土工格栅加筋坝坡的抗震效果研究

2011-06-05朱亚林朱大勇王思雁卢士华

合肥工业大学学报（自然科学版） 2011年10期

朱亚林，朱大勇，王思雁，卢士华

（1.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009；2.江苏省水文地质工程地质勘查院，江苏连云港 222042；3.广州番禺职业技术学院建筑工程系，广东广州 511483）

我国的水利水电资源丰富，所建水利水电工程规模及数量居世界前列，而其中大部分坝型为土石坝，约占95%。我国是一个多地震的国家，地震区域广阔而分散。5.12汶川大地震后，强震区的高土石坝安全问题倍受关注。国外曾发生土石坝因地震而溃坝的严重灾害，在我国也有土石坝因地震而发生滑坡、震陷、裂缝等灾害［1－2］。近年来，随着西部大开发的实施，高坝大库的建设越来越多，其中高土石坝占了很大比例，且一般位于高烈度地震活动区，同时这些地区的河谷条件、地质条件和环境条件极度复杂，因而，高土石坝抗震研究工作的迫切性和重要性越来越突出。

近十几年来，国内外在高土石坝抗震研究方面有了新的进展，取得了一些成果。振动台动力模型试验及土石坝的震害实例表明，坝顶区是抗震的重点部位。文献［3－6］中提出了高土石坝的钉结护面板抗震加固技术，即对坝体上部坝坡采用加筋（钉结）技术，并加盖护面板，从而增强坝顶区堆石体的整体稳定性，提高堆石坝抗震能力，文献［7－8］通过振动台模型试验和数值分析进行了验证。近几年来，土工格栅加筋材料广泛应用于土石坝工程中，大大改善了土体的性能，提高了土体的强度，与金属筋材相比，土工格栅不会因腐蚀而失效，是一种有发展前途的土工合成材料，国内外许多学者从不同的角度对加筋土石坝进行研究，取得了一定的研究成果［9］。加筋技术的抗震效果已逐渐为工程设计单位认可，并在实际工程设计中应用。本文对土工格栅加筋前后土石坝的动力反应特性进行研究，阐述了加筋土石坝的破坏机理和土工格栅的工作机理。

1 计算方法简介

1.1 拉格朗日有限差分法

拉格朗日差分法源于流体力学，在流体力学中研究质点运动的方法有2种：① 定点观察法，亦称欧拉法；② 随机观察法，称为拉格朗日法。欧拉法研究的是流体场内每一固定坐标点处流体的位移、速度和加速度。而拉格朗日法研究的是每个流体质点随时间而变化的状态，即研究某一流体质点在任一段时间内的运动轨迹、速度、压力等。将拉格朗日法移植到固体力学中，需要把研究的区域划分成网络，其结点就相当于流体质点，然后按照时步用拉格朗日法来研究网络结点的运动，这种方法就是拉格朗日法。它采用按时步的动力松弛进行求解，这与离散元法相同，求解时基于显式差分法，不需形成刚度矩阵，不用求解大型方程组，因此占用内存少，求解速度快，便于用微机求解较大规模的工程问题。

1.2 FLAC的基本工作原理

拉格朗日法在岩土力学中的应用始于美国ITASCA公司开发的FLAC（Fast Lagrangian A－nalysis of Continua）程序，该程序主要用于模拟计算地质材料和岩土工程的力学行为，特别是材料达到屈服极限后产生的塑性流动。材料通过单元和区域表示，根据计算对象的形状构成相应的网格。每个单元在外载和边界约束条件下，按照约定的线性或非线性应力－应变关系产生力学响应。由于FLAC程序主要是为岩土工程应用而开发的岩石力学计算程序，程序中包括了反映岩土材料力学效应的特殊计算功能，可计算岩土类材料的高度非线性（包括应变硬化／软化）、不可逆剪切破坏和压密、黏弹（蠕变）、孔隙介质的固－流耦合、热－力耦合以及动力学行为等。FLAC程序设有多种本构模型：各向同性弹性材料模型、横观各向同性弹性材料模型、莫尔－库仑弹塑材料模型、空单元模型等，可用来模拟地下洞室的开挖和边坡基坑开挖。程序设有界面单元，可以模拟断层、节理与摩擦边界的滑动、张开和闭合行为。支护结构，如砌衬、锚杆、可缩性支架或板壳等，与围岩的相互作用也可以在FLAC中进行模拟［10－11］。

