高聚物用于土质堤坝防渗的大坝整体地震响应分析

季卫星

(江苏昌泰建设工程有限公司，江苏 泰兴 225400)

我国堤坝大部分采用了土质结构，且大都处于地震活跃地带。为了对这些土质堤坝进行除险加固，采取高聚物防渗墙技术[1- 10]，此项技术是专门针对土质堤坝防渗加固而发明的新技术，其具有快捷、轻质、高韧、耐久、微创、环保等优点，已在土质堤坝除险加固领域大规模推广。就目前来说，国内外都在进行有关高聚物注浆材料特性的研究，国外学者主要研究了聚氨酯高聚物材料的力学性能、在动荷载和温度影响下的动态力学性能、应变率、抗冲击性能和温度效应等；国内学者主要研究了聚氨酯高聚物的动态压缩性能、破坏机理、应变率、温度、振动性能、静态力学等，对采用高聚物注浆材料作为土质堤坝的防渗体，堤坝及防渗体的整体抗震性能的研究尚缺乏实质性的突破。因此对采用高聚物防渗体的土质堤坝及防渗体的整体抗震性能进行研究，分析其地震响应，对于土质堤坝抢险加固和防灾减灾具有重要意义。本文通过ABAQUS软件建立一个防渗墙土质堤坝的数值模型，分析了高聚物防渗墙土质堤坝地震作用下的响应特点，并与相同条件下混凝土防渗墙土质堤坝的相应特点进行比较，最终得出分析结果。

1 基于数值计算的基本假定

在建立防渗墙土质堤坝的三维模型时，需要采用有限元分析法，同时还要考虑到多种因素，如高聚物的性能、坝体的结构、地震波的输入参数和混凝土防渗墙的参数及方位，需进行以下假设。

(1)忽略开挖、注浆之前，土坝应力的变化；假定坝体内部的初始静压力为土体和静水造成的压力。

(2)假定地震波是以SV波的形式从坝体底边向上垂直发散，入射输入面在深15m的界面。

(3)忽略坝体和高聚物防渗墙体之间的连接厚度，将其接触面假定为Goodman无厚度单元。

2 模型建立

在三维模型中，坝体地基的尺寸(长×宽×高)设为290m×100m×15m。坝体的横截面形状类似于梯形，其上顶面宽5.6m，底面宽89.6m，高度为15m，整个坝体长为100m。高聚物防渗墙的几何尺寸为：厚度0.02m，高度17m，长度为100m；混凝土防渗墙的几何尺寸为：厚度0.5m，高度17m，长度为100m。采用三维六面体细化网格的方法将三维模型的网格进行划分如图1所示。划分完成后整个防渗墙土质堤坝的三维模型将被分为24480个单元，29040个节点。有关材料的参数见表1—2。

3 边界条件及计算工况

在实际情况中，堤坝的上边界无约束，其他边界有一定的黏弹性约束且会对地震波有很小的反射，因此在数值模型中将其定义为自由边界，而其他边界可人为定义为无反射且具有一定黏弹性的边界。将EL-Centro波数据等效力输入到数值计算当中。整个地震波按照SV波的方式扩散，持续20s的时间，场地类别假定为II类，数值计算分4种工况，具体工况及参数见表3。

表1 静力学参数

表2 动力学参数

图1 模型网格

表3 计算工况

4 地震响应数值计算结果及分析

考察堤坝抗震性能的一个重要指标是坝体在地震波作用下的加速度大小，同时堤坝永久沉降的深度和堤坝动土压力都是体现堤坝抗震性能的重要指标。高聚物防渗墙土质堤坝的地震响应主要从以下角度进行分析。

4.1 坝体加速度

利用ABAQUS软件建立的数值模型分别计算4种工况下各计算点的加速度。在测量高聚物防渗墙土质堤坝加速度时，总共采集18个点的数据，其中8个点分布在坝体轴线上，上游坝坡、下游坝坡平均布设5个点。坝体加速度计算点布置如图2所示。坝轴线、上游坡及下游坡各加速度计算点的峰值加速度如图3—5所示。土坝底为h/H=0处，土坝顶为h/H=1处。

