沥青混凝土面板堆石坝强震变形模式和极限抗震能力分析

邹德高，彭 俊，李俊超，陈 涛，刘京茂，王建全，陈 楷

（1.大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁省大连市 116024；2.大连理工大学水利工程学院，辽宁省大连市 116024；3.浙江大学 软弱土与环境土工教育部重点实验室，浙江省杭州市 310058；4.四川华能泸定水电有限公司，四川省成都市 610072；5.中电建铁路建设投资集团有限公司，战略与投资管理部，北京市 100070）

0 引言

抽水蓄能是当前技术最成熟、经济性最优、最具大规模开发条件的电力系统绿色低碳的灵活调节电源[1]。为此，我国近年大力推进抽水蓄能电站建设。资料统计表明，截至2021年底，国内处于运行状态的抽水蓄能电站有40座，且有48座电站正在施工建设，拟规划有数十座[2]。其中，沥青混凝土面板堆石坝具有防渗性能好、耐寒、地形适应强等优势，成为建设中的优选坝型（表1列举了部分沥青混凝土面板堆石坝建设情况）。

表1 我国部分沥青混凝土面板堆石坝工程Table 1 Part of asphalt concrete face rockfill dam project in China

续表

随水电开发战略持续深入，强震区建抽水蓄能电站已难以避让，资料统计表明，在建及规划工程中，约50%以上位于强震区。电站建成后将长期服役，期间遭遇极端地震威胁的可能性大[3]、[4]。目前对沥青混凝土面板堆石坝强震变形模式和极限抗震能力的相关研究较少，严重滞后于抽水蓄能电站工程实践。因此，开展此类工程强震下变形模式及安全评价研究具有重要的工程应用意义。

土石坝极限抗震能力是评估土石坝抗震安全性的重要内容。然而目前国内尚无规范明确规定土石坝极限抗震能力的评价标准，已有的关于土石坝地震破坏评价要素及其指标的研究成果尚不统一[5-8]，且存在不同要素指标得到的安全裕度不协调的问题。作者等人基于系统的高土石坝地震弹塑性整体变形和坝坡局部滑移量数值分析、全面的工程实测资料调研对比研究[9-12]，提出了确定高土石坝极限抗震能力评价标准的4项原则[13]：严格依据实测土石坝震陷率和震害程度映射关系；保证极端地震时不溃坝；震陷率是关键控制指标；确保震陷率、坝坡滑移量等评价要素的协调性。据此建议了地震条件下高面板坝和心墙坝的极限抗震能力的评价量化指标：①震陷率，面板坝为1.1%、心墙坝为1.3%；②面板坝坝坡滑移量指标为1.2m（滑弧穿过坝顶中点）、心墙坝坝坡滑移量指标为1.4m（滑弧穿过过渡与心墙之间区域）；③建议止水的极限抗震能力指标需要根据止水材料的性能、失效位置、面积以及面板损伤开裂等因素结合渗流稳定综合考虑。该标准已应用于RM心墙堆石坝（315m，在建世界最高）、两河口心墙堆石坝（295m，已建国内最高）、拉哇面板堆石坝（245m）等重大土石坝工程抗震安全评价。

本文依托某沥青混凝土面板堆石坝，采用动力弹塑性整体变形分析、局部滑移量分析方法[14-17]，阐明了强震下坝体顶部变形的渐进发展规律；并基于作者等人提出的评价准则和指标，探讨了沥青混凝土面板堆石坝的极限抗震能力。

1 工程概况

某抽水蓄能电站枢纽建筑物主要由上水库、水道系统、地下厂房系统和下水库组成。工程等别为一等，规模属大（1）型。工程场地的地震基本烈度为Ⅷ度，基岩超越概率P100=2%、P100=1%的水平向加速度峰值分别为0.45g和0.54g。

上水库大坝采用沥青混凝土面板堆石坝设计方案，正常蓄水位为1638.0m，死水位为1609.0m，最大坝高45.0m；大坝上下游坡比为1：1.75和1：1.70，筑坝材料主要分为垫层区、过渡区和堆石区；全库盆采用沥青混凝土面板作为防渗系统，面板厚度均为20.2cm，坝体典型断面如图1所示。

