壓坡體對土石壩抗震性能的影響及地震安全性評價

摘要：目前一大批抽水蓄能電站正在規(guī)劃和建設(shè)，由于環(huán)保的要求，大量的棄渣料堆積在土石壩壩坡形成壓坡體。由于缺少相應(yīng)規(guī)范指導(dǎo)，壓坡體普遍采用壩體標準進行抗震安全評價，經(jīng)常導(dǎo)致強震區(qū)工程的壓坡體難以滿足要求而進行過度設(shè)計，喪失了經(jīng)濟性，研究強震下土石壩壓坡體影響機制及評價方法具有重要意義。針對超強地震區(qū)的土石壩工程，考慮大壩-無限地基動力相互作用，開展了全彈塑性的動力強非線性變形分析以及等價線性動力分析和時程穩(wěn)定分析，研究了壓坡體對壩體地震反應(yīng)的影響機制，提出了壓坡體地震安全評價方法。結(jié)果表明：壓坡體對壩坡的法向壓力明顯大于順坡向剪切力，壓坡體有利于減小壩體地震變形；壓坡體孔隙率變化對壩體地震變形基本沒有影響，無需提高壓坡體碾壓標準；壓坡體抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)對應(yīng)的是不影響壩體安全的淺層無害滑面，建議采用大壩整體變形或穿過壩體的有害滑面穩(wěn)定性（安全系數(shù)及滑移量）進行壓坡體地震安全評價。研究成果為強震區(qū)土石壩壓坡體的抗震設(shè)計和安全評價提供了支撐。

關(guān) 鍵 詞：土石壩； 壓坡體； 地震響應(yīng)； 地震安全性評價； 抽水蓄能電站

中圖法分類號： TV641 文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2025.03.022

0 引 言

抽水蓄能是當(dāng)前技術(shù)最成熟、經(jīng)濟性最優(yōu)、最具大規(guī)模開發(fā)條件的電力系統(tǒng)綠色低碳清潔靈活調(diào)節(jié)電源［1］。加快發(fā)展抽水蓄能，是構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的迫切要求，是可再生能源大規(guī)模發(fā)展的重要保障［2］。然而中國近80%的水能資源集中在西部地區(qū)，而西部地區(qū)地震頻發(fā)、強度大，強震區(qū)建壩“難以避讓”，多座抽蓄電站的設(shè)計地震動峰值已超過0.5g，如甘肅黃龍工程、內(nèi)蒙古烏海工程、甘肅黃羊工程，大壩的抗震安全備受關(guān)注。

抽水蓄能電站工程大多需要開挖庫盆，出現(xiàn)了大量開挖棄渣料。由于環(huán)水保的要求，較差的開挖料普遍堆積于壩后形成壓坡體，如黃龍工程設(shè)置寬40 m，高度達0.8倍壩高的壩后壓坡體；烏海工程設(shè)置寬60 m，高度達0.5倍壩高的壩后壓坡體。由于現(xiàn)行規(guī)范并未對壓坡體的評價標準進行規(guī)定，目前普遍采用壩體標準對壓坡體進行抗震安全評價。但壓坡體與壩體的功能需求不同，并不需要具備擋水能力，且壓坡體的巖性和級配較差，力學(xué)特性明顯低于壩體，若采用與壩體同樣的抗震評價標準，對于強震區(qū)的工程，則需要進行抗震加固設(shè)計，既增加了工程投資，又拖慢了施工進度。因此開展強震區(qū)土石壩壓坡體的影響機制和抗震評價方法研究具有重要的工程意義。

地震變形是評價大壩抗震安全性的關(guān)鍵指標［3］，合理描述強震時筑壩材料的變形特性對評價大壩的抗震性態(tài)、極限抗震能力和量化抗震措施效果是十分重要的。而強震條件下筑壩材料會呈現(xiàn)顯著的非線性變形特性，傳統(tǒng)的等價線性分析方法已無法滿足土石壩強震響應(yīng)分析需求。然而，目前強震下土石壩壓坡體的地震變形特性相關(guān)研究還未見報道。