图2 高聚物防渗墙土质堤坝坝体加速度计算点布置

图3 堤坝轴线处峰值加速度

图4 堤坝上游坝坡峰值加速度

图5 堤坝下游坝坡峰值加速度

从图中可以明显看出，4种工况下，坝体的峰值加速度正比于输入地震的强度，而且坝体的高度越高，坝体加速度峰值的分布点越靠近于坝顶。此外，分析数据可以看出，坝体峰值加速度增长的速率在坝体轴线4/5处突然增大，形成“鞭梢”效应，这表明坝顶对于地震波具有放大的作用，在设计建造时尤其需要注意，加强防范措施。

在工况1(0.05g)和工况4(0.4g)的条件下，2种堤坝水平峰值加速度的等值线如图6—7所示。对图6—7进行分析可得：在同等地震波的作用下，高聚物防渗墙坝体的加速度反应比混凝土防渗墙土质堤坝更大，而且集中体现在坝体轴线附近，这表示地震波对高聚物防渗墙坝体的影响更大。对于混凝土防渗墙土质堤坝而言，其加速度反应会随着地震波强度的增大而减小，这是因为混凝土防渗墙和高聚物防渗墙均处于坝体轴线处，但混凝土防渗墙无论几何尺寸还是质量和刚度都远大于高聚物防渗墙，其存在于土质堤坝内就好比一个“吸能装置”，能够缓冲地震波的力量，使得较大的地震波输入能量被混凝土防渗墙所吸收，从而减少了土坝吸收的地震波输入能量。

图6 不同防渗墙堤坝水平0.05g等值线图

图7 不同防渗墙堤坝水平0.40g等值线图

4.2 坝体动土压力

在工况1(0.05g)和工况4(0.4g)的条件下，高聚物防渗墙土质堤坝及混凝土防渗墙土质堤坝的最大水平土压力和最大竖向土压力分布如图8—9所示。从图8—9可以看出，2种堤坝的最大土压力和输入地震波的强度均呈正相关关系，与坝高呈负相关关系，且最大竖向土压力大于最大水平土压力。

图8 不同防渗墙堤坝0.05g时最大土压力等值线图

图9 不同防渗墙堤坝0.40g时最大土压力等值线图

与混凝土防渗墙土质堤坝相比，高聚物防渗墙土质堤坝的最大水平土压力、最大竖向土压力都比混凝土防渗墙土质堤坝要小。这是由于高聚物防渗墙的几何尺寸较小，而且质量较轻，与土体动模量相近等特点，地震发生时其墙体与坝体能协调变形，避免相互挤压，故其水平土压力和竖向土压力增加较小。而混凝土防渗墙几何尺寸大、质量和刚度大，不能在地震发生时与坝体协调变形，从而相互挤压，导致其水平土压力和竖向土压力较大。

4.3 坝顶永久沉降

模型的坝体高度为15m，可简化为不考虑地震作用下坝体土的固结作用，而只考虑地震作用下坝顶的永久沉降。分析结果显示，在4种工况下，高聚物防渗墙土质堤坝所产生的永久沉降分别为0.12、0.15、0.34、2.34cm，沉降值和坝体高度的比值分别为0.008%、0.01%、0.02%和0.16%，与混凝土防渗墙土质堤坝相比，高聚物防渗墙土质堤坝永久沉降值分别降低了89%、87%、82%和47%。由此可见，相比于混凝土防渗墙土质堤坝，高聚物防渗墙土质堤坝的沉降受地震的影响较小。国内外的多种试验结果表明，地震引起的土石坝的坝顶沉降率介于0.4～1.0之间，而且坝体结构并没有遭到破坏。所以说，在地震作用下，高聚物防渗墙土质堤坝坝顶沉降受地震影响较小，沉降值是合理、可接受的。

5 结论

(1)高聚物土质堤坝峰值加速度与输入地震动强度呈正相关关系，而且坝高增加，其峰值加速度也随之增加，加速度峰值的位置一般位于坝顶，同时在坝体轴线4/5处，峰值加速度增加的速率会突然加快，在设计时应当尤其注意。

(2)相比于混凝土防渗墙，在相同强度的地震下，高聚物防渗墙土质堤坝的峰值加速度增加速率更快，而且主要集中于坝体轴线附近，但其加速度的增长速率会随着地震波输入强度的增加而逐渐减小。高聚物防渗墙土质堤坝的最大水平土压力、最大竖向土压力都小于混凝土防渗墙土质堤坝，采用高聚物防渗墙对土质堤坝进行处理优于采用混凝土防渗墙。

(3)高聚物防渗墙土质堤坝坝顶沉降受地震影响较小，沉降值是合理、可接受的。