阿白沖水庫粘土心墻壩動力應(yīng)力變形及穩(wěn)定性研究

王永成

（云南省紅河州水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院，云南蒙自 661100）

阿白沖水庫粘土心墻壩動力應(yīng)力變形及穩(wěn)定性研究

王永成

（云南省紅河州水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院，云南蒙自 661100）

針對阿白沖水庫粘土心墻壩主要筑壩材料開展了動力三軸試驗(yàn)，研究了壩料的動力特性。根據(jù)壩料動力試驗(yàn)資料，提出了壩體動力應(yīng)力變形分析計(jì)算的模型參數(shù)，采用三維非線性有限單元法分析了壩體的應(yīng)力變形特性和動力反應(yīng)，研究了壩體的動力反應(yīng)加速度分布、壩體加速度放大特性、壩體動位移、壩體地震永久變形等。在壩體動力計(jì)算和壩坡穩(wěn)定分析的基礎(chǔ)上，評價了該粘土心墻壩的安全性。

阿白沖水庫；粘土心墻壩；地震；應(yīng)力變形；穩(wěn)定性

圖1 心墻壩標(biāo)準(zhǔn)剖面圖

石屏縣阿白沖水庫擬建于紅河二級支流阿白沖河中下游河段，壩址位于石屏縣新城鄉(xiāng)阿白沖村附近，河谷形狀呈“U”形，河床底寬約40m，頂寬約270m，兩岸坡基本對稱，地形完整，左岸山體較為寬厚。壩址及庫區(qū)地層主要為板巖，無不良的物理地質(zhì)現(xiàn)象。大壩為粘土心墻壩，壩頂高程1566.80m，壩頂寬10.0m，壩頂長256.5m，最大壩高 89.2m。心墻上游側(cè)與風(fēng)化料相接處設(shè)置混合反濾層，心墻下游側(cè)與風(fēng)化料相接處設(shè)置二級反濾層，心墻后壩體內(nèi)設(shè)置排水砂管，壩腳處為堆石排水棱體，棱體頂寬 3m，頂部高程 1480.00m。圖 1為心墻壩設(shè)計(jì)剖面圖。

云南省處于我國地震高發(fā)區(qū)，水庫大壩的抗震安全非常重要，在水庫大壩抗震設(shè)計(jì)方面，許多學(xué)者開展了深入的研究[1～6]。為研究阿白沖水庫大壩的抗震穩(wěn)定性，根據(jù)當(dāng)?shù)刂尾牧咸匦裕_展了 3個方面的研究：①針對主要筑壩料（壩殼風(fēng)化料、心墻土料和反濾料）進(jìn)行了動力三軸試驗(yàn)，研究了其動力特性，并提出了動力計(jì)算參數(shù)。②采用三維非線性有限元進(jìn)行了大壩動力反應(yīng)分析，研究了壩體動力反應(yīng)加速度、動位移和地震永久變形，分析了心墻反濾料地震液化的可能性。③針對地震動力狀態(tài)的不同概率水平進(jìn)行了壩坡穩(wěn)定性分析。

1 壩料動力特性試驗(yàn)

壩殼風(fēng)化料動力特性試驗(yàn)采用 1500kN大型動靜三軸壓縮試驗(yàn)儀進(jìn)行，心墻土料及反濾料的動力試驗(yàn)采用GDS電機(jī)控制的動三軸試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行。分別針對現(xiàn)場取樣的壩殼風(fēng)化料、反濾料和心墻土料進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)所用風(fēng)化料制樣相對密度控制為0.85，其最大、最小干密度分別為1.96 g/cm3和1.40 g/cm3，制樣干密度取 1.86g/cm3；反濾料制樣相對密度控制為0.75，其最大、最小干密度分別為2.06 g/cm3和1.57 g/cm3，制樣干密度取1.91g/cm3；心墻土料制樣干密度取1.62g/cm3。

壩殼風(fēng)化料動力試驗(yàn)結(jié)果見表 1，試驗(yàn)結(jié)果表明，壩殼風(fēng)化料動模量相對較低，阻尼比和殘余變形較大。反濾料I動力試驗(yàn)結(jié)果見表2，由試驗(yàn)結(jié)果可見，反濾料動模量較低，但殘余變形比壩殼風(fēng)化料較小。心墻土料動力試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表1 動力特性試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果及殘余變形特性試驗(yàn)參數(shù)