本文以超強地震區(qū)的瀝青混凝土面板堆石壩為例，采用考慮大壩-地基相互作用的全彈塑性分析方法和有限元動力時程穩(wěn)定分析方法，研究了壓坡體的高度、寬度、孔隙率、坡度等因素對壩體和壓坡體地震響應(yīng)的影響，提出了壓坡體的地震安全評價方法。研究成果為強震區(qū)土石壩壓坡體的設(shè)計和安全評價提供了支撐。

1 分析模型及計算參數(shù)

1.1 有限元模型

HY抽水蓄能電站工程為Ⅰ等大（1）型工程，其瀝青混凝土面板壩典型斷面如圖1所示。壩體最大壩高100 m，上下游坡度為1∶1.8和1∶1.7，庫底高程870.00 m，壩頂高程907.00 m，正常蓄水位905.00 m。壩后設(shè)置與壩頂齊平的壓坡體，寬度110 m，下游坡度1∶3，坡腳高程720.00 m。二維有限元網(wǎng)格模型見圖2，上下游方向截斷范圍均為900 m，豎向截取范圍為300 m，壩體部分網(wǎng)格尺寸約為3 m，均滿足規(guī)范的要求［4］。模型共有單元24 843個，節(jié)點24 777個。

本文計算采用大連理工大學(xué)工程抗震研究所自主研發(fā)的大型巖土工程有限元高性能分析軟件系統(tǒng)GEODYNA［5］，該軟件集成了有限元-比例邊界元-無網(wǎng)格-離散元耦合的多數(shù)值分析方法，已應(yīng)用于90多個土石壩工程和核電廠工程，相關(guān)介紹及部分應(yīng)用可參考相關(guān)文獻［6-10］。

1.2 本構(gòu)模型及參數(shù)

為更合理地描述土石體的力學(xué)特性，堆石體和壓坡體均采用鄒德高和劉京茂等發(fā)展的靜動統(tǒng)一廣義塑性模型［9-12］。壩體堆石的孔隙率為18%，壓坡體堆石的孔隙率為24%，通過三軸試驗結(jié)果擬合了堆石料和壩后壓坡體的彈塑性模型參數(shù)，見表1。為研究壓坡體孔隙率的影響，額外擬合了壓坡體孔隙率為22%的本構(gòu)模型參數(shù)。基巖采用線彈性模型，參數(shù)見表2。

1.3 地震動輸入

本文采用黏彈性人工邊界聯(lián)合等效荷載的地震波動輸入方法［13-14］，考慮了大壩和基巖的動力相互作用。黏彈性邊界單元的彈簧剛度和阻尼系數(shù)分別為

式中：G為邊界處材料的剪切剛度；ρ為質(zhì)量密度；r為散射源到人工邊界上節(jié)點的距離；在計算法向邊界物理元件系數(shù)時c取P波波速，在計算切向邊界物理元件系數(shù)時c取S波波速；參數(shù)α為不同方向邊界的邊界參數(shù)；Ii=1Ai為邊界節(jié)點代表的面積。

等效荷載的計算表達式為

式中：uefb，wefb，Refb分別是自由波場在系統(tǒng)邊界節(jié)點上引起的位移向量、速度向量和相應(yīng)的力向量；Kb和Cb分別為黏彈性人工邊界對邊界單元剛度和阻尼的附加作用矩陣。

該工程壩址位于近場源地震區(qū)，相應(yīng)的基巖水平地震動峰值加速度為0.75g，根據(jù)NB 35047—2015《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》第5.1.2節(jié)規(guī)定［3］，設(shè)計地震的水平向和豎直向峰值加速度取值相同，均為0.75g，加速度時程見圖3。

2 分析結(jié)果

2.1 大壩地震變形

壩體和壓坡體的震后沉降見圖4。壩體部分最大沉降為0.68 m，位于壩頂；壓坡體部分最大沉降為2.8 m，位于壓坡體頂部下游側(cè)。壓坡體的孔隙率為24%，而壩體的孔隙率為18%，因此壓坡體的沉降變形明顯大于壩體。但沉降變形從上游壩體到下游壓坡體連續(xù)逐漸增大，并未發(fā)生突變。

