平原水库土石坝的地震动力响应敏感性分析

2019-05-21贾雪慧

人民珠江 2019年5期

贾雪慧

(上海千年城市规划工程设计股份有限公司，上海200441)

中国是一个地震发生频率较高的国家，与其他坝型相比，在绝大多数地震中土石坝遭受震害的数量最多，震损程度也更为严重[1]。这是由于土石坝自身特性，在外部作用下坝顶易产生裂缝，裂缝的存在使得土体的强度发生下降，进而使得滑坡发生的概率增大[2]。平原水库多采用均质土坝，坝高较低，坝线长，地质条件较差且较复杂，筑坝的土料大多是就地取材，工程性质比较差。平原水库土石坝在运行过程中的常见灾害包括渗流破坏、滑坡、裂缝、地震灾害、泥沙淤积等，在地震作用下，这些灾害往往会进一步扩大，甚至从无到有，有时甚至会有多种震害现象同时发生。据统计[3]，中国由于地震造成的水库垮坝(崩塌)事件共计5起，崩塌水库5座，其中3座均为平原水库。众多的平原水库都位于人口相对密集的大中城市附近，一旦发生问题，对人民的生命和财产安全都会造成巨大的威胁。

目前对于土石坝的动力响应分析大多侧重于研究坝体的加速度、动位移、动应力以及永久变形，对于不同参数对土石坝地震动力响应影响的研究则相对较少[4-6]。因此，本文以某平原水库土石坝为例，参考相关文献[7-8]从筑坝材料、库水位和地震动输入3个方面分别选取弹性模量、黏聚力、内摩擦角、水位、地震持时、地震振幅、地震频谱7个参数，运用ANSYS和FLAC3D进行数值模拟计算，分析不同参数对土石坝地震动力响应的敏感程度。

1 计算模型与参数

1.1 工程概况

某水库为中型平原水库，是南水北调东线工程的重要组成部分，占地总面积达7.42 km2，总库容为6 150万m3，设计最高蓄水位为12.50 m 。水库主要工程有：围坝、供水渠、引水渠、泄水洞、水闸、入库泵站等部分，围坝轴线的全长有9 636 m，坝顶高程15.30～15.00 m，坝顶宽7.50 m。围坝上、下游边坡坡比均为1∶3，坝基防渗采用薄混凝土防渗墙。

该水库库区地貌上属冲积-海积平原亚区，地势低平，海拔一般在10 m以下，地面高程一般在1～5 m之间。易受海潮影响，由于海水浸渍，多湿洼地，土壤盐渍严重。气候属于温带湿润季风型大陆性气候，多年平均气温12.5℃。

据地震历史记录资料，该区共发生5级以上地震20次。坝址区的地震动峰值加速度为0.10 g，相应的地震基本烈度为Ⅶ度，场地土类型为中软土，场地类别为Ⅲ类，地震动反映谱特征周期为0.65 s。

1.2 计算模型

由于围坝较长，为便于分析和模拟，本文模型坝体取典型断面处50 m长坝段进行建模和计算。模型计算范围在上游、下游、地基方向分别取100、100、50 m。模型上下游两侧地基的边界施加顺水流方向的水平约束，模型前后两面施加垂直于水流方向的水平约束，地基底面施加固定约束，其余坡面为自由面。模型坝体迎水面和背水面均采用水头边界条件，地基底部和模型前后两面采用不透水边界，地基的左右两侧采用流量边界条件。

本文采用ANSYS建立平原水库的围坝模型，然后将模型导入FLAC3D进行计算。为了便于分析土石坝地震作用下的动力响应情况，在土石坝的不同位置设置了10个监测点，见图1。

图1 坝体模型及监测点位置

1.3 计算原理

连续介质三维快速拉格朗日分析(简称FLAC3D)是近年来广泛使用的一种基于三维显式有限差分法的数值分析方法。本文计算即采用FLAC3D的动力非线性分析方法，该方法是遵循每一个单元的实时变化来进行计算的，若采用了合适的非线性准则，则能自动模拟阻尼系数和剪切模量随应变水平的变化。本构模型采用摩尔-库伦模型，能较好地模拟地震时坝体发生的塑性剪切变形，模拟土体的应力应变关系及其非线性特点[9]。与常用的等价线性动力分析方法相比，FLAC3D的动力非线性分析方法的优点主要是：可以选择其自带的任何一个非线性本构模型，其参数对应静力本构模型的参数，但是要设置恰当的阻尼形式、参数和边界条件等，才能保证动力计算的正确性[10]。

FLAC3D提供了3种不同的阻尼形式让使用者选择，包括瑞利阻尼、局部阻尼和滞后阻尼。本文采用局部阻尼进行动力计算。局部阻尼系数可由下式求得：

αL=πD

式中D——临界阻尼比，其范围一般是2%～5%，本文取D=2%，则αL=0.062 8。

在FLAC3D的动力反应分析计算中需要选择合适的模型边界条件，若边界上存在波的反射则会影响动力分析的准确性。在对土石坝进行动力分析时，需将坝体侧面的边界条件设置为没有地面结构时的自由场运动，本文即采用自由场边界条件，同时将模型的底面边界设定为静态边界条件，这样就可以消除地震波在模型底面边界上的反射，使得动力计算的结果更加精确。施加动力边界条件后原先的静力边界条件就会被程序自动去除。

