要局限于粘性较大的细粒土，防渗体土料的来源成为最主要的问题，且施工要求偏严格，单价相对较高；第三，缺乏大容量、高功效的施工机械，在当时的工业技术水平下生产出来的国产机械无论在质量还是性能方面，与世界先进水平相比均有较大的差距，现场的维护保养和施工组织管理水平也不高。随着我国能源和水利水电建设事业的发展，大型水利水电工程将日益增多，而水力资源丰富的黄河上游、长江中上游干支流、红水河等建坝地点，大多处于交通不便、地质条件相对更加复杂的地区，自然条件相对更加恶劣，施工困难多，就地取材的修建土石坝具有更强的适应性。因此，国家十分重视因地制宜，积极推广和发展高土石坝的建设。随着经济和技术的发展、工业技术水平的提高、施工工艺的进步，到目前为止，仅我国坝高超过100m的土石坝多达几十座，其中水布娅、苗家坝、糯扎渡等坝高达230m以上[10]。而从20世纪60年代以来，由于振动碾的出现，使抛填堆石面板坝发展成碾压堆石心墙坝，在取得碾压堆石心墙坝与低混凝土面板碾压堆石坝的基础上，土石坝建设中又兴起了新的分支即混凝土面板堆石坝[11]，混凝土面板坝与心墙坝相比，具有坝体断面小，安全性好，施工受气候影响小等优点。因此混凝土面板坝在国内得到迅速推广，但由于高混凝土面板坝堆石体后期变形大，常给面板稳定及应力应变状态造成不利影响，高坝相对较少，国内最高的面板坝为232m的水布娅面板坝。相比之下，在坝型选择方面，由于土石坝设计理论和施工技术的不断改进以及先进的大型施工机械的采用，高心墙坝由于其防渗性能好、坝体断面小节省材料、后期变形较小等更为设计部门亲睐。己建、在建和正在规划设计中200m以上的高土石坝多为心墙坝，如目前世界上著名的高坝有前苏联的罗贡坝（Rogen）,努列克(Nurek)，坝高分别为325m,300m，拟建的伊兰谷坝，坝高为369.4m.加拿大和美国为北水南调拟建的两座土石坝，其高度分别为464m和476m,国内的双江口水电站、糯扎渡水电站，坝高分别为320m,261.5m。心墙坝被广泛采用并不断发展与其突出的优点是分不开的[12].（1）坝体由土质或沥青混凝土防渗体及若干透水性不同的土料分区所构成，筑坝材料就地取材，可节省大量钢材、水泥、木材等建筑材料。（2）适应地基变形能力强。其散粒体结构能较好地适应地基的变形。（3）施工方法选择灵活性大。能适应不同的施工方法，从简单的人工填筑到高度机械化施工都可以:且工序简单、施工速度快，质量也易保证。（4）结构简单、造价低廉、运行管理方便、工作可靠，便于维修加高。可见，土石坝工程适应性强，在不良的地形、地质和气候条件下，有较大的优越性;在缩短工期，降低造价，节省劳力、三材和对外交通运输等方面也有明显的优点。回顾我国土石坝的发展历程，大致可以分为三个阶段[13][14]第一阶段从1949年到1958年，这时正处于国民经济的恢复时期，新中国百废待新，这一时期主要以治水为目的修建了一些土石坝。其坝高都在50m以下，坝型多为均质土坝或粘土心墙砂砾石坝。由于施工机具的限制，在这一时期堆石坝没有得到发展。当时唯一的一座堆石坝是四川狮子滩工程，是混凝土重力墙式的人工抛填堆石坝。第二阶段从1958年大跃进开始至70年代中期。全国各地掀起建坝高潮，高坝水库比比皆是。很多坝高达到100m，坝型还是以均质土坝及粘土心墙或斜墙的砂砾石坝为主。第三阶段70年代中后期以后至今，国家确立了以社会主义经济建设为中心的总方针，使我国土石坝建设有了突破性的进展，坝高发展至200m以上，坝型以碾压式为主，高土石坝中尤以土质心墙堆石坝和混凝土面板堆石坝为主要坝型。而高心墙坝由于其所具有的突出优点仍是开发商及坝工设计部门的首选，在这一时期沥青混凝土及土工合成材料防渗体开始使用，沥青混凝土心墙坝也以其突出优点开始得到建设者们的青睐，沥青混凝土心墙坝得到了快速发展。2土石坝抗震的国内外研究现状随着水利水电事业的发展，目前规划和在建的一些工程由于其地理位置导致的地质复杂性，高土石坝就成了所有坝型中的最受欢迎的；随着筑坝高度的不断增加堆石料长期变形问题、震害机理问题、抗灾措施研究、地震反应分析方法等问题显得非常重要【15】。在土石坝筑坝材料性质的研究方面，经过国内外学者多年的研究工作，已经取得了较多成果，积累了较为丰富的资料。特别是随着高坝建设的发展，尤其是强震区高堆石坝和面板堆石坝建设的发展，人们对高应力水平下堆石料、过渡料、风化料、砾石土等粗粒料的动力特性开展了深人的研究工作，尤其是通过“七五”、“八五，及“九五’，科技攻关，在高土石坝坝料的动力特性和测试方法方面取得了一系列研究成果[16]随着工程建设的需要，还需进行更深人的研究工作、如复杂应力及大应变条件下的动力本构模型及残余变形特性等都需要做进一步的研究工作。在室内试验的基础上，联合现场原位试验（包括现场原位波速和动力旁压试验等）手段研究土石料工程力学特性和确定计算参数，具有重要的科学意义及应用前景。