2.2 壓坡體高度的影響

為了研究壩后壓坡體高度的影響，首先控制壓坡體的寬度一致，建立壓坡體高度分別為1.0，0.8，0.5倍壩高以及無壓坡體的分析模型。壩體部分的震后沉降結(jié)果見圖5，壩頂和壓坡體震后沉降最大值匯總于表3。壓坡體高度為1.0，0.8，0.5倍壩高以及無壓坡體時，壩體部分震后沉降最大值分別為0.68，0.73，1.00，1.15 m。壓坡體高程越大，壩體震后沉降越小，壩后設(shè)置壓坡體對控制壩體變形是有利的。

壓坡體對下游壩坡的法向力有利于壩體堆石料緊密壓實，有利于壩體變形和穩(wěn)定；但壓坡體下游壩坡的順坡向向下的剪應(yīng)力使壩體下游坡向下滑動，不利于壩體變形和穩(wěn)定。滿蓄期，壓坡體和壩體交接位置處的順坡向剪力和法向力的沿高程分布見圖6，法向壓力超過剪應(yīng)力的3倍（arctan1/3=18°，遠小于堆石料內(nèi)摩擦角），壓坡體對下游壩坡的保護作用更為明顯。

2.3 壓坡體寬度的影響

為研究壩后壓坡體寬度的影響，控制壓坡體的高度均為1倍壩高，建立壓坡體寬度110，80，30 m以及無壓坡體的分析模型。壩體部分的震后沉降見圖7，壩頂和壓坡體震后沉降最大值匯總于表4。壓坡體寬度為110，80，30 m以及無壓坡體時，壩體部分震后沉降最大值分別為0.68，0.76，0.93，1.15 m。壓坡體寬度越大，壩體震后沉降越小，壩后設(shè)置壓坡體對控制壩體變形是有利的。

2.4 壩體坡度的影響

為研究壩體下游坡比的影響，建立了壩體下游坡比1∶1.4、1∶1.6、1∶1.7的模型，此時壓坡體均為設(shè)計采用的體型，即頂寬110 m，下游坡比1∶3。壩體部分震后沉降見圖8。可見下游壩坡坡比的改變對壩體震后位移的影響很小，位移最大值變化不足3%。因此可認為，壩體和壓坡體交接面處的坡比對壩體的震后沉降無明顯影響。即使采用較陡的1∶1.4的坡度，壩后壓坡體的存在也不會對壩體的震后沉降造成不利影響。

2.5 壓坡體坡度的影響

為研究壓坡體下游坡度的影響，計算了壓坡體下游坡比為1∶2的工況，震后沉降見圖9。與壓坡體下游坡比1∶3的工況（圖4）對比，壩體部分的變形極值及分布規(guī)律無明顯變化，壩頂沉降最大值均為0.68 m；壓坡體部分，由于坡度變陡，壓坡體的震后最大沉降由2.8 m增加到了3.8 m。壓坡體變陡后，壓坡體自身的震后沉降明顯增加，但壩體變形基本不變。

2.6 壓坡體孔隙率的影響

分別采用壓坡體1倍壩高，以及寬分別為110 m和30 m兩個模型，研究了壓坡體孔隙率分別為24%和22%時的地震沉降，結(jié)果見圖10。壓坡體寬110 m時，孔隙率從24%降低至22%后，壓坡體沉降從2.80 m降低到2.20 m，但壩體震后沉降最大值基本不變，仍為0.68 m。同樣，壓坡體寬30 m時，孔隙率從24%降低至22%后，壓坡體沉降從2.60 m降低到2.00 m，但壩體震后沉降最大值基本不變，仍為0.93 m?？梢姡档蛪浩麦w孔隙率，可降低自身變形，但對壩體變形基本沒有影響，因此提高壓坡體的碾壓標準或進行加固設(shè)計并不能明顯改善壩體地震變形。

