汶川地震對冶勒大壩右岸抗滲穩定性的影響評價

鄭培溪，崔會東，劉俊林，趙 靜

（1.云南魯布革顧問有限公司，云南 昆明 650051；2.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072）

0 前言

冶勒水電站位于四川省西部南椏河上游，地處四川省涼山州冕寧縣和雅安市石棉縣境內，為南椏河流域梯級規劃 “一庫六級”的龍頭水庫電站。壩址位于安寧河活動斷裂帶的北段，庫區距下游安寧河活動斷裂西支約2 km，屬外圍強震波及區。庫壩區地震基本烈度為Ⅷ度，設計烈度為9度，設計地震加速度值高達0.45 g。

冶勒水電站瀝青混凝土心墻堆石壩最大壩高124.5 m，為國內外已建同類工程的第三高壩。壩頂高程2 654.50 m。大壩地質條件特殊，左岸壩基為石英閃長巖基礎，河床及右岸壩基為深厚覆蓋層基礎，最大厚度超過420 m，開高壩軟基礎之先例。左右岸基礎嚴重不對稱。左岸壩基采用 “混凝土防滲墻+灌漿帷幕”全封閉防滲；河床壩基采用深入相對隔水層5 m的懸掛式混凝土防滲墻防滲；右岸壩基采用 “混凝土防滲墻+灌漿帷幕”相結合的懸掛式防滲體系，最大防滲深度大于200 m。同時，右岸壩肩為單薄山體，沿壩軸線方向僅長230 m左右，正常蓄水位高程寬約250～300 m，且山體內地下水位較高。右岸基礎防滲處理難度 “國內罕見，國際少有”[1]，給工程設計及施工帶來了挑戰。

冶勒大壩距 “5.12”汶川地震震中258 km，地震發生時，冶勒工程區有明顯震感。右岸抗滲穩定性關系到整個大壩的正常運行性態。本文擬從滲流量及滲流場變化、壩基覆蓋層液化以及防滲墻地質雷達檢測結果等3方面分析評價汶川地震對冶勒大壩右岸抗滲穩定性的影響。

1 滲流及強震監測布置

冶勒大壩地質條件復雜，特別是右岸為超深覆蓋層，山體單薄，滲流是監測的重點，為此設計布置了較為完善的滲流監測系統。在右岸施工排水廊道、右岸8號溝等不同部位共布置12個量水堰，用于監測右岸的滲流量。在下游蓋重坡腳處布置量水堰監測左岸及壩體壩基滲流量。整個大壩共布置量水堰13個。在右岸防滲墻前后以及山體內共布置繞滲孔7個、地下水位觀測孔13個，用于監測右岸的滲流場。

同時，因冶勒大壩壩址位于高地震烈度區，壩基地質條件差，壩體內部結構復雜，有必要建立強震監測臺站以隨時記錄壩體地震動力響應，為大壩的抗震安全性[2]提供保障。按照大壩的強震儀布置原則[2]，冶勒大壩強震監測臺陣的9臺強震儀基本沿大壩壩頂和最大斷面布置。其中6臺強震儀監測主壩表面地震反應；灌漿平洞強震儀監測左岸基巖的地震情況；1臺監測右岸副壩的地震反應；由于大壩的瀝青混凝土心墻很薄，在監測廊道內的最大斷面位置布置1臺強震儀以監測心墻附近的地震反應情況。

2 地震影響分析

2.1 右岸滲流量及滲流場

2.1.1 滲流量

汶川地震前后大壩各部位的滲流量見表1。

從表1可以看出：

（1）大壩各部位的滲流量與庫水位基本呈正相關。總滲流量在庫水位為最高水位 （2 650.45 m）時，為336.76 L/s，最低水位 （2 599.48 m）時，為78.71 L/s，量值偏大，但均小于設計滲流量控制指標500 L/s[1]。

表1 地震前后冶勒大壩下游滲流量特征值統計

（2）右岸存在繞壩滲流現象。大壩右岸滲流量（右岸施工排水廊道與右岸8號溝之和）在最高水位及最低水位時分別占總滲流量的76.9%、52.2%，說明右岸存在繞壩滲流，這與冶勒大壩右岸為深厚覆蓋層的特殊地質條件相一致，也與設計計算結果吻合，屬較正常現象。

（3）汶川地震前后，大壩各部位滲流量變化均較小。地震前 （5月11日）總滲流量為79.40 L/s，地震后 （5月12日）總滲流量為78.71 L/s，減少了0.69 L/s。后期隨庫水位上升有所增大。滲流量變化正常。