表2 動模量和阻尼比模型參數(shù)及殘余變形參數(shù)

表3 動模量和阻尼比模型參數(shù)

2 心墻壩動力特性計(jì)算結(jié)果分析

采用三維有限元法對阿白沖心墻壩進(jìn)行動力分析計(jì)算，有限元計(jì)算中應(yīng)用比奧固結(jié)理論對心墻及反濾料進(jìn)行有效應(yīng)力應(yīng)變分析，對上、下游壩殼采用總應(yīng)力方法進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，動力計(jì)算采用等價粘彈性模型[7～8]。

2.1 計(jì)算參數(shù)與荷載

壩料靜動力應(yīng)力應(yīng)變模型計(jì)算參數(shù)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)成果以及地質(zhì)勘察報(bào)告，結(jié)合工程類比的方法確定。表4給出了動力計(jì)算模型計(jì)算參數(shù)。

表4 動力計(jì)算參數(shù)

地震動力作用通過輸入地震歷時過程中基巖加速度施加。本文動力計(jì)算采用加速度時程分析法，在得出運(yùn)行期壩體的應(yīng)變、應(yīng)力分布后，假定某一時刻發(fā)生地震，把地震持續(xù)時間分成 20～30個時段，對每一時段先進(jìn)行動力分析，動力方程采用Wilson-θ的逐步積分法求解，積分步長為0.02秒，每一時段結(jié)束后，求出各點(diǎn)的加速度和動應(yīng)力、動應(yīng)變，并用經(jīng)驗(yàn)公式求得殘余應(yīng)變增量和剪應(yīng)變增量，把應(yīng)變增量作為初應(yīng)變，然后再進(jìn)行一次靜力計(jì)算，得出變形的發(fā)展，再轉(zhuǎn)入下一時段的動力計(jì)算分析，如此反復(fù)進(jìn)行直到地震結(jié)束。三維有限元網(wǎng)格剖分模擬了壩體的分級填筑過程。圖2為計(jì)算采用的三維網(wǎng)格圖，共劃分三維單元 9858個，結(jié)點(diǎn)數(shù)為10260個。

圖2計(jì)算采用的三維有限元風(fēng)格

2.2 動力計(jì)算結(jié)果分析

動力計(jì)算假定穩(wěn)定滲流期發(fā)生地震，全面分析在三向地震作用下壩體的動力反應(yīng)、壩體動位移以及壩體地震永久變形。

2.2.1 設(shè)計(jì)地震工況下大壩動力響應(yīng)

（1） 動力反應(yīng)加速度。動力加速度空間分布見圖 3。計(jì)算結(jié)果表明：壩體動力反應(yīng)加速度隨著壩高的增加而增加，最大動力反應(yīng)加速度位于最大剖面壩頂。壩頂順河向、壩軸向和垂直向反應(yīng)加速度最大值分別為3.87 m/s2，2.99 m/s2和2.87 m/s2，與水平向及垂直向輸入加速度 1.84 m/s2和 1.23 m/s2相比，相應(yīng)的放大倍數(shù)分別為 2.10，1.63和2.34。在三向動力反應(yīng)加速度中，基本以順河向反應(yīng)加速度最大，垂直向反應(yīng)加速度最小。但加速度放大倍數(shù)垂直向較大、順河向次之、壩軸向最小。

圖3 壩體動力反應(yīng)加速度分布（m/s2）

（2）動位移。壩體動位移空間分布見圖4。計(jì)算結(jié)果顯示，壩體最大動位移位于壩頂附近，壩體順河向最大動位移為 9.8cm，壩軸向動位移最大值5.6cm，豎向最大動位移為5.4cm。壩體動位移大小與所處位置有關(guān)。總體上看，水平向動位移大于垂直向動位移，高程大的結(jié)點(diǎn)動位移較大；河床部位結(jié)點(diǎn)動位移比岸坡部位結(jié)點(diǎn)動位移大。