2.7 壓坡體的地震安全評價方法

土石壩抗震計算既要開展永久變形分析，同時也要開展抗滑穩(wěn)定分析。其中永久變形分析常用壩頂震陷表征，壩坡抗滑穩(wěn)定常用最小安全系數(shù)及滑移量來表征，但由于方法和理論不同，加上壓坡體的特殊性（孔隙率較大，壩坡坡度較緩），可能會導(dǎo)致在進行大壩安全評價時，兩個指標存在嚴重不統(tǒng)一的問題。壩坡穩(wěn)定僅是局部變形的表征，壩頂震陷則是大壩整體變形的真實體現(xiàn)，因此采用壩頂震陷描述壩體地震變形更接近實際［15］。強震作用下大壩會發(fā)生明顯的壩頂震陷，如果變形過大而低于庫水位，則存在漫頂風(fēng)險，因此壩頂震陷是評估土石壩地震安全性的關(guān)鍵指標。

本文采用如表5所列的3個工況進行論證分析：壓坡體寬度110 m，坡度1∶3；壓坡體寬度110 m，坡度1∶2；壓坡體寬度30 m，坡度1∶3。各工況的壩體沉降見表5，地震過程中的最小安全系數(shù)及累積滑移量見表5和圖11。① 當(dāng)壓坡體寬度為110 m，壓坡體坡度由1∶2放緩至1∶3后，壩體沉降基本不變，仍為0.68 m，但壓坡體的最小安全系數(shù)卻從0.541增至0.675，增大24.8%，累積滑移量從28.34 cm減小至4.38 cm，降低23.96 cm，壩頂震陷和滑弧穩(wěn)定兩種方法的評價結(jié)果是相矛盾的。② 同樣，當(dāng)壓坡體下游坡度1∶3，壓坡體寬度從110 m減少至30 m時，壩頂沉降從0.68 m增至0.93 m，增大36.8%，但最小安全系數(shù)和累積滑移量卻基本不變，兩種方法的評價結(jié)果同樣是矛盾的。

從圖11看出，地震過程中，壓坡體最小安全系數(shù)對應(yīng)的均為淺層滑動，而壓坡體表層即使滑動也不會影響壩體安全。同時，若采用淺層的抗滑穩(wěn)定分析結(jié)果進行壓坡體評價，則需要放緩邊坡、提高壓實度或采用抗震措施加固，既增加工程投資，又減緩施工進度。實際上，對于壓坡體來說，影響壩體安全的深層滑動才是抗震評價的有效滑弧。在進行抗滑穩(wěn)定分析時，讓滑弧穿過壩頂時的計算結(jié)果見表5和圖12。① 當(dāng)壓坡體寬度為110 m，壓坡體坡度由1∶2放緩至1∶3后，壩體變形和壓坡體最小安全系數(shù)均基本不變；② 當(dāng)壓坡體下游坡度為1∶3，壓坡體寬度從110 m減少至30 m時，壩頂沉降從0.68 m增大至0.93 m，增大36.8%，最小安全系數(shù)從1.335減小至0.862，減小35.4%，兩種方法的評價結(jié)果是一致的。因此對于壓坡體，建議采用整體變形分析或穿過壩體有害滑面的動力穩(wěn)定性（安全系數(shù)及滑移量）進行地震安全評價。

3 結(jié) 論

本文采用考慮大壩-無限地基動力相互作用的全彈塑性動力強非線性變形分析方法以及等價線性動力分析和時程穩(wěn)定分析方法，開展了強震下土石壩的動力響應(yīng)分析，研究了壓坡體對壩體地震變形的影響，并提出了壓坡體的地震安全評價方法。主要結(jié)論如下：

（1） 壓坡體對壩體下游坡的法向壓力遠大于順坡向剪切力，對壩坡的保護作用更為明顯，因此壓坡體高度和寬度越大，壩體地震變形越小，即使對于較陡的下游壩坡，設(shè)置壩后壓坡體對控制壩體地震變形也同樣是有利的。

（2） 壓坡體的孔隙率變化僅影響自身地震變形，對壩體地震變形基本沒有影響，一般的壓坡體孔隙率（如24%）設(shè)計方案可以滿足要求，從控制壩體地震變形的角度來說，無需刻意提高壓坡體的碾壓標準。

（3） 抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)對應(yīng)的潛在滑面僅能反映壓坡體局部淺層變形，屬于不影響大壩安全的無害滑面，可能導(dǎo)致錯誤的方案比選評價結(jié)果。對此，建議首選大壩整體變形或穿過壩體的有害滑面的穩(wěn)定性（安全系數(shù)及滑移量）進行壓坡體的地震安全評價。

