基于离心机振动台模型试验的面板堆石坝地震响应的研究背景

混凝土面板堆石坝（下文中简称“面板堆石坝”）是一种以颗粒性人工级配堆石体为主要承载体系、混凝土面板为防渗结构的土石坝型，因其施工简便、建设周期短和工程造价低等优点，面板堆石坝广泛应用于国内外水利水电工程中。我国面板堆石坝建设在1980年代后迅速发展，目前在规模、坝高和技术难度等方面均居于世界坝工建设的前列，已建成约300座面板堆石坝，约占世界已建面板堆石坝总数的50%，坝高达到100 m的有80余座，包括坝高233 m的世界最高面板堆石坝——水布垭坝。在这些水库大坝中，有相当数量的坝高接近或超过100 m的高面板堆石坝建于强震区。

例如，坝高93 m的四川大桥面板堆石坝坝址基本地震烈度为Ⅷ度，按Ⅸ度设防；坝高123.5 m的青海黑泉面板堆石坝坝址基本地震烈度Ⅶ度，按Ⅷ度设防；坝高157 m的新疆吉林台水库面板堆石坝位于地震烈度Ⅷ度的强震区，按Ⅸ度设防；坝高163.5 m的宁夏大柳树面板堆石坝设计地震动峰值加速度0.24g（g为重力加速度），地震烈度相当于Ⅷ度；在建的坝高247 m的大石峡面板堆石坝设计地震动峰值加速度为0.394g，校核地震动峰值加速度高达0.477g。随着我国西南、西北等强震区水电资源的开发，未来将有更多的高面板堆石坝建于地震烈度达到甚至超过Ⅷ度的场地，这无疑对面板堆石坝的抗震设计带来了巨大挑战。因此，深入研究面板堆石坝地震响应的重要性和迫切性越来越突出。

与土坝相比，面板堆石坝坝体内堆石体处于饱和度较低的状态，地震过程中不易发生超静孔隙水压力持续累积进而导致堆石体强度降低直至液化的现象，但是，面板堆石坝在材料组成上表现出高度的非同质性，面板可近似为连续均质材料，而堆石体为离散颗粒材料，在地震作用下堆石体变形极易造成面板损坏等破坏。历次地震中面板堆石坝发生局部损伤的情况有发生。

2008年汶川8.0级地震中，紫坪铺面板堆石坝发生明显局部损伤，包括：最大断面下游坝坡坡顶附近发生近1 m的震陷；大坝上游坝顶发生约20 cm的向下游侧的水平位移；坝顶路面及坝顶下游人行道开裂；面板间施工缝明显错台；面板结构缝挤压破坏；面板大面积脱空；面板周边缝明显变位；渗漏量一定程度的增加。考虑到汶川地震时该坝体上游库区水位比正常蓄水位低48.35 m，正常蓄水情况下坝体的震损情况有可能更为严重。

针对面板堆石坝地震响应研究主要基于数值模拟、普通（即1g条件下）振动台模型试验及离心机振动台模型试验等方法。近年来，数值模拟中考虑的因素更为全面，包括基岩地震动类型、地震动沿“坝体-坝基”接触面的空间分布、堆石料的应力历史等因素，取得了良好的模拟效果，极大地提升了对面板堆石坝地震响应的认识水平。
但是，鉴于确定合理的岩土材料本构模型与相关参数的复杂性与挑战性，一些数值模拟结果仍需在普通振动台模型及离心机振动台模型试验中进一步验证。普通振动台模型试验研究主要包括：
（1）通过对比试验，分析库水深度、地震动方向和先期地震动等因素对面板堆石坝地震响应的影响；

（2）观测坝体的破坏形态。
 

该方法在一定程度上能够定性地模拟出实际坝体的动力行为，但由于模型应力水平与原型坝体差异极大，应用普通振动台模型试验结果开展定量分析难度较大。利用离心力，离心机振动台模型试验能够保证模型与原型应力水平和动力特性的相似性，在研究地震破坏机理、工程结构抗震设计和对数值模型进行验证等方面具有一定的优越性。表1汇总了国内外离心机振动台模型试验参数。整体而言，基于离心机振动台模型试验的研究较少，所得试验数据较为有限，鉴于激励波幅值、频率、波形、持时及先期地震动等因素对坝体动力响应的影响，试验数据的不足制约了对相关规律适用性的验证。王年香等、程嵩等、Kim等探究了竣工期、蓄水期坝体的加速度放大效应、加速度响应的分布规律及变形模式。然而，以上试验针对地震过程中面板应力演进规律的研究较为不足，未给出面板内、外表面应力的演进规律。为此，本文基于中国水利水电科学研究院离心机振动台，开展一系列面板堆石坝地震响应的模型试验，重点探究地震过程中面板应力的演进规律及破坏形态，试验研究竣工期、蓄水期两种工况，输入的激励波波形包括规范波及长持时规范波，台面原型水平峰值加速度（PGA）范围为 0.23g ～ 0.46g，原型 Arias 强度范围为 1.3 ～ 13.8 m/s。研究成果将为完善面板堆石坝的抗震设计、优化抗震加固措施提供一定的理论基础与技术支撑。