图1 某沥青混凝土面板堆石坝典型断面Figure 1 Typical section of an asphalt concrete face rockfill dam

2 分析模型与计算参数

2.1 有限元分析模型

根据坝体典型断面信息建立数值分析模型，为合理考虑无限地基与土石坝动力相互作用，岩性地基上下游水平向截取长度和竖向截取深度根据孔宪京等[18]给出的建议值选取（本次计算取为1.2H）。有限元网格模型的单元数3025，节点数3112。沥青混凝土面板与堆石体单元主要以四节点等参单元为主，两者之间设置了接触面单元[19]。图2为有限元分析模型。

图2 有限元分析模型Figure 2 Finite element analysis model

2.2 本构模型及参数

基于非线性弹性理论的等效线性模型联合应变势方法被广泛用于土石坝动力响应和地震永久变形分析，相关研究表明该方法能较好地反映中、低强度地震下土石坝弱非线性动力响应特性[20]。在大坝极限抗震能力分析中，随着地震强度增大，大坝将逐步进入强非线性状态，等效线性分析方法很难反映实际情况。为更真实地反映强震时大坝的强非线性特性，本次计算中堆石体、沥青混凝土面板均采用邹德高等人[14][21]发展的理论更严密的静动统一广义塑性模型，计算参数通过筑坝材料三轴试验成果标定获得，列于表2中。此外，面板与垫层间接触面采用刘京茂等[22]提出的广义塑性接触面模型，参数见表3。

表2 筑坝料广义塑性模型参数Table 2 Generalized plastic model parameters of dam materials

表3 面板与垫层接触面广义塑性模型参数Table 3 Parameters of generalized plastic interface model

2.3 地震动输入

由于该工程场地的地震基本烈度为Ⅷ度，永久性主要建筑物为1级建筑物，且坝址位于近场源地震区。根据《水工建筑物抗震设计标准》（GB 51247—2018）第5.1.2节规定[23]，竖向加速度峰值与水平向取值相同。本文采用地震波动输入方法[18，24-27]，以更合理地反映地震过程中大坝-无限地基的相互作用。

图3为根据设定场地相关谱合成的地震动时程曲线。为了研究大坝的极限抗震能力，地震水平峰值加速度包括0.45g（设计地震）、0.54g（校核地震）、0.60g、0.70g、0.80g、0.90g。

图3 设计地震加速度时程曲线Figure 3 The acceleration history curves of design ground motion

3 有限元数值分析

本文计算采用作者等人自主研发的大型岩土工程有限元高性能分析软件系统GEODYNA7.0[28]。下面将根据不同强度地震下大坝的动力响应规律，从三个方面探讨大坝的强震变形模式和极限抗震能力。

3.1 地震变形模式

图4给出了加速度峰值为0.90g时坝体及防渗体震后变形模式示意图。强震条件下沥青混凝土面板堆石坝变形模式表现为：①坝顶发生竖向沉降且量值最大；②坝顶水平向偏下游变形；③坝体上部轮廓整体向内收缩；④下游坝脚发生轻微鼓胀；⑤沥青混凝土面板与上游坝坡变形整体协调，顶部面板与堆石间沿顺坡向出现了较小错动，量值为5.6cm。本文分析成果与土石坝实际震害[3][4]、振动台模型试验[29]定性规律基本一致。

图4 上水库地震后变形模式示意图（变形放大10倍）Figure 4 Post-earthquake deformation pattern of the upper reservoir （ ten-fold magnification ）

3.2 坝顶震陷率

图5给出了加速度峰值为0.90g时坝体震后变形分布规律，最大震陷变形出现在坝顶偏下游侧附近的堆石体，最大值为51.0cm，相应的震陷率为1.13%。表4统计了不同加速度峰值条件下大坝顶部堆石体的震陷极值，图6给出了不同加速度峰值与震陷率的增长关系曲线，可以看出：随加速度峰值逐渐增加，坝顶堆石体震陷变形亦逐步增大，但增加的程度呈逐级减小的趋势，这主要由于地震等外界荷载作用过程中，坝体内部堆石料间的孔隙收缩、颗粒破损滑移等引起的坝体变形将逐步趋于稳定，相关研究成果亦给出了类似的观点[20]。