圖4 壩體動位移分布（cm）

（3）永久變形。壩體地震永久變形空間分布見圖 5。計(jì)算結(jié)果表明，地震永久變形最大值發(fā)生在壩頂附近，最大震陷為 22.6 cm，壩體順河向永久位移基本上指向下游，順河向最大永久變形為21.1cm。壩軸向永久變形表現(xiàn)為兩岸向河床，順河向及垂直向永久變形最大值均位于河谷中央最大剖面壩頂附近。

圖5 壩體永久變形空間分布（cm）

（4）反濾料地震液化分析。壩體最大剖面內(nèi)因地震引起的超靜孔隙水壓力見圖 6。由于地震動力影響，心墻及反濾料內(nèi)產(chǎn)生了一定的超靜孔隙水壓力，超靜孔隙水壓力的存在，將降低有效應(yīng)力。反濾料中超靜孔隙水壓力超過上覆有效荷重時將導(dǎo)致地震液化。計(jì)算所得心墻內(nèi)最大超靜孔隙水壓力36kPa，對土體強(qiáng)度影響不太大；上游反濾料內(nèi)最大超靜孔隙水壓力12kPa左右，不會發(fā)生地震液化。

圖6 壩體最大剖面內(nèi)地震引起的超靜孔隙水壓力（kPa）

2.2.2 校核地震工況下大壩動力響應(yīng)

校核地震工況下，基巖的動峰值加速度達(dá)到2.5m/s2，動力計(jì)算結(jié)果表明，基巖峰值加速度增大后，壩體的反應(yīng)加速度、動位移、地震永久變形等都有所增加，但反應(yīng)加速度放大倍數(shù)略有減小。

（1）動力反應(yīng)加速度。兩種地震工況下壩體反應(yīng)加速度分布規(guī)律類似。表5給出了設(shè)計(jì)地震工況和校核地震工況下大壩三向最大反應(yīng)加速度及其加速度放大倍數(shù)。動力反應(yīng)加速度最大值位于最大剖面壩頂。

表5 大壩最大動力反應(yīng)加速度

（2）動位移。校核地震工況下壩體的動位移稍大，但分布規(guī)律與設(shè)計(jì)地震工況相近。表6為兩種地震工況下壩體動位移最大值。

表6 大壩最大動位移（單位：cm）

（3）永久變形。兩種地震概率水平下發(fā)生地震壩體的永久變形最大值見表 7，基巖峰值加速度由184gal增加到250gal后，壩體的地震永久變形增加較為明顯。

表7 大壩最大地震永久變形（單位：cm）

（4）反濾料地震液化分析。與設(shè)計(jì)地震工況計(jì)算結(jié)果相比，在校核地震工況下，心墻和反濾料內(nèi)的超靜孔隙水壓力有所增加。采用 50年超越概率5%計(jì)算所得心墻和反濾層內(nèi)最大超靜孔隙水壓力分別為48kPa和15kPa，對心墻土體強(qiáng)度影響不大，上游反濾料也不會發(fā)生地震液化。圖7為壩體最大剖面內(nèi)地震超靜孔隙水壓力分布。

圖7 校核地震工況下最大剖面內(nèi)超靜孔隙水壓力分布（kPa）

3 壩坡穩(wěn)定性研究

3.1 風(fēng)化料強(qiáng)度指標(biāo)敏感性分析

壩殼風(fēng)化料工程特性相對較差，在碾壓密實(shí)度較低、浸水軟化等因素下，其強(qiáng)度可能會降低。本文采用極限平衡法分析了風(fēng)化料強(qiáng)度指標(biāo)較低情況下壩坡的抗滑穩(wěn)定性。計(jì)算中風(fēng)化料的內(nèi)摩擦角取為30o。

計(jì)算結(jié)果顯示：竣工期上、下游壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為2.08和1.76；蓄水期上、下游壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為2.23和1.71。靜力狀態(tài)不同工況下的安全系數(shù)都高于規(guī)范要求。

在動力狀態(tài)下，采用設(shè)計(jì)地震工況即 50年超越概率 10%計(jì)算所得的上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.76和1.37，采用校核地震工況即50年超越概率5%計(jì)算所得的上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.62和1.28。動力狀態(tài)下安全系數(shù)也高于規(guī)范要求。

