地震作用下高心墻堆石壩超孔隙水壓力演變分布規律研究

郭麗娜，曹學興，陳 豪

(1.云南工商學院， 云南 昆明 651701；2.華能瀾滄江水電股份有限公司， 云南 昆明 650214)

白河土壩、石門水庫土壩、陡河水庫土壩，Van Norman Dam、Lower San Fernando Dam和Upper San Fernando Dam等[1-7]國內外多座土石壩工程都出現了震損破壞，其中石門水庫土壩的滑坡[8]，Lower San Fernando Dam和Upper San Fernando Dam大規模的坍滑[9]，均出現在振動停止后。因此考慮振動孔隙水壓力的有效應力法才能準確計算和評價土石壩的抗震性能，本文研究提出了一個超孔隙水壓力計算模型，并編制相應的計算程序應用到某高心墻堆石壩工程中，得到了地震作用下壩體超孔隙水壓力的演變分布規律。

1 超孔壓計算模型及驗證

目前，針對高心墻堆石壩摻礫土料和砂礫石料振動孔隙水壓力的演變規律仍研究較少。張茹等[10]通過試驗得出：心墻防滲黏性土和壩基砂礫石動孔壓增長的規律與砂土有明顯的不同，會隨振動周數、強度的增加而增加，黏性土不會出現液化現象，礫石土取決于固結比等試驗條件。因此在高土石壩的計算中，動孔壓的計算不宜采用根據砂土試驗得出的Seed等動孔壓計算模型。

1.1 超孔壓計算模型

根據多座土石壩工程摻礫黏土，礫石土等土料動孔壓增長的一般規律，提出超孔壓計算模型：

(1)

式中：a、b、c為試驗曲線擬合參數。

其中：

(2)

(3)

(4)

式中：a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3均為試驗曲線擬合參數。

1.2 超孔壓模型的合理性驗證

某高心墻堆石壩在工程設計時，開展了筑壩材料動力特性試驗，試驗得到不同剪應力比條件下，隨振次的增加動孔壓的增長情況[11]，如圖1所示，通過圖1可以看到，提出的超孔壓模型可以非常好擬合該工程孔壓增長試驗情況。心墻料和反濾料擬合系數均在0.99以上。超孔壓模型可以用于高心墻堆石壩抗震計算分析，以研究超孔隙水壓力的演變分布規律。

2 高心墻堆石壩超孔壓演變規律分析

Hardin-Drnevich模型不能較好的反映圍壓效應，結合改進的材料動力模型及超孔壓模型[12]編制相應的程序，并應用于設防烈度為9°，某高240 m的高土石壩。

2.1 有限元模型及計算參數

有限元計算模型選取了部分基巖、壩基覆蓋層及大壩整體，如圖2所示。

圖1 某高心墻堆石壩筑壩材料動孔壓

圖2 有限元計算模型圖

首先進行靜力計算作為初始狀態，靜力計算考慮了填筑及蓄水過程，壩體與覆蓋層采用鄧肯E-μ雙曲線模型。動力計算分時段進行，材料動力特性和超孔隙水壓力計算參數見文獻[12]和文獻[6]，等效振動次數根據Martin等[13]的研究成果確定。

2.2 地震波

通過SHAKE91程序反演后，壩基水平向基巖地震波峰值為0.29g，地震計算時長30 s。各方向地震波時程如圖3所示。

圖3 三向地震時程

2.3 地震過程中超孔隙水壓力增長情況

圖4給出了震中不同時刻壩體內部超孔隙水壓力的分布情況。在地震發生不同時刻超孔隙水壓力分布規律基本一致，孔壓值從上到下不斷增大，上游反濾層超孔壓值小于心墻內部，心墻底部靠上游側超孔壓值最大。由于沒有考慮排水效應，超孔隙水壓力隨振動時間的增長不斷積累，地震停止前超孔壓值最大為1 482.5 kPa。

圖5給出了地震過程中5個特征點超孔隙水壓力增長過程線。上游反濾層頂部附近動剪應力比較大，短時間內，超孔隙水壓力會有顯著增長，之后超孔隙水壓力基本穩定。其他部位地震過程中超孔隙水壓力呈不斷增大趨勢，地震振幅較大時超孔隙水壓力增幅較大，地震振幅較小時孔壓值增長幅度較為平緩。

圖6給出了心墻和上游反濾層動孔壓比分布情況。隨著地震時間的累積，超孔壓比呈現不斷增大的趨勢。在5 s時，超孔壓比較小，基本在0.3以下，在15 s時，心墻頂部超孔壓比達到0.5以上，上游反濾層頂部超孔壓比達到0.7以上；之后地震振幅變小，超孔壓比的增長隨著超孔隙水壓力增長變緩也變緩，地震結束前上游反濾層頂部超孔壓比達到0.8，工程設計中應適當改善上游反濾層頂部材料特性，提高抗液化性能。

圖4 心墻和上游反濾料超孔隙水壓力(單位：kPa)

圖5 超孔隙水壓力在地震過程中的增長過程

圖6 心墻和上游反濾層超孔壓比

2.4 震后超孔隙水壓力消散和擴散

圖7為地震發生后48 h內大壩超孔隙水壓力分布情況。地震結束后，超孔隙水壓力整體表現為隨著時間的延長孔壓值減小，超孔壓整體處在消散趨勢中，孔壓值減小的幅度與壩體材料滲透系數關系密切，心墻上部滲透系數較小其超孔隙水壓力消散較慢，震后48 h超孔隙水壓力仍有250 kPa。

超孔隙水壓力的消散伴隨著擴散現象，導致部分區域孔壓先增長后降低。地震停止初期，上下游靠排水邊界處，超孔隙水壓不斷降低，心墻內部孔壓出現了增大的現象，當超孔壓在心墻內部達到最高之后超孔壓的演變將以消散為主導。對于這種現象的機理，黨發寧等[14]進行了闡釋。當心墻內部超孔壓最大時，收縮作用達到頂峰，之后消散占主導，心墻內部超孔隙水壓力也將不斷下降。工程算例中，心墻上部和下部采用了兩種不同滲透系數的材料，地震后1 h，在滲透系數較高的心墻底部超孔壓值達到最大，之后孔壓最大值向滲透系數小的上部移動，地震后6 h，心墻上部孔壓值達到最大。

圖7 震后大壩超動孔隙水壓力(單位：kPa)

3 結 論

傳統的超孔壓模型多根據砂土提出，與高心墻堆石壩壩料孔壓增長規律不符。本文提出了一種計算黏性土、砂礫石土等超孔壓的新模型，并應用于高土石壩動力響應的計算分析中。計算得到高心墻堆石壩壩體孔隙水壓力在地震過程中及震后演變分布規律：

(1) 地震過程中，壩內超孔隙水壓力和超孔壓比不斷增大，增長的幅度與地震振幅密切相關，超孔壓值最大的部位一般在上游反濾層頂部，是土石壩抗震薄弱部位，工程設計中應采取一定工程措施。

(2) 地震結束后，超孔隙水壓力整體表現為隨著時間的延長孔壓值減小，超孔壓整體處在消散趨勢中，孔壓值減小的幅度與壩體材料滲透系數關系密切，但超孔隙水壓力在消散中還伴隨著擴散現象，導致部分區域孔壓先增長后降低，也解釋了有些工程在地震后發生破壞的原因。