（4） 本文僅從壓坡體的抗震安全評價理念方面開展了研究工作，下一步將開展壓坡體的抗震安全評價標準研究工作。

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（編輯：鄭 毅）

Influence of slope-compaction zone on rockfill dam seismic performance and earthquake safety evaluation

ZOU Degao QU Yongqian GAO Donghong3，YANG Zhikai LIU Jingmao WANG Hui3

（1.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China； 2.School of Infrastructure Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China； 3.Shanghai Investigation Design amp; Research Institute Corporation Limited，Shanghai 200434，China）

Abstract：

Numerous pumped storage power stations are currently in the planning and construction phases.Owing to environmental protection requirements，substantial waste slag accumulates on dam slopes of rockfill dams，forming slope-compaction zones as referred in below context.The absence of specific standards for this zone leads to the application of general dam body standards for assessing seismic safety，often resulting in over-design and economic inefficiency，particularly in regions prone to severe earthquakes.Therefore，it is of considerable engineering significance to investigate influence mechanisms and evaluation methodologies of the slope-compaction zone under strong seismic conditions.Considering dam-foundation interactions，analyses such as elastoplastic dynamic response，equivalent-linear analysis，and time history stability assessment are conducted for a rockfill dam located in an area susceptible to extremely strong earthquakes.The impact of the slope-compaction zone on the integrity of the dam is investigated，and a method for evaluating its seismic safety is proposed.Findings reveal that the normal pressure exerted by the slope-compaction zone on the dam′s slope significantly exceeds the shear forces along the slope，thereby aiding in reducing seismic deformation of the dam structure.Moreover，the porosity of the slope-compaction zone does not influence seismic deformation，suggesting that enhancements to construction standards in this zone are unnecessary.The minimal safety factor for the dynamic stability of the slope-compaction zone only refers to a superficial，non-threatening sliding surface that does not threaten the dam′s safety.It is recommended that either the overall deformation of the dam or the stability （safety factor and slip deformation） of critical sliding surfaces through the dam body be used to assess the seismic safety of the slope-compaction zone.The research provides support for the seismic design and safety evaluation of rockfill dams with a slope-compaction zone in areas prone to strong earthquakes.

Key words：

rockfill dam； slope-compaction zone； seismic response； earthquake safety evaluation； pumped storage station

特邀作者簡介

鄒德高，教授，博士生導(dǎo)師，長江學(xué)者特聘教授，長期從事高土石壩工程抗震安全評價、計算土力學(xué)和軟件研發(fā)、粗粒土測試技術(shù)和本構(gòu)理論等方面研究，入選國家高層次人才計劃、國家有突出貢獻中青年專家、國家“百千萬人才工程”、教育部“新世紀優(yōu)秀人才支持計劃”等，享受國務(wù)院政府特殊津貼。持續(xù)近30年自主研發(fā)了高性能計算軟件系統(tǒng)（GEODYNA8.0），應(yīng)用于我國90多個水利水電和核電等重大工程安全評價（200 m以上高土石壩應(yīng)用率約90%，百萬千瓦級核電廠應(yīng)用率約100%），完全替代了國外軟件。成果獲國家二等獎2項、省部級特等和一等獎12項（其中3項排名第一）。主持國家重點研發(fā)計劃課題、國家自然科學(xué)基金重點項目及重大工程課題等70余項。出版專著3部，獲著作權(quán)和專利40多項，發(fā)表論文200余篇。

收稿日期：2024-06-05 ；接受日期：2024-08-28

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（52192674，52109151）；水利部重大科技項目（SKS-2022101）；西藏自治區(qū)重點研發(fā)計劃項目（XZ202201ZY0017G）

作者簡介：鄒德高，男，教授，博士，長江學(xué)者特聘教授，主要從事巖土地震工程、高壩和核電工程抗震研究。E-mail：zoudegao@dlut.edu.cn

通信作者：屈永倩，男，副教授，博士，主要從事高土石壩和核電工程抗震研究。E-mail：quyongqian@dlut.edu.cn