壩坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)對風(fēng)化料的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)比較敏感，與內(nèi)摩擦角35o時計(jì)算結(jié)果相比，風(fēng)化料內(nèi)摩擦角降為 30o時，無論是靜力狀態(tài)還是動力狀態(tài)下的壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)都有比較明顯的下降。

3.2 壩坡極限抗震能力

土石壩具有較好的抗震性能，2008年5月12日四川汶川強(qiáng)烈地震中，震區(qū)大量土石高雖然產(chǎn)生了不同程度的破壞，但無一潰壩事件發(fā)生。特別是位于震中附近的紫坪鋪面板堆石壩，壩高達(dá)156m，承受了遠(yuǎn)超其設(shè)計(jì)烈度的地震作用，其破壞形式主要表現(xiàn)為壩坡堆石松動滾落、混凝土面板脫空、錯抬及開裂等，但大壩整體仍是穩(wěn)定安全的，經(jīng)過修復(fù)，又投入了正常的使用。本文抗震極限分析主要從壩坡承受地震的能力出發(fā)進(jìn)行研究，目的是分析多大地震動峰值加速度下，壩坡達(dá)到極限狀態(tài)。采用擬靜力法針對蓄水期發(fā)生地震，分析研究了不同峰值加速度下上下游壩坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表 8。由計(jì)算結(jié)果可見，從壩坡整體穩(wěn)定來看，極限抗震能力介于0.6～0.65g。

不過，應(yīng)該指出，地震動力過程中，壩頂附近動力反應(yīng)明顯，壩頂附近壩坡堆石松動、滾落甚至淺層滑動的可能性是存在的。另外，不均勻震陷引起壩頂產(chǎn)生縱向沉陷縫也是可能產(chǎn)生的破壞形式。

表8 不同峰值加速度下壩坡的地震穩(wěn)定性

4 結(jié)論與建議

（1）本文針對阿白沖水庫粘土心墻壩主要筑壩材料進(jìn)行了動力特性試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明：壩殼風(fēng)化料和反濾料的動模量均不高，動殘余變形稍大。壩殼模量與心墻模量差異不太大。

（2）壩體動力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果顯示，越接近壩頂動力反應(yīng)越強(qiáng)烈，且隨著壩高的增加而增大。

（3）設(shè)計(jì)地震工況下，壩體最大震陷為22.6cm，順河向最大永久變形為21.1cm。

（4）地震期間心墻及反濾料內(nèi)將產(chǎn)生了一定的超靜孔隙水壓力，設(shè)計(jì)地震工況下，心墻內(nèi)最大超靜孔隙水壓力 36kPa，上游反濾料內(nèi)最大超靜孔隙水壓力12kPa左右，不會發(fā)生地震液化。校核地震工況下，壩體動力反應(yīng)規(guī)律與設(shè)計(jì)地震工況類似，但壩體的反應(yīng)加速度、動位移、地震永久變形等都有所增加，而反應(yīng)加速度放大倍數(shù)略有減小。

（5）壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)對風(fēng)化料的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)比較敏感,風(fēng)化料內(nèi)摩擦角由35o降為30o時，無論是靜力狀態(tài)還是動力狀態(tài)下的壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)都有比較明顯的下降。因此應(yīng)嚴(yán)格控制壩體的碾壓質(zhì)量。

（6）本工程采用了較緩的壩坡，壩坡抗震極限分析結(jié)果顯示，從壩坡整體穩(wěn)定來看，極限抗震能力介于0.6～0.65g。

（7）地震動力過程中，壩頂附近動力反應(yīng)明顯，壩頂附近壩坡存在堆石松動、滾落、甚至淺層滑動的可能性。建議對壩頂以下1/5壩高范圍內(nèi)的壩殼風(fēng)化料提高壓實(shí)質(zhì)量，提高抗震能力。

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TV641

A

1008-1305（2013）02-0040-05

10.3969/j.issn.1008-1305.2013.02.012

王永成（1962年-），男，云南人，高級工程師。