地震作用下平原水庫土石壩穩定受滲流影響的分析

多力坤·麥麥提

（喀什市水利局，新疆 喀什 844000）

1 引言

土石壩是平原水庫重要的擋水構筑物，壩體及壩基中通常存在滲流，在震害發生后會對大壩穩定造成一定威脅，但滲流力的影響在平原水庫地震安全分析中卻經常被忽略，為此，研究以新疆巴楚縣紅海鄉境內某新建平原水庫為例，通過試驗分析及數值模擬技術進行其水庫大壩壩體和壩基液化及滲流對大壩穩定性影響的分析探討。

2 工程概況

某新建平原水庫位于新疆巴楚縣紅海鄉境內，水庫庫區長4.50 km，寬2.20～3.60 km，總集水面積12.41 km2，總庫容5.34×107m3，蓄水位6.10 m，庫底高程均值1.40 m。該水庫屬于中型平原水庫，大壩壩體為土石結構，最大壩高5.90 m，壩基可液化透水層普遍存在；庫區地形平坦，但地勢較為低洼，堤身主要由粉質粘土和黏土組成。地基土體由上至下分別為：①-1 厚度2.00～4.90 m 的陸相層，層底高程-0.94～-3.95 m，主要為黏土、淤泥質（粉質）黏土及粉質黏土，滲透系數400×10-6cm/s，土體容重19.80 kN/m3，壓縮模量5 370 kPa；①-2 層厚5.40～10.80 m的陸相層，層底高程-7.80～-13.10 m，主要為粉砂局部夾雜細砂、粉土，滲透系數36.70×10-6cm/s，土體容重19.80 kN/m3，壓縮模量5 810 kPa；②-1 層厚4.60～9.80 m 的陸相互沉積物，層底高程-14.80～-20.00 m，以黏土、粉質黏土及粉砂、粉土為主，滲透系數1 624.50×10-6cm/s，土體容重19.50 kN/m3，壓縮模量10 225 kPa；②-2 層厚4.20～12.40 m 的陸相沉積物，層底高程-23.00～-26.80 m，以黏土、粉質黏土及粉砂粉土為主，滲透系數9.24×10-6cm/s，土體容重19.30 kN/m3，壓縮模量9 300 kPa；②-3最大揭露層厚8.8 m的陸相沉積物，以黏土和粉質黏土為主，滲透系數385.70×10-6cm/s，土體容重20.10 kN/m3，壓縮模量7 310 kPa。

根據工程勘察結果，該平原水庫庫區土石壩壩基存在粉砂層和粉土層，現場取土試驗以及大量工程實踐均表明，此兩種土體均為級配較差的土料，在遭遇地震后出現液化的可能性非常大。

3 液化判別

為簡化分析過程，選擇6+650 斷面和10+700 斷面并采用現場標貫擊數和波速試驗進行該平原水庫土層液化情況分析判斷。分析及試驗結果具體見圖1 和圖2，在圖中，Ncr、N、Vscr、Vs分別表示標貫擊數臨界值、標貫擊數實測值、剪切波速臨界值和剪切波速實測值。從圖2中所列示的6+650斷面標貫擊數試驗結果可以看出，其易液化土層主要為深度8～12 m 的粉土層，且所對應的液化破壞等級為中等。從圖3所給出的6+650斷面波速試驗結果可以看出，深度8～12 m的粉土層以及深度12～15 m的粉砂層發生液化的可能性均較大，且液化破壞等級均為一般。進行水庫庫區土層標貫擊數試驗結果以及波速試驗結果的對比得出，分布于該平原水庫大壩深度8～12 m 的粉土層，標貫擊數試驗和波速試驗結果基本一致，即其屬于可液化土層，但前者認為其為中等液化，而后者認為其為一般液化。而對于該平原水庫土石壩深度12～15 m的粉砂層，標貫擊數試驗認為其不發生液化，但波速試驗結果正好相反，造成這種差異的主要原因在于該土層僅設置有1個標貫點，故標貫擊數法缺乏數據，導致其分析結果可能存在誤差。故該土層應沿用波速試驗結果，判定6+650 斷面在深度8～15 m 范圍內存在液化可能。

圖1 標貫擊數試驗結果圖

圖2 波速試驗結果圖

10+700斷面標貫擊數試驗結果顯示，13～15 m深的土層屬于液化土層，且對應的液化等級屬輕微；剪切波速試驗結果表明，10～11 m 和14～17 m 深的土層存在液化的可能，且液化等級為一般。具體而言，標貫擊數試驗和波速試驗對于粉土層液化情況的判別結果基本吻合，針對粉砂層，剪切波速試驗將其判定為液化土層，而標貫試驗僅在15 m深度設置1處標貫點，試驗結果顯示為無液化傾向；15 m 深度以下未設置標貫點。所以，水庫大壩粉砂層發生液化的可能性較大。

