高鐵運行振動對大壩安全性影響特性研究

嚴 俊，魏迎奇，蔡 紅，吳帥峰，喬蕓蕓，肖建章

(1.中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京100048；2.北京水務咨詢有限公司，北京100048)

1 研究背景

在高速鐵路迅速發展的同時，其運營期間引起的地面振動問題也不容忽視。鐵路振動不但影響沿線居民的正常生活與工作，還會影響沿線建筑物安全和精密儀器的制造和正常使用[1-5]，國際上也已將交通振動列為七大環境公害之一。例如，早在1995年，位于清華大學校園東側的京山鐵路，由于其產生的振動嚴重影響了校內精密儀器的正常工作，最后不得不將線路向東遷移800 m。與普通鐵路相比，高速鐵路多采用無砟軌道，列車運行速度快，開行頻次高，如京津城際高速鐵路每天開行列車約80余對，京滬高速鐵路每天通過的列車100多次，其產生的環境振動問題更為突出。研究表明，高速鐵路產生的地面振動與普通鐵路相比雖然持續時間更短但是振動幅值更高[6]。

國內外對鐵路引起的地面振動的研究主要包括地面振動振源模型和產生機理、振動的傳播、振動對環境影響數值計算、振動波形的疊加4個方面：①在高鐵振源模型及產生機理方面，國內外學者認為車輛系統和軌道系統的相互作用關系是高鐵運行的主要振源，建立了經典的車輛-軌道稱合動力學模型，以研究列車振源荷載大小及特征；②在高鐵引起環境振動傳播規律方面，鐵路地基土的物理力學性質(包括剛度、阻尼和分層厚度等)是鐵路地面振動的主要影響因素之一，并發現當列車速度接近場地Rayleigh波的傳播速度時，場地振動強度會突然大幅增加，且隨距離增加高架橋段地面振動主頻降低，振動的衰減曲線比較平滑，而路堤段地面振動主頻隨距離兒乎不變，振動衰減曲線存在多個反彈區能夠；③在振動波形疊加方面，現有的波形疊加計算基本都集中在相同或相似的波形進行疊加，而針對不同性質的振動波形的疊加，如地震波和高速鐵路列車運行引起的地面震動波相互疊加方面未有較好的處理方式；④在振動對環境影響的數值計算技術方面，大多采用車-建筑物-地基耦合系統的有限元分析模型，為研究高速鐵路對環境的振動響應提供了很好的研究方法。

隨著高鐵的建設，由高速列車運行引發的環境振動問題越來越受到重視，但是目前國內外還鮮有高鐵運行振動對大壩的安全性影響的研究。以京張鐵路張家口灰場段為例，由于緊臨京張高鐵，隨著高鐵即將投入運行，高速列車帶來的長期間歇性振動，是否會對灰壩的安全性造成影響，是否存在危及大壩安全的因素等，都是有待研究的內容。本文以京張鐵路張家口灰場段為例，采用理論分析與數值模擬相結合的方法，對高鐵運行振動影響下的大壩安全進行評價分析，在論證大壩安全性的同時，對存在影響安全的因素，提出適當的措施加以消除或降低危害使其在可控范圍內。

表1 高鐵運行實測振動統計值

1 高鐵運行引起周圍環境的振動特性和傳播規律研究

高鐵的快速運行容易造成鐵路及周邊地基的振動，而且隨著振動向外傳播，將引起周圍環境的振動。高鐵運行引起的振動既有水平向的振動，也有垂直向的振動，與地震波不同。此外，高鐵引起的振動屬于長時間周期性循環振動，地震波屬于短時間內的突發一次性振動，兩者之間存在較大的差異。為研究高鐵運行對大壩安全的影響，開展了高鐵線路結構各部位的振動情況和振動傳播的衰減規律研究。

統計總結國內高速鐵路運行時環境振動的實測值，如表1所示。從表1統計結果可以看出：①列車運行速度與周圍環境的振動呈正比，速度越大，同等條件下環境振動越大，鑒于國內現階段高速鐵路運行平均最大速度為300 km/h(除復興號外)，可選用此速度下的環境振動值；②隨距離的增大，環境振動的峰值加速度減小；③振動在同一介質中傳播，隨著傳播距離的增加緩慢向低頻靠近，大多集中在30～70 Hz；④列車長度僅影響振動的持時而不影響振動加速度峰值，振動持時隨車廂數的不同約為3～7 s。

將各條高鐵實測振動加速度峰值繪制如圖1所示，減小規律為指數型衰減，將所有測點振動加速度峰值采用指數函數進行擬合，并做測點的包絡函數曲線，得到如圖2所示。其中擬合曲線結果為amax=119.8e-0.156x，包絡曲線公式為amax=110e-0.062x。

