蓄滞洪区老堤加培堤防地震响应数值模拟分析

黄万江，王汉武，任佳丽

（1.安庆市水利局工程质量监督站，安徽 安庆 246003；2.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，湖北 武汉 430010）

蓄滞洪区是长江水系防洪的关键基础设施，沿江堤防涉及多个省份，部分地区为高烈度地震区域，地震潜在灾害风险较大。蓄滞洪区老堤防年久失修，已无法满足当前抗洪设计要求，需要通过在老堤内侧加培的方式形成新的堤防。然而，新老堤接合部位存在接合面接触不充分的问题，在堤坝水位高度较高且遭遇强震作用时，易出现裂隙并引起堤防渗透，严重威胁堤防运行安全，极易引发溃堤险情。

因地震引起的堤防破坏及次生灾害的报道屡见不鲜［1］。1995年阪神地震引起的海啸使堤防破坏，造成严重经济损失。2008年汶川地震造成了四川部分堤坝水库出现险情，对堤防抗震设计提出了更高要求。地震对堤防造成的直接或间接灾害逐渐被学者和工程师重视。李建宇［1］对堤防地基土的地震液化特性进行分析，发现液化土堤基危害不可忽视，提出了堤防地基土地震液化判别方法。陈育民等［2］采用FLIP程序研究了青草沙水库堤防的地震液化变形问题，发现水库水位较高时易引发溃堤灾害。方火浪等［3］利用Biot多孔介质理论及FLIP软件分析了深厚砂质覆盖层土坝的动力反应。王锐［4］对黄河堤防砂性土液化问题进行研究，分析了砂土液化的主要因素并给出了相关堤段的液化概率。李存柱等［5］对抛石堤防进行了颗粒流离散元数值模拟，发现地震作用下抛石堤防变形规律与经典破坏模式吻合。李静［6］对吹填岛礁堤防进行了地震动力响应分析，发现强震作用下海堤易出现破坏失稳。李文斌等［7］探讨了不同填料条件下海堤加速度、震后位移、液化等方面的动力响应。这些研究主要针对堤防工程中不良地基地震液化及稳定性，目前关于堤防工程的动力响应研究多以大坝堤防等为主，针对蓄滞洪区老堤加培堤防的地震响应研究较少。

为防止老堤加培堤防出现地震灾害险情，本文以华阳河蓄滞洪区建设工程拟建老堤加培堤防工程为例，建立老堤加培堤防的三维有限元模型，分析不同强度地震作用下堤防加速度、位移、新老堤接合部位差异变形等动力响应特征，为老堤加培堤防抗震设计及工程除险地基加固提供指导。

1 工程概况

华阳河蓄滞洪区建设工程新建堤防拟采取在老堤堤身加培（一侧内培）方式，拟建堤顶高程为18.2 m，顶宽为6 m，加培第一级高为2.0 m，第二级高为4.0 m，新建堤防断面及地层剖层如图1所示。根据项目地质勘察报告及软基处理专题报告［8］，蓄滞洪区建设工程拟建堤线全长137 km，其中有85 km堤基存在软土层，蓄滞洪区加培老堤软土地基土层主要有：粉质黏土③－2b、淤泥质粉质黏土③－3b、淤泥质粉质黏土③－5b、含淤泥质粉质黏土③－6b、含砾粉土③－4b。堤基为软弱河湖沉积层，老堤堤基软土经多年固结，其软土力学性质较弱，均具有中、高压缩性。

图1 新建堤防断面及地层剖面

2 工程数值建模分析

2.1 有限元模型建立

为研究蓄滞洪区老堤加培堤防地震响应特征，采用ABAQUS有限元分析软件作为主要研究手段，建立考虑新老堤接合缺陷的加培老堤堤防三维数值模型。新堤在老堤一侧通过加培方式构建，老堤与新堤接合部界面通过接触方式连接，建立了3个面的介质接触对，通过接触算法求解接触方程得到老堤与新堤之间界面接触的力学关系。在ABAQUS中接触分为挤压、滑动、分离等相互作用行为，接触面切向接触摩擦因子为0.38，法向接触为硬接触。为提高计算效率，对数值模型中地层信息进行适当简化，重点关注不同地震条件下老堤加培堤防和新老堤接合面薄弱位置的地震响应特征，因此在堤身部位进行网格加密。为减小模型边界效应，建立的土体几何模型尺寸横断面地震激振方向选取长度为95 m。由于不考虑堤防纵断面地震效应影响，故模型纵断面方向选取长度为50 m。老堤加培三维数值模型及土体分层情况如图2所示。根据地勘资料并对数值模型土层进行适当简化，设定土体各层物理力学计算参数见表1。