本文利用FLAC商用软件，针对土工格栅加筋技术，在强震区高土石坝的地震反应特性研究的基础上，确定了土工格栅加固范围，着重讨论了土工格栅加筋前后高土石坝的地震反应特性，如坝体的剪应变、永久位移以及坝体稳定安全系数的变化情况，从而能更好地评价土工格栅加筋的抗震措施效果，为实际工程提供理论参考。

2 计算模型的建立

2.1 计算模型

采用上、下游完全对称的200m高的均质坝，坝底长916m，上下游坝坡坡度为1∶2.0，坝顶长度方向取单位宽度计算。采用位移边界条件，模型底面限制竖向位移，侧面均被约束。计算中没有考虑上游水荷载和坝体内水的渗流作用，按总应力计算。

2.2 材料参数

计算中坝体采用常用的 Mohr－Coulomb（简称M－C）弹塑性模型，对分析过程中材料剪切模量的变化做了2点考虑：① 初始切线模量按照（1）式随平均应力变化，如图1所示，图中单位为Pa；② 计算过程中，单元的切线模量还随单元剪应变按照图2模量衰减曲线变化。下面分别对计算中采用的材料参数做具体说明。

（1）剪切弹性模量。计算公式为：

其中，G、σ0′、pa采用同一量纲；pa为大气压力；σ0′为平均应力；C为系数；n为指数，其值可由试验结果确定。

图1 坝体初始剪切模量分布

图2 剪切模量衰减曲线

体积弹性模量K＝13G／6；黏聚力c、摩擦角φ、剪胀角ψ、拉伸强度σt按表1取值。

表1 堆石体的计算参数

（2）土工格栅参数。目前，用于增强土体稳定性的主要有土工格栅和土工格。而土工格栅更受欢迎是由于与土体有良好的衔接，随着生产技术的进步，土工格栅的强度和性能逐步改善。本文使用的是单向土工格栅，它是由高密度聚乙烯组成（HDPE）的，其具体数据［9］见表2所列。

本文计算土工格栅采用格栅单元来模拟，该单元一般用来模拟与土发生相互剪切作用的柔性薄膜，土工格栅和实体单元之间发生直接的剪切摩擦作用，土工格栅和土界面特性由耦合弹性参数控制［10－11］，具体计算参数见表3所列，其中φ、K分别为耦合弹簧的摩擦角和单位面积刚度。

表2 土工格栅参数

表3 接触面的材料参数

2.3 输入地震波

模型计算以人工地震波为主，人工地震波选用拟合糯扎渡坝址区100a超越概率为2%的基岩期望反应谱曲线得到的人造波，峰值加速度为2.83m／s2，如图3所示，本计算只考虑水平向加速度输入。

图3 场地反应谱人工波

3 加固措施和范围的确定

在国家“七五”、“八五”和“九五”科技攻关项目支持下，大连理工大学抗震研究所开展了土石填筑坝地震破坏机理研究，利用振动台进行了一系列模型试验。模型试验结果表明［12］，坝体在地震中的安全与坝顶区堆石体的稳定有关，若大坝遭遇强震而发生破坏，则破坏将首先从坝顶部开始，其主要特征是：动荷载作用下，坝顶部堆石体松动、滑移，乃至坍塌等；坝体初始破坏表现为坝坡面的浅层（表层）滑动，其位置靠近坝顶区附近，试验结果如图4所示。因此，在地震区修建高土石填筑坝时应特别重视坝顶区土体的稳定。

文献［13］研究了不同高度、坡度以及地震波输入参数变化情况下坝体的永久位移变化规律，发现在坝高1／5范围内坝顶部永久位移较大。综合考虑试验结果，对坝体顶部进行抗震加固，主要在坝体上部1／5范围（40m）采用土工格栅加筋技术。本算例依据拟静力分析得到的滑裂面位置设置土工格栅的长短，土工格栅沿坝轴线对称布置，间距为4m，共10层，沿坝坡表面设置护面板，护面板厚度为10cm，加筋示意图如图5所示。

图4 振动台模型试验结果

图5 土工格栅加筋示意图

4 计算结果分析

4.1 土工格栅的内力分布

本文共铺设10层土工格栅，图6给出了地震作用后土工格栅的内力分布。

图6 土工格栅地震作用后的内力分布

从图6可以看出：内力值偏小表示格栅没有充分发挥作用，从上到下，格栅内力值偏小的范围逐渐扩大，并且向坝坡延伸，说明下层的土工格栅只有一小部分起到加固土体作用，可以适当缩短下层格栅的长度；而中间层格栅的作用发挥较好，内力几乎沿格栅通长分布；格栅内力的分布一般是从坝坡到筋端逐渐降低的趋势，最大轴力出现在中、下层。