圖1 測點加速度峰值衰減曲線

由包絡曲線公式對100 m處振動加速度峰值進行預測計算，可得100 m處的加速度峰值為0.223 cm/s2。考慮安全性，計算時建議取值1 cm/s2，此時對應的加速度為0.001g。對開高鐵運行時的加速度時程曲線見圖3，遷安波單獨作用時加速度時程曲線見圖4，遷安波和高鐵列車共同作用時加速度時程曲線見圖5。

圖2 測點加速度峰值衰減擬合線及包絡線

圖3 對開高鐵運行時的加速度時程曲線

圖4 遷安波單獨作用時加速度時程曲線

圖5 遷安波和高鐵列車共同作用時加速度時程曲線

2 張家口灰場大壩工程概況

張家口發電廠位于河北省張家口市宣化區沙嶺子鎮，東距宣化約10 km，西距張家口約14 km，區內有北京-大同鐵路、京張高速公路和207國道呈北西-南東向經過，南北向有地方公路相通，交通十分方便。張家口發電廠的貯灰場為山谷型灰場，東起陳家莊村西，西至太師灣東的部隊倉庫，由分別于1989年、1997年和2002年投入運行的東灰場、西灰場和靶場灰場3部分彼此相接組成。張家口電廠貯灰場位于電廠北側山谷，距廠區約2 km。貯灰場范圍東起陳家莊村西，西到太師灣東的部隊倉庫，由彼此相接的東灰場、西灰場和靶場灰場3部分組成，3座灰場均為分期修筑的山谷型灰場。

京張鐵路張家口段距離東灰場壩腳最近地方約100.0 m，因此主要通過對東壩來開展振動分析。如圖6所示，東灰場灰壩壩長1 070 m，初期壩最大壩高23 m；灰壩初期壩為均質土壩，壩長400 m，最大壩高17 m。3個貯灰場的初期壩斷面類似，其壩頂寬6 m，上下游邊坡為1∶2.5，排水棱體邊坡為1∶1.5。

圖6 東灰場典型斷面示意

3 高鐵運行振動對大壩安全性影響特性分析

3.1 計算條件

(1)有限元模型。根據工程基本情況，合理確定計算域大小，結合不同的材料分區，進行有限元網格剖分，以4節點四邊形單元為主，局部輔以三角形單元進行過度。有限元網格見圖7，其中節點數2 346個，單元數2 285個。

圖7 有限元網格示意

(2)計算參數。取動剪應變為10-6時的動剪模量值為試驗土料的最大動剪模量Gmax。初期壩堆石料、壩基角礫和粉煤灰的最大動剪模量Gmax與平均有效主應力σ0′的關系在雙對數坐標上，Gmax與σ0′為直線關系，可用冪函數形式來表示，即

Gmax=KPa(σ0′/Pa)n

(1)

式中，σ0′為平均有效應力；pa為大氣壓力；K和n為試驗參數，其值可由試驗結果確定，整理結果見表2，具體計算過程中將對動剪模量比G/Gmax、阻尼比D數值化離散。

表2 最大動剪模量參數K、n值

(3)計算工況。根據京張高鐵的運行情況，振動分析主要考慮以下情況：①分別考慮高鐵一次運行振動(工況①)及運行2年循環振動(工況②)的影響，即考慮高鐵每天運營時間6∶00～21∶30、每10分鐘一趟，每日共計振動93次，每年振動33 945次；②遭遇7度地震時高鐵運行安全分析(工況③)；③為論證大壩的安全性，還需要考慮高鐵運行振動1次遭遇地震(工況④)和運行兩年循環振動遭遇地震(工況⑤)時，對大壩的影響分析。

圖8 壩體及壩基動位移等值線(單位：m)

3.2 僅高鐵運行振動對大壩的安全性影響分析

工況①、②下高鐵振動下大壩及壩基動位移分布如圖8所示，可以看出：①壩體及壩基動位移等值線分布規律總體合理，其值基本上呈現從下至上逐漸增大的特點；②在高鐵運行振動1次的作用下，整個大壩的水平向和豎向動位移極值微小(不超過0.02 cm)；在高鐵運行振動2年的作用下，整個大壩的水平向和豎向動位移同樣極值微小(也不超過0.02 cm)。

圖9給出了高鐵運行振動下壩體及壩基加速度等值線，可以看出：大壩加速度等值線總體分布合理，極值主要位于灰壩表面附近。僅高鐵振動1次作用或累計振動2年時，大壩加速度反應很小。

圖9 壩體及壩基加速度等值線(單位：m/s2)

此外，通過對高鐵運行振動下大壩的動孔壓和永久變形分析，僅高鐵運行振動時灰壩不產生動孔壓，不出現液化區域，且大壩基本不產生永久變形。

3.3 僅地震振動對大壩的安全性影響分析

在遭遇7度地震時，大壩及壩基動位移分布如圖10所示。在地震作用下，整個大壩的水平向和豎向動位移極值分別為8.93、 5.66 cm。

圖10 地震作用下壩體及壩基動位移等值線(單位：m)

