平原水庫土石壩的地震動力響應敏感性分析

賈雪慧

(上海千年城市規劃工程設計股份有限公司，上海200441)

中國是一個地震發生頻率較高的國家，與其他壩型相比，在絕大多數地震中土石壩遭受震害的數量最多，震損程度也更為嚴重[1]。這是由于土石壩自身特性，在外部作用下壩頂易產生裂縫，裂縫的存在使得土體的強度發生下降，進而使得滑坡發生的概率增大[2]。平原水庫多采用均質土壩，壩高較低，壩線長，地質條件較差且較復雜，筑壩的土料大多是就地取材，工程性質比較差。平原水庫土石壩在運行過程中的常見災害包括滲流破壞、滑坡、裂縫、地震災害、泥沙淤積等，在地震作用下，這些災害往往會進一步擴大，甚至從無到有，有時甚至會有多種震害現象同時發生。據統計[3]，中國由于地震造成的水庫垮壩(崩塌)事件共計5起，崩塌水庫5座，其中3座均為平原水庫。眾多的平原水庫都位于人口相對密集的大中城市附近，一旦發生問題，對人民的生命和財產安全都會造成巨大的威脅。

目前對于土石壩的動力響應分析大多側重于研究壩體的加速度、動位移、動應力以及永久變形，對于不同參數對土石壩地震動力響應影響的研究則相對較少[4-6]。因此，本文以某平原水庫土石壩為例，參考相關文獻[7-8]從筑壩材料、庫水位和地震動輸入3個方面分別選取彈性模量、黏聚力、內摩擦角、水位、地震持時、地震振幅、地震頻譜7個參數，運用ANSYS和FLAC3D進行數值模擬計算，分析不同參數對土石壩地震動力響應的敏感程度。

1 計算模型與參數

1.1 工程概況

某水庫為中型平原水庫，是南水北調東線工程的重要組成部分，占地總面積達7.42 km2，總庫容為6 150萬m3，設計最高蓄水位為12.50 m 。水庫主要工程有：圍壩、供水渠、引水渠、泄水洞、水閘、入庫泵站等部分，圍壩軸線的全長有9 636 m，壩頂高程15.30～15.00 m，壩頂寬7.50 m。圍壩上、下游邊坡坡比均為1∶3，壩基防滲采用薄混凝土防滲墻。

該水庫庫區地貌上屬沖積-海積平原亞區，地勢低平，海拔一般在10 m以下，地面高程一般在1～5 m之間。易受海潮影響，由于海水浸漬，多濕洼地，土壤鹽漬嚴重。氣候屬于溫帶濕潤季風型大陸性氣候，多年平均氣溫12.5℃。

據地震歷史記錄資料，該區共發生5級以上地震20次。壩址區的地震動峰值加速度為0.10 g，相應的地震基本烈度為Ⅶ度，場地土類型為中軟土，場地類別為Ⅲ類，地震動反映譜特征周期為0.65 s。

1.2 計算模型

由于圍壩較長，為便于分析和模擬，本文模型壩體取典型斷面處50 m長壩段進行建模和計算。模型計算范圍在上游、下游、地基方向分別取100、100、50 m。模型上下游兩側地基的邊界施加順水流方向的水平約束，模型前后兩面施加垂直于水流方向的水平約束，地基底面施加固定約束，其余坡面為自由面。模型壩體迎水面和背水面均采用水頭邊界條件，地基底部和模型前后兩面采用不透水邊界，地基的左右兩側采用流量邊界條件。

本文采用ANSYS建立平原水庫的圍壩模型，然后將模型導入FLAC3D進行計算。為了便于分析土石壩地震作用下的動力響應情況，在土石壩的不同位置設置了10個監測點，見圖1。

圖1 壩體模型及監測點位置

1.3 計算原理

連續介質三維快速拉格朗日分析(簡稱FLAC3D)是近年來廣泛使用的一種基于三維顯式有限差分法的數值分析方法。本文計算即采用FLAC3D的動力非線性分析方法，該方法是遵循每一個單元的實時變化來進行計算的，若采用了合適的非線性準則，則能自動模擬阻尼系數和剪切模量隨應變水平的變化。本構模型采用摩爾-庫倫模型，能較好地模擬地震時壩體發生的塑性剪切變形，模擬土體的應力應變關系及其非線性特點[9]。與常用的等價線性動力分析方法相比，FLAC3D的動力非線性分析方法的優點主要是：可以選擇其自帶的任何一個非線性本構模型，其參數對應靜力本構模型的參數，但是要設置恰當的阻尼形式、參數和邊界條件等，才能保證動力計算的正確性[10]。

FLAC3D提供了3種不同的阻尼形式讓使用者選擇，包括瑞利阻尼、局部阻尼和滯后阻尼。本文采用局部阻尼進行動力計算。局部阻尼系數可由下式求得：

αL=πD

式中D——臨界阻尼比，其范圍一般是2%～5%，本文取D=2%，則αL=0.062 8。

在FLAC3D的動力反應分析計算中需要選擇合適的模型邊界條件，若邊界上存在波的反射則會影響動力分析的準確性。在對土石壩進行動力分析時，需將壩體側面的邊界條件設置為沒有地面結構時的自由場運動，本文即采用自由場邊界條件，同時將模型的底面邊界設定為靜態邊界條件，這樣就可以消除地震波在模型底面邊界上的反射，使得動力計算的結果更加精確。施加動力邊界條件后原先的靜力邊界條件就會被程序自動去除。

