平原水庫土石壩的地震動力響應(yīng)敏感性分析

賈雪慧

(上海千年城市規(guī)劃工程設(shè)計股份有限公司，上海200441)

中國是一個地震發(fā)生頻率較高的國家，與其他壩型相比，在絕大多數(shù)地震中土石壩遭受震害的數(shù)量最多，震損程度也更為嚴(yán)重[1]。這是由于土石壩自身特性，在外部作用下壩頂易產(chǎn)生裂縫，裂縫的存在使得土體的強度發(fā)生下降，進而使得滑坡發(fā)生的概率增大[2]。平原水庫多采用均質(zhì)土壩，壩高較低，壩線長，地質(zhì)條件較差且較復(fù)雜，筑壩的土料大多是就地取材，工程性質(zhì)比較差。平原水庫土石壩在運行過程中的常見災(zāi)害包括滲流破壞、滑坡、裂縫、地震災(zāi)害、泥沙淤積等，在地震作用下，這些災(zāi)害往往會進一步擴大，甚至從無到有，有時甚至?xí)卸喾N震害現(xiàn)象同時發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計[3]，中國由于地震造成的水庫垮壩(崩塌)事件共計5起，崩塌水庫5座，其中3座均為平原水庫。眾多的平原水庫都位于人口相對密集的大中城市附近，一旦發(fā)生問題，對人民的生命和財產(chǎn)安全都會造成巨大的威脅。

目前對于土石壩的動力響應(yīng)分析大多側(cè)重于研究壩體的加速度、動位移、動應(yīng)力以及永久變形，對于不同參數(shù)對土石壩地震動力響應(yīng)影響的研究則相對較少[4-6]。因此，本文以某平原水庫土石壩為例，參考相關(guān)文獻(xiàn)[7-8]從筑壩材料、庫水位和地震動輸入3個方面分別選取彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角、水位、地震持時、地震振幅、地震頻譜7個參數(shù)，運用ANSYS和FLAC3D進行數(shù)值模擬計算，分析不同參數(shù)對土石壩地震動力響應(yīng)的敏感程度。

1 計算模型與參數(shù)

1.1 工程概況

某水庫為中型平原水庫，是南水北調(diào)東線工程的重要組成部分，占地總面積達(dá)7.42 km2，總庫容為6 150萬m3，設(shè)計最高蓄水位為12.50 m 。水庫主要工程有：圍壩、供水渠、引水渠、泄水洞、水閘、入庫泵站等部分，圍壩軸線的全長有9 636 m，壩頂高程15.30～15.00 m，壩頂寬7.50 m。圍壩上、下游邊坡坡比均為1∶3，壩基防滲采用薄混凝土防滲墻。

該水庫庫區(qū)地貌上屬沖積-海積平原亞區(qū)，地勢低平，海拔一般在10 m以下，地面高程一般在1～5 m之間。易受海潮影響，由于海水浸漬，多濕洼地，土壤鹽漬嚴(yán)重。氣候?qū)儆跍貛駶櫦撅L(fēng)型大陸性氣候，多年平均氣溫12.5℃。

據(jù)地震歷史記錄資料，該區(qū)共發(fā)生5級以上地震20次。壩址區(qū)的地震動峰值加速度為0.10 g，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ度，場地土類型為中軟土，場地類別為Ⅲ類，地震動反映譜特征周期為0.65 s。

1.2 計算模型

由于圍壩較長，為便于分析和模擬，本文模型壩體取典型斷面處50 m長壩段進行建模和計算。模型計算范圍在上游、下游、地基方向分別取100、100、50 m。模型上下游兩側(cè)地基的邊界施加順?biāo)鞣较虻乃郊s束，模型前后兩面施加垂直于水流方向的水平約束，地基底面施加固定約束，其余坡面為自由面。模型壩體迎水面和背水面均采用水頭邊界條件，地基底部和模型前后兩面采用不透水邊界，地基的左右兩側(cè)采用流量邊界條件。

本文采用ANSYS建立平原水庫的圍壩模型，然后將模型導(dǎo)入FLAC3D進行計算。為了便于分析土石壩地震作用下的動力響應(yīng)情況，在土石壩的不同位置設(shè)置了10個監(jiān)測點，見圖1。