图5 坝体震陷分布规律（加速度峰值为0.90g）Figure 5 Distribution of dam earthquake subsidence（ peak acceleration is 0.90g ）

图6 坝顶震陷量与地震加速度峰值的关系Figure 6 Relationship between dam earthquake subsidence and seismic acceleration peak

坝顶震陷是诱发大坝出现库水漫顶、坝顶开裂等破坏的主要原因，坝顶震陷率是评估高土石坝极限抗震能力的关键指标，邹德高等人[13]建议面板堆石坝的震陷率应控制在1.1%以内。鉴于沥青混凝土面板堆石坝的规模、库容等一般不大，其溃坝风险及溃坝后的影响等相对于高面板堆石坝较小；且沥青混凝土面板的地形适应性及柔韧性较好。因此，文献[13]建议的评判标准用于确定沥青混凝土面板堆石坝的极限抗震能力是合适的。本文基于该标准，依据表4给出的计算成果，确定出该沥青混凝土面板堆石坝的极限抗震能力为0.80g～0.90g。

表4 不同加速度峰值下坝顶震陷率统计Table 4 Statistics of dam earthquake subsidence rate under different acceleration peaks

3.3 坝坡累计滑移量

考虑阻滑钢筋加固，采用滑移变形分析方法[17]，开展了地震作用下坝坡稳定分析。本次分析的坝坡稳定计算结果列于表5，可以看出：当加速度峰值为0.90g时，坝坡累计滑移量为13.11cm，远小于面板堆石坝极限滑移量建议值1.2m[13]，故坝坡出现失稳滑动破坏的可能性很小。

表5 坝坡最小安全系数及累计滑移量Table 5 Minimum safety factor and cumulative slip of dam slope

3.4 沥青混凝土面板拉应变

相较于钢筋混凝土面板，沥青混凝土面板具有更好的柔韧性，大坝运行过程中沥青混凝土面板的受力性态相对较好。本文以沥青混凝土面板的拉伸应变作为评判防渗系统整体安全性态的主要指标。表6给出了不同地震强度时地震后面板顺坡向拉应变极值，可以看出：当输入加速度峰值为0.90g时，沥青面板的最大拉应变为0.79%，小于材料的极限抗拉应变（该工程采用的沥青混凝土极限抗拉应变值为2.41%），可以认为防渗面板出现渗漏破坏的风险很低。

表6 地震后面板应变极值Table 6 Extreme values of panel strain after earthquake

4 结论

本文基于考虑大坝—无限地基动力相互作用的弹塑性整体变形分析、局部滑移量分析，开展了强震作用下某沥青混凝土面板堆石坝地震变形模式和极限抗震能力研究，主要结论包括：

（1）强震条件下沥青混凝土面板堆石坝变形模式表现为：坝顶发生竖向沉降明显、坝顶水平变形偏向下游、坝体上部轮廓整体向内收缩、下游坝脚发生轻微鼓胀、沥青混凝土面板与上游坝坡变形整体协调。随着加速度峰值逐渐增加，坝顶堆石体震陷变形亦逐步增大，但增加的程度呈逐级减小的趋势。

（2）基于作者等人提出的面板堆石坝极限抗震能力评判指标，结合沥青混凝土面板堆石坝受力特性，综合基于坝顶震陷率、坝坡滑移量、面板拉应变3项指标确定了某沥青混凝土面板堆石坝的极限抗震能力为0.80g～0.90g。同时计算表明，坝顶震陷率是沥青混凝土面板坝极限抗震能力的主控指标。

（3）广义弹塑性模型可以较好地描述筑坝材料强震时非线性特性，实现了静、动力全过程统一分析，计算的大坝地震变形与实际震害规律一致，可为同类沥青混凝土面板堆石坝变形模式及极限抗震能力评价研究提供参考。