1.4 計算參數

表1 圍壩的材料力學參數

1.5 地震動輸入

動力計算時較理想的地震波是采用工程所在場地的實際地震記錄，但本工程無實際強震記錄可供使用，因此，考慮選擇典型的過去強震記錄進行計算。壩址區的場地類別為III類，故選用目前實際工程中應用較多的第三類場地地震波——寧河地震記錄[11]，其水平加速度峰值為0.1 g。截取地震記錄最強烈部分，并使用Seismo Signal對地震波進行濾波和基線校正的處理，地震動輸入位置為底邊界，水平輸入。

2 土石壩動力響應分析

2.1 計算方案

從筑壩材料參數、庫水位和地震動輸入3個方面分別選取彈性模量、黏聚力、內摩擦角、水位、地震持時、地震振幅、地震頻譜7個參數進行動力響應分析并建立以下計算方案，見表2。

表2 計算方案

注：峰值加速度的調整采用比例法

2.2 計算結果分析

a) 彈性模量對平原水庫土石壩的地震動力響應的影響。由圖2、3可知，隨著彈性模量的增大，壩體各監測點最大加速度和豎向最大動位移均不斷減小，但彈性模量較小時最大加速度和豎向最大動位移的減小趨勢較大，隨著彈性模量的增大，減小的趨勢趨緩。壩體最大加速度的變化范圍為1.25 ～1.78 m/s2，豎向最大動位移的變化范圍為-5.39 ～4.63 cm。

圖2 方案1各監測點的最大加速度

圖3 方案1各監測點的豎向最大動位移

b) 黏聚力對平原水庫土石壩的地震動力響應的影響。由圖4、5可知，壩體各監測點最大加速度和豎向最大動位移隨黏聚力變化的規律與方案1大體相似，壩體最大加速度的變化范圍為1.14 ～1.76 m/s2，豎向最大動位移的變化范圍為-7.00 ～4.65 cm。

圖4 方案2各監測點的最大加速度

圖5 方案2各監測點的豎向最大動位移

c) 內摩擦角對平原水庫土石壩的地震動力響應的影響。由圖6、7可知，壩體各監測點最大加速度和豎向最大動位移隨內摩擦角變化的規律與方案1、2相似，壩體最大加速度的變化范圍為1.21 ～1.67 m/s2，豎向最大動位移的變化范圍為-6.87 ～4.71 cm。

d) 庫水位對平原水庫土石壩的地震動力響應的影響。由圖8、9可知，隨著水位的升高，各監測點最大加速度和豎向最大動位移都呈增大趨勢，且變化范圍較大，最大加速度的變化范圍為1.22 ～1.70 m/s2，豎向最大位移的變化范圍為-28.01 ～10.87 cm。在水位達到15 m時，壩頂豎向位移急劇增大，明顯大于其他水位時的位移，此時該平原水庫壩體頂部很可能已經發生破壞。

圖6 方案3各監測點的最大加速度

圖7 方案3各監測點的豎向最大動位移

圖8 方案4各監測點的最大加速度

圖9 方案4各監測點的豎向最大動位移

e) 地震持時對平原水庫土石壩的地震動力響應的影響。由圖10、11可知，在地震開始2 s左右，最大加速度和豎向最大動位移都開始急劇變化，最大加速度在3～5 s左右開始達到穩定并保持某一定值，豎向最大動位移在3 s后也開始逐步趨于平緩，不再急劇變化。加速度和位移的最大動力響應主要發生在輸入地震波峰值加速度出現之后，并在加速度峰值出現后又逐步趨于平緩和穩定。

f) 地震振幅對平原水庫土石壩的地震動力響應的影響。由圖12、13可知，隨著振幅的增大，各監測點最大加速度和豎向最大動位移都呈增大趨勢，并且增大的幅度非常明顯，但加速度放大倍數卻隨著振幅的增大而減小。峰值加速度的變化范圍為0.69 ～4.25 m/s2，峰值豎向位移的變化范圍為-46.77～31.86 cm。此外，加速度放大倍數減小的趨勢隨著振幅的增大逐漸減小，但是豎向位移響應增大的趨勢卻隨著振幅的增大逐漸增大，在振幅達到0.3 g時壩頂的豎向位移明顯增大，此時該平原水庫壩頂很可能已經發生破壞。

圖10 方案5各監測點的最大加速度

圖11 方案5各監測點的豎向最大動位移

g) 地震頻譜對平原水庫土石壩的地震動力響應的影響。由表3、4可知，不同地震波作用下，壩體各監測點最大加速度和豎向最大動位移反應整體分布規律相似。雖然3種地震波的加速度峰值相同，但是壩體的加速度和位移響應程度卻不同，寧河波引起的加速度和位移響應最大，EI-Centro波次之，遷安波最小。地震波的頻譜對平原水庫土石壩的動力響應雖有一定影響，但整體影響也不大。

圖12 方案6各監測點的加速度放大倍數

圖13 方案6各監測點的豎向最大動位移

2

表4 不同地震波下各監測點豎向最大動位移 cm

綜合以上分析，對平原水庫土石壩的地震動力響應敏感性較大的參數主要是庫水位和地震振幅。

3 結論

a) 筑壩材料參數彈性模量、黏聚力、內摩擦角對平原水庫土石壩的動力響應均有一定影響，但影響程度不是很明顯，敏感性較小。

b) 庫水位對平原水庫土石壩的動力響應敏感性較大。因此，水庫日常運行管理時，應時刻關注庫水位的高度并保持庫水位較低，發生地震時若水位較低也能盡量降低土石壩失穩破壞的可能性，并且減小地震對土石壩的損害。

c) 地震動輸入的3個主要影響特性中，地震振幅對平原水庫土石壩的動力響應敏感性較大。因此，在土石壩的日常工程建設中應合理選擇壩址，充分考慮工程所在區域地震烈度，并采取一定的抗震措施以確保土石壩的安全。