坝工纵谈-努列克坝的抗震加固措施及特点

努列克坝坝区为地震多发性强震区，基本烈度为9度。为此，本工程对高土石坝的抗震问题做了很多论证工作，包括坝区地震重现期的分析等。同时对坝体的抗震加固措施进行了缜密的研究，主要加固措施是在坝体内采用“加筋土”，这是努列克坝坝体结构的一大特点。

众所周知，土的抗剪强度较低，土石坝的破坏大多属剪切破坏，因此，土的抗剪强度是土石坝稳定的关键因素。而加筋土在堤高土体抗剪强度方面有着明显的效果。从作用机理上看，由三轴试验获知，对无粘性土料（粘聚力c＝0）进行加筋后，所形成的“复合土”可以产生一种所谓“拟粘聚力”（pseudo cohesion）cp，如图4所示，因而提高了土体的抗剪强度。此外，在对加筋土坝体进行稳定分析时，也可明显地看到，加筋件对滑动体增加了抗滑力矩T·d（T为加筋件产生的拉力），因而提高了坝体抗滑稳定安全因素（图5）。努列克坝就在上游坝体内于855m、876m和894m高程，下游坝体内于894m高程，以及在坝顶下912m高程等处设置了加筋抗震层（图6），以提高坝体土料的抗剪强度，增强地震时坝体的稳定性。

图4　无粘性土加筋后的三轴试验结果

图5　加筋件在抗滑稳定分析中的作用(www.xing528.com)

努列克坝加筋土采用的加筋件是钢筋混凝土抗震梁板，每组梁板由两排相距5m、垂直于坝轴线铺放的钢筋混凝土板，和嵌在钢筋混凝土板间、间距13m的钢筋混凝土“┻”形梁组成。板的尺寸为10m×2.6m×0.6m，┻形梁的长度为10m，高2m（坝面处为3m），宽3m。梁、板间用柔性钢系杆连接，并填以碎石，碎石一直填至梁系统顶部以上1m左右。各组梁板的间距为15m。这种梁板系统与坝体土料的相互作用是通过填筑的堆石达到的。这层堆石体还可起到排水作用，用以迅速降低地震时产生的孔隙水压力。努列克坝还特地用比尺1∶400的模型做了震动试验。试验结果表明，“加筋土”不仅改善了坝体的应力应变状态，还提高了坝体的强度，减少了坝坡地震残余变形。坝坡内的3处加筋层都承受拉应力，说明加筋件确实起到了加筋作用，即约束坝体土料拉伸应变的作用。在大坝运行期间还为此做了监测工作，分别在上游坝体的3处加筋层中埋设了37个钢筋测力计。从1978～1985年的实测结果获知，所有梁板系统均承受拉应力，与前述模型试验结果相同。理论与实践都证明，加筋土具有较强的耗散振动能量的特性，可提高加筋土工程的抗震能力。据报道，日本阪神在一次地震中，不少用常规设计的挡土墙遭到了破坏，而加筋土挡土墙却完好无损。努列克坝在1978～1985年内，经历了烈度为5度的多次地震，在这些地震中，梁板系统的应力状态未发生明显变化。努列克坝加筋抗震层的总造价为450万卢布；如不用加筋抗震层，而用放缓坝坡到1∶2.5或1∶2.6的办法达到同样坝体稳定的效果，则所增加的填方造价为3000万卢布，故实际节省了2550万卢布。

图6　努列克坝的抗震梁板系统（单位：m）（引自郭诚谦等《土石坝》）

应指出的是，在20世纪60年代之后，加筋土设计和加筋材料都得到很大发展，现在一般都不用钢筋混凝土做加筋件了，而用先进的土工合成材料特别是高强土工格栅做加筋件。

努列克坝坝体结构的另一特点是在心墙底部设置有混凝土垫座。因为坝基岩石裂隙较发育，透水性较大，粉砂岩又易于风化，为避免在心墙下产生渗透破坏，除进行了固结灌浆和帷募灌浆外，还设置了混凝土垫座，如图3所示。