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(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京100048；2.北京水務(wù)咨詢有限公司，北京100048)

1 研究背景

在高速鐵路迅速發(fā)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(huán)境公害之一。例如，早在1995年，位于清華大學校園東側(cè)的京山鐵路，由于其產(chǎn)生的振動嚴重影響了校內(nèi)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(chǎn)生的環(huán)境振動問題更為突出。研究表明，高速鐵路產(chǎn)生的地面振動與普通鐵路相比雖然持續(xù)時間更短但是振動幅值更高[6]。

國內(nèi)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(chǎn)生機理、振動的傳播、振動對環(huán)境影響數(shù)值計算、振動波形的疊加4個方面：①在高鐵振源模型及產(chǎn)生機理方面，國內(nèi)外學者認為車輛系統(tǒng)和軌道系統(tǒng)的相互作用關(guān)系是高鐵運行的主要振源，建立了經(jīng)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(huán)境振動傳播規(guī)律方面，鐵路地基土的物理力學性質(zhì)(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(fā)現(xiàn)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(qū)能夠；③在振動波形疊加方面，現(xiàn)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(zhì)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(huán)境影響的數(shù)值計算技術(shù)方面，大多采用車-建筑物-地基耦合系統(tǒng)的有限元分析模型，為研究高速鐵路對環(huán)境的振動響應(yīng)提供了很好的研究方法。

隨著高鐵的建設(shè)，由高速列車運行引發(fā)的環(huán)境振動問題越來越受到重視，但是目前國內(nèi)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(nèi)容。本文以京張鐵路張家口灰場段為例，采用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)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?shù)拇胧┘右韵蚪档臀：κ蛊湓诳煽胤秶鷥?nèi)。

表1 高鐵運行實測振動統(tǒng)計值

1 高鐵運行引起周圍環(huán)境的振動特性和傳播規(guī)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(huán)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(huán)振動，地震波屬于短時間內(nèi)的突發(fā)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(jié)構(gòu)各部位的振動情況和振動傳播的衰減規(guī)律研究。

統(tǒng)計總結(jié)國內(nèi)高速鐵路運行時環(huán)境振動的實測值，如表1所示。從表1統(tǒng)計結(jié)果可以看出：①列車運行速度與周圍環(huán)境的振動呈正比，速度越大，同等條件下環(huán)境振動越大，鑒于國內(nèi)現(xiàn)階段高速鐵路運行平均最大速度為300 km/h(除復(fù)興號外)，可選用此速度下的環(huán)境振動值；②隨距離的增大，環(huán)境振動的峰值加速度減小；③振動在同一介質(zhì)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(shù)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(guī)律為指數(shù)型衰減，將所有測點振動加速度峰值采用指數(shù)函數(shù)進行擬合，并做測點的包絡(luò)函數(shù)曲線，得到如圖2所示。其中擬合曲線結(jié)果為amax=119.8e-0.156x，包絡(luò)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(luò)曲線公式對100 m處振動加速度峰值進行預(yù)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(yīng)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(luò)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(fā)電廠位于河北省張家口市宣化區(qū)沙嶺子鎮(zhèn)，東距宣化約10 km，西距張家口約14 km，區(qū)內(nèi)有北京-大同鐵路、京張高速公路和207國道呈北西-南東向經(jīng)過，南北向有地方公路相通，交通十分方便。張家口發(fā)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(cè)山谷，距廠區(qū)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(zhì)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(jù)工程基本情況，合理確定計算域大小，結(jié)合不同的材料分區(qū)，進行有限元網(wǎng)格剖分，以4節(jié)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(wǎng)格見圖7，其中節(jié)點數(shù)2 346個，單元數(shù)2 285個。

圖7 有限元網(wǎng)格示意

(2)計算參數(shù)。取動剪應(yīng)變?yōu)?0-6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(yīng)力σ0′的關(guān)系在雙對數(shù)坐標上，Gmax與σ0′為直線關(guān)系，可用冪函數(shù)形式來表示，即

Gmax=KPa(σ0′/Pa)n

(1)

式中，σ0′為平均有效應(yīng)力；pa為大氣壓力；K和n為試驗參數(shù)，其值可由試驗結(jié)果確定，整理結(jié)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(shù)值化離散。

表2 最大動剪模量參數(shù)K、n值

(3)計算工況。根據(jù)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(huán)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(huán)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(guī)律總體合理，其值基本上呈現(xiàn)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(yīng)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(chǎn)生動孔壓，不出現(xiàn)液化區(qū)域，且大壩基本不產(chǎn)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(shù)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(chǎn)生動孔壓，不會出現(xiàn)液化區(qū)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(chǎn)生殘余變形增量，并不斷累積，至振動結(jié)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(lián)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(lián)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(fā)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(yīng)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(shù)分別為2.72倍和2.78倍，豎向加速度放大倍數(shù)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(shù)2.78倍，豎向加速度放大倍數(shù)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(lián)合高鐵振動作用1次及2年后，灰壩壩體仍未產(chǎn)生較大的動孔壓，在灰壩淺表層未出現(xiàn)液化區(qū)域。此外，僅高鐵運行振動時灰壩不產(chǎn)生永久變形。地震作用及地震聯(lián)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(chǎn)生殘余變形增量，并不斷累積，至振動結(jié)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(lián)合高鐵振動作用時，灰壩的永久變形為6.415 cm，地震聯(lián)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(jié) 論

本文采用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，在系統(tǒng)總結(jié)高鐵運行振動對周邊環(huán)境的影響規(guī)律基礎(chǔ)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(jié)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(lián)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(yīng)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(chǎn)生動孔壓，無液化區(qū)域；僅地震作用時灰壩壩體未出現(xiàn)較大的動孔壓，不會在灰壩淺表層出現(xiàn)液化區(qū)域；地震聯(lián)合高鐵振動作用(1次及2年后)下，灰壩壩體也不會出現(xiàn)較大的動孔壓，灰壩淺表層不存在液化區(qū)域，高鐵對灰壩動孔壓和液化區(qū)域影響很小。

(4)僅高鐵運行振動(1次及2年)時，灰壩不產(chǎn)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(lián)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。