表1 数值模型土体计算参数

图2 老堤加培三维数值模型

模型地基采用摩尔－库仑本构模型，将模型底部和侧边界设置为黏性边界。根据地层力学参数设置模型刚度和阻尼。老堤堤防模型与老堤加培堤防模型的网格划分形式如图3所示。模型地基土为采用三维8节点缩减积分单元的C3D8R单元。其中，老堤模型共计节点总数为121 635，单元总数为112 950；加培堤防模型节点总数为137 802，单元总数为126 350。设置模型边界条件为地应力平衡分析步中约束模型底部2个方向的位移，以及地震激励方向左右两侧位移。在动力分析步中删去左右侧边界约束。土体阻尼比按通常经验取值为5%。老堤堤防模型、老堤加培堤防模型的加速度监测点分别记为M1～M7和M1～M9，加培堤防模型的新老堤接合面接缝位移监测点记为D1～D4（见图3）。

图3 老堤堤防模型与老堤加培堤防模型网格划分

初始应力状态是否正确直接决定动力时程分析结果的准确性，模型竖向总应力分布云图如图4所示。老堤地面应力分布均匀，受堤防重力影响应力分布呈现沿堤身高度逐渐变化，老堤加培堤防应力受加培区新地基土影响，应力状态发生了改变，整体应力水平略有提高，浅层地基应力水平显著高于老堤，初始应力状态与堤基力学行为相符。由此可见，建立的数值模型较为合理，满足分析研究的要求。加培老堤改变了堤基初始应力状态，加培老堤模型的新老堤结合面处更易受到不平衡应力场影响，可能造成潜在裂缝形成。因此，在相关工程中应重视堤防初始应力场的变化规律。

图4 老堤堤防模型与老堤加培堤防模型地应力平衡状态

2.2 地震荷载施加

根据中国地震动参数区划图［9］，华阳河蓄滞洪区堤防工程所在地区的地震烈度为V度，其Ⅱ类场地地震峰值加速度为0.05g。本文选用的EL－Centro地震波为人类首次完整记录的地震波数据［10］。为分析强震作用下堤防失效破坏模式，设置峰值加速度分别为0.15g、0.3g，分别记为E1和E2。原始波时程25 s，压缩持续时间至20 s，其地震波加速度时程曲线如图5所示。

图5 EL－Centro地震波加速度时程曲线

3 结果分析

3.1 加速度响应分析

本文选取了M2（堤基底部）、M5（地表面）、M7（堤顶）3个典型加速度监测点，EL－Centro地震波E1地震强度作用下老堤和老堤加培模型的峰值加速度时程曲线如图6、图7所示。堤基及上部堤防自下至上加速度响应逐渐增大，老堤堤顶峰值加速度为0.200g，加培堤防堤顶峰值加速度为0.170g，堤身加速度较下部堤基加速度幅值进一步放大，整体加速度呈现非线性放大趋势，主要是因为堤身固有频率更小，剪切波速也更小。注意到堤身峰值加速度相对于堤基整体更大，应重点关注新老堤接合面加速度响应差异。

图6 EL－Centro波E1地震强度作用下老堤模型加速度时程曲线

图7 EL－Centro波E1地震强度作用下老堤加培模型加速度时程曲线

将测点位置峰值加速度与输入波峰值加速度的比值定义为加速度放大系数，EL－Centro波E1、E2地震强度作用下老堤模型（M1～M7）和老堤加培模型（M1～M9）各测点峰值加速度放大系数如图8所示。通过不同等级地震加速度放大系数发现，地震峰值加速度越大，堤顶峰值加速度越大，加速度放大效应越明显。对比老堤与加培堤防模型可以看出，加培后堤防整体加速度放大系数小于老堤。此外，老堤加培模型堤顶平台位置（M8、M9）加速度放大效应不明显，且随着地震等级增大，堤基、堤身及堤顶的加速度放大系数抑制现象均越明显。由此可见，尽管堤防结构加速度被放大，加培堤防对于改善堤防上部因质量变化差异导致的鞭梢效应被抑制，老堤加培新堤抑制了加速度放大趋势，且随着地震等级增大，加速度放大系数抑制现象越明显，这有利于堤防整体的抗震性能提升。因此，对于堤防动力问题分析，应将堤基和堤防作为整体进行分析和抗震设计。