圖11為地震時壩體及壩基加速度等值線圖，可見，極值主要位于灰壩表面附近，僅地震作用下水平向地震加速度放大倍數分別為2.72倍和2.78倍。

圖11 地震作用下壩體及壩基加速度等值線(單位：m/s2)

通過計算分析，僅地震作用時，灰壩壩體基本不產生動孔壓，不會出現液化區域；灰壩的永久變形隨著振動時間有所積累，即當土體單元的加速度超過屈服加速度時，產生殘余變形增量，并不斷累積，至振動結束時達到最大值。僅地震作用時，灰壩的永久變形為6.406 cm。

3.4 高鐵運行振動遭遇地震時對大壩的安全性分析

大壩在考慮高鐵振動影響下遭遇7度地震時大壩及壩基動位移等值線如圖12所示，可以看出，在高鐵運行振動作用下，整個大壩的水平向和豎向動位移極值微小(不超過0.02 m)；在地震作用下，整個大壩的水平向和豎向動位移極值分別為8.93 cm和 5.66 cm；在高鐵運行振動聯合地震作用時，整個大壩的水平向和豎向動位移極值分別為8.93 cm和5.66 cm；在高鐵運行振動聯合地震作用2年后，整個大壩的水平向和豎向動位移極值分別為8.93 cm和5.66 cm，基本未發生增長。

圖12 地震+高鐵振動下壩體及壩基動位移等值線(單位：m)

工況①、②下壩體及壩基加速度等值線如圖13所示，可見，考慮高鐵振動影響下遭遇7度地震時，加速度極值主要位于灰壩表面附近。僅高鐵振動作用時，大壩加速度反應很小；僅地震作用和地震+高鐵振動1次時水平向地震加速度放大倍數分別為2.72倍和2.78倍，豎向加速度放大倍數分別為4.53倍和4.54倍；考慮地震+高鐵振動2年后水平向地震加速度放大倍數2.78倍，豎向加速度放大倍數為4.54倍。

圖13 地震+高鐵振動下壩體及壩基加速度等值線(單位：m/s2)

通過計算分析，在地震聯合高鐵振動作用1次及2年后，灰壩壩體仍未產生較大的動孔壓，在灰壩淺表層未出現液化區域。此外，僅高鐵運行振動時灰壩不產生永久變形。地震作用及地震聯合高鐵振動時，灰壩的永久變形隨著振動時間有所積累，即當土體單元的加速度超過屈服加速度時，產生殘余變形增量，并不斷累積，至振動結束時達到最大值。僅地震作用時，灰壩的永久變形為6.406 cm，地震聯合高鐵振動作用時，灰壩的永久變形為6.415 cm，地震聯合高鐵振動作用后2年，灰壩的永久變形為6.420 cm，高鐵對灰壩的永久變形影響微小。

5 結 論

本文采用理論分析與數值模擬相結合的方法，在系統總結高鐵運行振動對周邊環境的影響規律基礎上，對高鐵運行振動影響下的張家口灰場大壩安全進行評價分析，結果表明，在一定距離下，高鐵運行振動對大壩的安全性影響較小：

(1)大壩動位移從壩基至壩頂逐漸增大，在高鐵運行振動作用下(1次及2年)，整個大壩的水平向和豎向動位移極值不超過0.02 m；在地震作用下，水平向和豎向動位移極值分別為8.93 cm和 5.66 cm；在高鐵運行振動聯合地震作用(1次及2年后)時，水平向和豎向動位移極值分別為8.93 cm和5.66 cm，高鐵運行振動對壩體動位移的影響很小。

(2)僅高鐵運行振動(1次及2年)時，大壩加速度反應很小，極值約0.003g；僅地震作用和地震+高鐵振動(1次及2年后)水平向地震加速度極值分別為0.409g和0.418g，豎向加速度極值分別為0.453g和0.454g，高鐵對大壩加速度影響很小。

(3)僅高鐵運行振動(1次及2年)時，灰壩不產生動孔壓，無液化區域；僅地震作用時灰壩壩體未出現較大的動孔壓，不會在灰壩淺表層出現液化區域；地震聯合高鐵振動作用(1次及2年后)下，灰壩壩體也不會出現較大的動孔壓，灰壩淺表層不存在液化區域，高鐵對灰壩動孔壓和液化區域影響很小。

(4)僅高鐵運行振動(1次及2年)時，灰壩不產生地震永久變形，僅地震作用時灰壩的永久變形為6.406 cm，地震聯合高鐵振動作用1次時灰壩的永久變形為6.415 cm，運行2年后永久變形為6.420 cm。高鐵對灰壩的永久變形影響微小。