4.2 坝体塑性剪应变的分布

地震作用下，虽然高堆石坝宏观破坏性态表现为坝顶1／5范围内沿坝坡浅层的滑落、坍塌，但这一破坏形式往往是由于坝体内部累积了较大的塑性变形引起的，因此分析坝体塑性变形的分布很有意义。

采用M－C弹塑性模型和拉格朗日更新坐标系，对高土石坝进行了大变形分析，结果如图7所示。

图7 坝体塑性剪应变分布

由图7a可见，未加土工格栅时，大坝的剪应变以坝顶处以及坝坡上部为较大，最大剪应变发生在坝顶处，达到4.4%；由图7b可见，采取土工格栅加筋坝体上部后，能明显降低坝体的剪应变水平，并使高塑性剪应变区从靠近坝顶的坝体内部转移到沿坝坡表面的浅层，范围大大减小，最大剪应变位置下移，大小降为1.8%。出现以上情况的主要原因是：加土工格栅前，随着地震动的进行最初在坝顶处发生破坏，且坝坡上部也易产生滑坡，故最大剪切应变发生在该位置；然而加土工格栅后由于在坝坡两边分别加设了格栅层，限制了坝坡水平向位移的发展，从而使得两侧以及坝顶堆石产生挤压作用，最大剪应变在坝顶靠下位置，同时使得加格栅后坝坡处剪应变有明显的减小趋势。

4.3 坝体的永久位移变化

振动台试验表明，地震作用下堆石坝的主要破坏性态是：坝体遭遇强烈振动后，靠近坝顶的坝坡表面块石最先出现松动，随着地震波作用时间延长，坝坡浅层块石会发生滑动，最后导致坝顶坍塌。从连续体的角度考虑，这主要是由于坝体发生了较大的永久变形引起的，因此，高土石坝动力计算时应重视对永久变形的分析，特别是重视对靠近坝顶局部区域的地震永久变形分析。上游沿高程方向的永久位移如图8所示。

图8 上游沿高程方向的永久位移（坝顶1／5）

从图8可以看出：① 无论是否加土工格栅，上游坝顶1／5部分的永久位移曲线沿高程方向成规律变化；② 加土工格栅前后坝体水平位移的变化规律不一样，不加筋时，顶部地震反应较大，水平位移往外“鼓出”，而在水平向对称铺设土工格栅后，限制坝坡水平向位移的发展，所以水平位移有“凹进”的趋势；③ 加土工格栅前后坝体竖向位移的变化规律一致，加筋后竖向位移明显降低，分别为0.56m和0.25m，降幅为55.3%。总之，在坝体上部采取土工格栅加筋能有效加强坝顶区堆石体的稳定，明显降低了坝体的永久位移。

4.4 坝体的网格变形

借助地震作用后坝体的网格变形图可以更直观地考察坝体加筋前后的永久位移变化情况，为了方便观察，将实际的变形图放大了10倍，如图9所示。

图9 地震前后大坝的网格变形对比（H＝150m以上）

从图9a可以看出，未加土工格栅情况下，大坝在强震作用下，靠近顶部坝坡表面的单元变形较大，坍塌明显，并且向下游倾斜；采取土工格栅加筋抗震措施后，能有效抑制顶部坝坡表面单元的坍塌，变形范围明显变小，如图9b所示。

4.5 坝体稳定安全系数计算比较

土石坝坝坡的动力稳定安全系数通常采用拟静力极限平衡法，滑弧形状假定为圆弧，但加筋后的坝坡受力比较复杂，采用拟静力极限平衡法不能充分考虑筋与土的相互作用，很难解释其破坏机理。因此，采用FLAC程序，运用强度折减法研究加土工格栅前后坝坡的动力稳定安全系数，从而评价坝坡加筋的效果。坝体的稳定安全系数和剪应变分布，如图10所示。从图10可知，加土工格栅后，坝体的剪切应变的分布图深度变深，范围扩大，向坝底延伸；坝体的稳定安全系数增加，由1.19增大到1.21。总之，加土工格栅后，能有效控制坝坡的浅层滑动，增强坝体的整体稳定性。