4 有限元地震動力分析

通過標貫擊數試驗及剪切波速試驗對該平原水庫土石壩液化土層進行了初步確定，而在遭遇地震后大壩土層是否會整體表現出液化破壞？如果只發生局部液化，那具體的液化區域如何確定？為回答以上問題，必須進行水庫土石壩有限元地震動力分析。具體而言，分析過程應分兩步進行：首先根據水庫土石壩應力～應變關系分析初始靜力，并分考慮滲流和不考慮滲流兩種情形研究滲流影響；其次，通過構建等效線性本構關系模型進行動力分析。

在地震時程曲線中，所設定的地震持續時間僅為10 s，這一時間所對應的振動幅度最大，將地震波傳遞加速度設定為0.15 g，進行地震烈度為7 度時該平原水庫壩體加速度時程曲線的仿真模擬，結果見圖3。

圖3 加速度最大值取0.15 g的加速度時程曲線圖

水庫土石壩初始靜力分析時，分別向土石壩兩側以及土石壩底部施加水平向的固定約束以及水平向和豎直向的雙向約束。在進行動力分析的過程中，為防止地震波發生反射，降低計算結果的準確性，全部邊界均按照吸收邊界條件設定。

該平原水庫土石壩6+650 斷面土層主要為黏土、粉土、粉砂和粉質黏土層，其中粉土層和粉砂層厚度分別為3.90 m 和10.40 m。10+700斷面土層主要為黏土、粉砂層、粉土層，粉土層和粉砂層分別厚5.40 m 和2.40 m。通過比較地看結果及有限元分析結果可以看出，兩個斷面土層分布存在差異，6+650斷面粉土層分布較淺且厚度較薄，10+700 斷面粉土層分布較深且厚度較大。

5 滲流影響

為進行該平原水庫土石壩穩定受滲流影響的分析，首先必須明確地震作用下其滲流場是否發生改變，這一過程主要通過相關模型試驗加以驗證。在振動臺上展開相應試驗，且所輸入的地震波為5Hz 和15Hz 的剪切波，采用測壓管進行振動及未振動兩種情況下壩基水頭情況量測，量測結果具體見圖4。由圖可知，在振動情況下，水庫大壩壩基內測壓管水頭量測值增加明顯，且在天山中東段地震波的影響下，滲流場并未表現出較明顯變幅，所以，此處暫不考慮因地震所引起的滲流場變化，即將土體內孔隙水壓力初始值視為靜水壓力，分析其動力反應。

圖4 壩基水頭量測結果圖

根據動力分析結果，6+650斷面和10+700斷面液化區域與試驗所得結果基本吻合；但是不同斷面液化發生區域和范圍均存在差異。6+650 斷面土體液化主要出現在土石壩兩側及壩底，且液化范圍較大，而10+700斷面土體液化主要出現在土石壩底部。具體見圖5中陰影部分。地震作用下，土石壩壩體和壩基內出現滲流場，將滲流因素考慮進去后進行滲流場計算。結果表明，滲流主要出現在粉土層和粉砂層。6+650斷面粉土層及粉砂層較厚，滲流影響范圍大，而10+700斷面粉土層和粉砂層厚度小，故滲流影響范圍小。

圖5 不考慮滲流時的液化區域結果圖

將以上滲流場的影響引入地震動力分析過程后，所得出的孔隙水壓力初始值受到的滲流場影響較大，但受到的非靜止孔隙水壓力作用較小。考慮到滲流的可能影響，該平原水庫土石壩液化區域可能的分布情況具體為圖6 中的陰影區域。從圖中可以看出，6+650 斷面將滲流影響充分考慮進去后，沿滲流溢出方向所表現出的液化程度逐漸增大，但逆滲流溢出方向做表現出的液化程度反而減小。10+700斷面滲流因素考慮進來后，臨近迎水面區域發生液化的可能性也表現為減小趨勢，但粉土層液化范圍卻持續增大。總而言之，是否考慮滲流影響，所得到的液化區域范圍差別并不大。

圖6 考慮滲流時的液化區域結果圖

在得出土石壩液化區域的基礎上，借助擬靜力分析以及畢肖普有效應力進行地震烈度為7 度情況下平原水庫土石壩安全系數的測定。土體抗剪強度指標選擇該水庫大壩土體靜有效應力抗剪強度指標，土體孔隙水壓力則采用地震影響消除后的孔隙水壓力值，在以上假設基礎上進行考慮滲流影響和不考慮滲流影響兩種情況下土石壩迎水坡和背水坡穩定安全系數計算。分析顯示，將滲流因素考慮進去后該平原水庫土石壩迎水坡安全系數呈增大趨勢，背水坡安全系數呈減小趨勢，但變動幅度均不超出0.2～0.3的范圍。

6 結論

通過對新疆巴楚縣紅海鄉境內某平原水庫土石壩穩定受滲流影響的分析，主要得出以下結論：平原水庫土石壩通常高度較小，地基中普遍存在液化土層，且土層滲透性較大，在地震影響下土層液化及滲流對大壩安全存在一定影響。分析表明，土層液化僅出現在小范圍內，發生液化的范圍往往與土層分布狀況存在密切聯系，故不論是否考慮滲流影響，發生震害后水庫大壩以及壩基表現出整體性滑動的可能均不大。