圖1 壩體模型及監(jiān)測點位置

1.3 計算原理

連續(xù)介質(zhì)三維快速拉格朗日分析(簡稱FLAC3D)是近年來廣泛使用的一種基于三維顯式有限差分法的數(shù)值分析方法。本文計算即采用FLAC3D的動力非線性分析方法，該方法是遵循每一個單元的實時變化來進行計算的，若采用了合適的非線性準(zhǔn)則，則能自動模擬阻尼系數(shù)和剪切模量隨應(yīng)變水平的變化。本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型，能較好地模擬地震時壩體發(fā)生的塑性剪切變形，模擬土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及其非線性特點[9]。與常用的等價線性動力分析方法相比，F(xiàn)LAC3D的動力非線性分析方法的優(yōu)點主要是：可以選擇其自帶的任何一個非線性本構(gòu)模型，其參數(shù)對應(yīng)靜力本構(gòu)模型的參數(shù)，但是要設(shè)置恰當(dāng)?shù)淖枘嵝问健?shù)和邊界條件等，才能保證動力計算的正確性[10]。

FLAC3D提供了3種不同的阻尼形式讓使用者選擇，包括瑞利阻尼、局部阻尼和滯后阻尼。本文采用局部阻尼進行動力計算。局部阻尼系數(shù)可由下式求得：

αL=πD

式中D——臨界阻尼比，其范圍一般是2%～5%，本文取D=2%，則αL=0.062 8。

在FLAC3D的動力反應(yīng)分析計算中需要選擇合適的模型邊界條件，若邊界上存在波的反射則會影響動力分析的準(zhǔn)確性。在對土石壩進行動力分析時，需將壩體側(cè)面的邊界條件設(shè)置為沒有地面結(jié)構(gòu)時的自由場運動，本文即采用自由場邊界條件，同時將模型的底面邊界設(shè)定為靜態(tài)邊界條件，這樣就可以消除地震波在模型底面邊界上的反射，使得動力計算的結(jié)果更加精確。施加動力邊界條件后原先的靜力邊界條件就會被程序自動去除。

1.4 計算參數(shù)

表1 圍壩的材料力學(xué)參數(shù)

1.5 地震動輸入

動力計算時較理想的地震波是采用工程所在場地的實際地震記錄，但本工程無實際強震記錄可供使用，因此，考慮選擇典型的過去強震記錄進行計算。壩址區(qū)的場地類別為III類，故選用目前實際工程中應(yīng)用較多的第三類場地地震波——寧河地震記錄[11]，其水平加速度峰值為0.1 g。截取地震記錄最強烈部分，并使用Seismo Signal對地震波進行濾波和基線校正的處理，地震動輸入位置為底邊界，水平輸入。

2 土石壩動力響應(yīng)分析

2.1 計算方案

從筑壩材料參數(shù)、庫水位和地震動輸入3個方面分別選取彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角、水位、地震持時、地震振幅、地震頻譜7個參數(shù)進行動力響應(yīng)分析并建立以下計算方案，見表2。

表2 計算方案

注：峰值加速度的調(diào)整采用比例法

2.2 計算結(jié)果分析

a) 彈性模量對平原水庫土石壩的地震動力響應(yīng)的影響。由圖2、3可知，隨著彈性模量的增大，壩體各監(jiān)測點最大加速度和豎向最大動位移均不斷減小，但彈性模量較小時最大加速度和豎向最大動位移的減小趨勢較大，隨著彈性模量的增大，減小的趨勢趨緩。壩體最大加速度的變化范圍為1.25 ～1.78 m/s2，豎向最大動位移的變化范圍為-5.39 ～4.63 cm。

圖2 方案1各監(jiān)測點的最大加速度

圖3 方案1各監(jiān)測點的豎向最大動位移

b) 黏聚力對平原水庫土石壩的地震動力響應(yīng)的影響。由圖4、5可知，壩體各監(jiān)測點最大加速度和豎向最大動位移隨黏聚力變化的規(guī)律與方案1大體相似，壩體最大加速度的變化范圍為1.14 ～1.76 m/s2，豎向最大動位移的變化范圍為-7.00 ～4.65 cm。