图8 EL－Centro波地震作用下老堤和老堤加培模型峰值加速度响应

3.2 位移云图分析

选取地震作用下堤防模型典型时刻（老堤选取t＝0.5 s，1.4 s，3.6 s；老堤加培堤防t＝0.5 s，2.4 s，3.0 s）位移云图进行机理分析，E1强度地震激励作用下老堤和老堤加培堤防模型的不同时刻位移云图如图9所示。地震作用随着时间推移位移由下至上逐渐传递，堤顶位移最迟达到最大峰值。老堤堤防水平位移响应与加速度响应类似，加速度响应越大时水平位移响应也越大。新老堤接合面存在差异水平位移和沉降变形，这将导致堤防交接部位产生裂隙，在高水位运行条件下极易引发渗透破坏，需要引起重视。在堤防抗震设计时应注意在新老堤接合面采取措施，避免地震作用下的差异变形。

图9 EL－Centro波E1地震强度作用下老堤和老堤加培模型不同时刻位移云图

3.3 接合部残余位移分析

地震下老堤和老堤加培模型残余位移云图如图10所示。新老堤接合面处由于土体强度、刚度等力学特性不同，接合部在地震作用下表现出应力不均匀现象，在接合部处产生应力释放，导致裂缝逐渐产生。堤防残余变形主要发生于堤脚、新老堤接合面，在堤防下部堤基一定范围存在滑动势区。随着地震峰值加速度增大，堤防堤脚地基土隆起现象越明显，而新老堤裂缝张拉越显著。在临水侧堤身表面有明显的震陷。这主要是因为临水侧新老堤接合面受力以新堤堆压老堤，且在加培界面易形成超孔隙水压力，在孔隙水压力释放过程中将进一步导致裂隙扩展。建议在堤防抗震设计和工程施工中对新老堤薄弱环节进行加固处理。

图10 EL－Centro波E1地震强度作用下老堤和老堤加培模型残余位移云图

进一步对比堤身不同位置处位移幅值时间历程曲线，如图11所示。老堤加培模型堤顶上下接触面位置（D1）存在明显的差异位移，差异位移主要发生在输入峰值加速度幅值较大的前4 s内，堤顶上接触面位移幅值达到2 cm，下接触面位移幅值达到1 cm，最大差异位移在1 cm左右，随着地震激励衰减，新老堤接合面堤顶差异位移逐渐减小。对比发现，堤身处临近接触界面（D2）差异位移较小，堤脚处接触界面（D3）存在较小的差异位移。对比老堤堤顶和新堤堤顶位移幅值（D1、D4）可以发现，新堤位移由于具有更高的高度，受地震加速度放大效应更为显著，其最大位移幅值也更大。

图11 EL－Centro波E1地震强度作用下堤身不同位置处位移幅值时间历程曲线

4 结论

基于数值模拟分析结果，得出主要结论如下：

（1）地震作用下堤基及堤身加速度响应特征呈现自下至上逐渐增大，堤身结构存在显著的加速度放大效应，整体加速度呈现非线性放大趋势。堤身峰值加速度相对于堤基整体更大，应重点关注新老堤接合面加速度响应差异。

（2）加培堤防对于改善堤防上部因质量变化差异导致的鞭梢效应被抑制，老堤加培新堤抑制了加速度放大趋势，且随着地震强度增大，加速度放大系数抑制现象越明显。因此，应对堤防动力问题时，应将堤基和堤防作为整体进行分析和抗震设计。

（3）新老堤接合面存在差异水平位移和沉降变形，新老堤堤顶在地震作用下存在差异沉降问题，堤防残余变形主要发生于新老堤接合面的老堤堤顶、老堤堤脚，在堤防下部堤基一定范围存在滑动势区。随着地震峰值加速度增大，堤防堤脚地基土隆起现象越明显，而新老堤裂缝张拉越显著。建议通过老堤加培方式对结构部薄弱位置进行抗震加固设计，堤防抗震设计时在新老堤接合面处建议采取措施，避免地震作用下的差异变形。