1.4 计算参数

表1 围坝的材料力学参数

1.5 地震动输入

动力计算时较理想的地震波是采用工程所在场地的实际地震记录，但本工程无实际强震记录可供使用，因此，考虑选择典型的过去强震记录进行计算。坝址区的场地类别为III类，故选用目前实际工程中应用较多的第三类场地地震波——宁河地震记录[11]，其水平加速度峰值为0.1 g。截取地震记录最强烈部分，并使用Seismo Signal对地震波进行滤波和基线校正的处理，地震动输入位置为底边界，水平输入。

2 土石坝动力响应分析

2.1 计算方案

从筑坝材料参数、库水位和地震动输入3个方面分别选取弹性模量、黏聚力、内摩擦角、水位、地震持时、地震振幅、地震频谱7个参数进行动力响应分析并建立以下计算方案，见表2。

表2 计算方案

注：峰值加速度的调整采用比例法

2.2 计算结果分析

a) 弹性模量对平原水库土石坝的地震动力响应的影响。由图2、3可知，随着弹性模量的增大，坝体各监测点最大加速度和竖向最大动位移均不断减小，但弹性模量较小时最大加速度和竖向最大动位移的减小趋势较大，随着弹性模量的增大，减小的趋势趋缓。坝体最大加速度的变化范围为1.25 ～1.78 m/s2，竖向最大动位移的变化范围为-5.39 ～4.63 cm。

图2 方案1各监测点的最大加速度

图3 方案1各监测点的竖向最大动位移

b) 黏聚力对平原水库土石坝的地震动力响应的影响。由图4、5可知，坝体各监测点最大加速度和竖向最大动位移随黏聚力变化的规律与方案1大体相似，坝体最大加速度的变化范围为1.14 ～1.76 m/s2，竖向最大动位移的变化范围为-7.00 ～4.65 cm。

图4 方案2各监测点的最大加速度

图5 方案2各监测点的竖向最大动位移

c) 内摩擦角对平原水库土石坝的地震动力响应的影响。由图6、7可知，坝体各监测点最大加速度和竖向最大动位移随内摩擦角变化的规律与方案1、2相似，坝体最大加速度的变化范围为1.21 ～1.67 m/s2，竖向最大动位移的变化范围为-6.87 ～4.71 cm。

d) 库水位对平原水库土石坝的地震动力响应的影响。由图8、9可知，随着水位的升高，各监测点最大加速度和竖向最大动位移都呈增大趋势，且变化范围较大，最大加速度的变化范围为1.22 ～1.70 m/s2，竖向最大位移的变化范围为-28.01 ～10.87 cm。在水位达到15 m时，坝顶竖向位移急剧增大，明显大于其他水位时的位移，此时该平原水库坝体顶部很可能已经发生破坏。

图6 方案3各监测点的最大加速度

图7 方案3各监测点的竖向最大动位移

图8 方案4各监测点的最大加速度

图9 方案4各监测点的竖向最大动位移

e) 地震持时对平原水库土石坝的地震动力响应的影响。由图10、11可知，在地震开始2 s左右，最大加速度和竖向最大动位移都开始急剧变化，最大加速度在3～5 s左右开始达到稳定并保持某一定值，竖向最大动位移在3 s后也开始逐步趋于平缓，不再急剧变化。加速度和位移的最大动力响应主要发生在输入地震波峰值加速度出现之后，并在加速度峰值出现后又逐步趋于平缓和稳定。

f) 地震振幅对平原水库土石坝的地震动力响应的影响。由图12、13可知，随着振幅的增大，各监测点最大加速度和竖向最大动位移都呈增大趋势，并且增大的幅度非常明显，但加速度放大倍数却随着振幅的增大而减小。峰值加速度的变化范围为0.69 ～4.25 m/s2，峰值竖向位移的变化范围为-46.77～31.86 cm。此外，加速度放大倍数减小的趋势随着振幅的增大逐渐减小，但是竖向位移响应增大的趋势却随着振幅的增大逐渐增大，在振幅达到0.3 g时坝顶的竖向位移明显增大，此时该平原水库坝顶很可能已经发生破坏。

图10 方案5各监测点的最大加速度

图11 方案5各监测点的竖向最大动位移

g) 地震频谱对平原水库土石坝的地震动力响应的影响。由表3、4可知，不同地震波作用下，坝体各监测点最大加速度和竖向最大动位移反应整体分布规律相似。虽然3种地震波的加速度峰值相同，但是坝体的加速度和位移响应程度却不同，宁河波引起的加速度和位移响应最大，EI-Centro波次之，迁安波最小。地震波的频谱对平原水库土石坝的动力响应虽有一定影响，但整体影响也不大。