圖4 方案2各監(jiān)測點的最大加速度

圖5 方案2各監(jiān)測點的豎向最大動位移

c) 內(nèi)摩擦角對平原水庫土石壩的地震動力響應(yīng)的影響。由圖6、7可知，壩體各監(jiān)測點最大加速度和豎向最大動位移隨內(nèi)摩擦角變化的規(guī)律與方案1、2相似，壩體最大加速度的變化范圍為1.21 ～1.67 m/s2，豎向最大動位移的變化范圍為-6.87 ～4.71 cm。

d) 庫水位對平原水庫土石壩的地震動力響應(yīng)的影響。由圖8、9可知，隨著水位的升高，各監(jiān)測點最大加速度和豎向最大動位移都呈增大趨勢，且變化范圍較大，最大加速度的變化范圍為1.22 ～1.70 m/s2，豎向最大位移的變化范圍為-28.01 ～10.87 cm。在水位達(dá)到15 m時，壩頂豎向位移急劇增大，明顯大于其他水位時的位移，此時該平原水庫壩體頂部很可能已經(jīng)發(fā)生破壞。

圖6 方案3各監(jiān)測點的最大加速度

圖7 方案3各監(jiān)測點的豎向最大動位移

圖8 方案4各監(jiān)測點的最大加速度

圖9 方案4各監(jiān)測點的豎向最大動位移

e) 地震持時對平原水庫土石壩的地震動力響應(yīng)的影響。由圖10、11可知，在地震開始2 s左右，最大加速度和豎向最大動位移都開始急劇變化，最大加速度在3～5 s左右開始達(dá)到穩(wěn)定并保持某一定值，豎向最大動位移在3 s后也開始逐步趨于平緩，不再急劇變化。加速度和位移的最大動力響應(yīng)主要發(fā)生在輸入地震波峰值加速度出現(xiàn)之后，并在加速度峰值出現(xiàn)后又逐步趨于平緩和穩(wěn)定。

f) 地震振幅對平原水庫土石壩的地震動力響應(yīng)的影響。由圖12、13可知，隨著振幅的增大，各監(jiān)測點最大加速度和豎向最大動位移都呈增大趨勢，并且增大的幅度非常明顯，但加速度放大倍數(shù)卻隨著振幅的增大而減小。峰值加速度的變化范圍為0.69 ～4.25 m/s2，峰值豎向位移的變化范圍為-46.77～31.86 cm。此外，加速度放大倍數(shù)減小的趨勢隨著振幅的增大逐漸減小，但是豎向位移響應(yīng)增大的趨勢卻隨著振幅的增大逐漸增大，在振幅達(dá)到0.3 g時壩頂?shù)呢Q向位移明顯增大，此時該平原水庫壩頂很可能已經(jīng)發(fā)生破壞。

圖10 方案5各監(jiān)測點的最大加速度

圖11 方案5各監(jiān)測點的豎向最大動位移

g) 地震頻譜對平原水庫土石壩的地震動力響應(yīng)的影響。由表3、4可知，不同地震波作用下，壩體各監(jiān)測點最大加速度和豎向最大動位移反應(yīng)整體分布規(guī)律相似。雖然3種地震波的加速度峰值相同，但是壩體的加速度和位移響應(yīng)程度卻不同，寧河波引起的加速度和位移響應(yīng)最大，EI-Centro波次之，遷安波最小。地震波的頻譜對平原水庫土石壩的動力響應(yīng)雖有一定影響，但整體影響也不大。

圖12 方案6各監(jiān)測點的加速度放大倍數(shù)

圖13 方案6各監(jiān)測點的豎向最大動位移

2

表4 不同地震波下各監(jiān)測點豎向最大動位移 cm

綜合以上分析，對平原水庫土石壩的地震動力響應(yīng)敏感性較大的參數(shù)主要是庫水位和地震振幅。

3 結(jié)論

a) 筑壩材料參數(shù)彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角對平原水庫土石壩的動力響應(yīng)均有一定影響，但影響程度不是很明顯，敏感性較小。

b) 庫水位對平原水庫土石壩的動力響應(yīng)敏感性較大。因此，水庫日常運行管理時，應(yīng)時刻關(guān)注庫水位的高度并保持庫水位較低，發(fā)生地震時若水位較低也能盡量降低土石壩失穩(wěn)破壞的可能性，并且減小地震對土石壩的損害。

c) 地震動輸入的3個主要影響特性中，地震振幅對平原水庫土石壩的動力響應(yīng)敏感性較大。因此，在土石壩的日常工程建設(shè)中應(yīng)合理選擇壩址，充分考慮工程所在區(qū)域地震烈度，并采取一定的抗震措施以確保土石壩的安全。