2.1.2 滲流場

地震前后右岸地下水位異常升高的14號長觀孔（GC14）的特征值見表2，并繪出地震前后右岸滲流場 （見圖 1、 2）。

表2 地震前后冶勒大壩右岸GC14地下水位特征值統計

由表2和圖1、2的監測成果可知：

（1）位于大壩下游右岸山體內的GC14，即圖1、2中水位最高點，在埋設初期穩定水位即達2 654.31 m （2006年4月22日），后期最高水位為2 664.74 m （2007年7月18日），遠高于庫水位，且隨庫水位升降而增減。工程勘察資料揭示，GC14孔底花管段基本處于覆蓋層第三巖組Q32-1（Ⅲ），該巖組為弱透水卵礫石層與極弱透水的粉質壤土互層，具有弱透水層與局部隔水層相間的分布特點，為囊狀承壓水，且與下游水力聯系不緊密，以致該孔地下水壓力較大。

圖1 地震前 （2008-05-08，庫水位2 600.18 m）冶勒大壩右岸滲流場

圖2 地震后 （2008-05-17，庫水位2 602.06 m）冶勒大壩右岸滲流場

（2）汶川地震前后 （2008年5月8日～15日），庫水位在2 600.18～2 601.15 m之間變化，平均上升0.97 m，而GC14水位卻迅速上升，由2 639.24 m上升至2 645.56 m，上升幅度達6.32 m。從地震后的變化速率來看，5月12日～15日，庫水位變化速率分別為-0.35、-0.08、0.88 m/d，而GC14地下水位均為上升，上升速率分別為0.26、2.24、1.56 m/d。自5月16日起，GC14地下水位上升幅度及上升速率漸緩，到5月19日，GC14地下水位基本恢復正常。分析原因主要是GC14花管段所處地層結構特殊，為囊狀承壓水，且與下游水力聯系不緊密，受地震影響，GC14花管段所在覆蓋層局部孔隙瞬間變密實或土體塌落堵塞下游通道，從而導致水位持續上升。

（3）雖然地震后冶勒大壩右岸局部地下水位有所升高，但滲流場未發生整體改變，說明右岸單薄山體的穩定性并未受到實質性影響。

2.2 壩基覆蓋層液化判別

目前國內外應用最廣泛的評定土石壩壩體及其壩基的地震液化可能性的方法就是抗液化剪應力法[3]。冶勒大壩河床及右岸地基為深厚覆蓋層，在強震作用下存在液化的可能性。因此，根據汶川地震中強震儀所取得的地震資料，對冶勒大壩壩體材料及地基覆蓋層土體參數進行反演，利用反演所得的動力參數對大壩進行三維非線性有限元動力分析，從而獲得壩基覆蓋層動剪應力比，并據此判斷是否會發生液化。

2.2.1 動力計算本構模型

動力計算采用哈丁雙曲線本構模型[4]，把土體視為粘彈性體，采用等效彈性模量 （E或G）和等效阻尼比 （λ）這兩個參數來反映土體動應力—動應變關系的非線性與滯后性，并且將模量與阻尼比均表示為動應變幅的函數， 即 Ed=Ed（εd）和 λ=λ（εd），或 Gd=Gd（γd）和 λ=λ（γd）， 同時考慮靜力固結平均主應力的影響。哈丁等人根據試驗資料綜合分析提出

式中，Gd為動力剪切模量，σ0′為平均有效應力，（K2）max為計算參數。

λ從應力應變滯回圈的幾何特征出發得到

式中，λmax可根據試驗確定；γd為動剪應變；γf為參考應變。

哈丁等又得出

式中，N為循環加載次數。

2.2.2 有限元模型

由于冶勒大壩壩址地形地質條件極其復雜，為了比較合理地考慮深厚覆蓋層的影響，本次計算模型選取了大范圍的覆蓋層地基。有限元模型向上、下游方向取至距壩腳2倍壩高，右岸向右延伸3倍壩高，底部取至大壩建基面以下2倍壩高[5]。模型側邊取法向約束，底面取全約束。網格剖分時主要采用8節點6面體單元，單元總數共13 624個，節點總數16 113個。

2.2.3 材料參數反演

反演分析是以現場量測到的反映系統力學行為的物理信息量 （如位移、應變、應力等）為基礎，通過反演模型，反演推算得到該系統的各項或者部分初始參數。最終目的是建立一個更接近現場實測結果的理論預測模型，以便能夠較正確地反映或者預測結構的某些力學行為[6]。

本文針對強震儀所測得的某次地震情況下的加速度進行材料參數反演分析，選用直接法，利用ADINA（Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis）有限元軟件完成正算過程，以最小二乘法[7]作為控制迭代精度的工具。針對每個變量進行反演的流程見圖3。

圖3 反演分析流程

由于目前冶勒大壩強震監測資料有限，本次計算共反演4個參數，分別為壩體和覆蓋層的（K2）max和λmax。采用上文所述有限元模型，以冶勒大壩地震監測臺陣記錄的2007年10月23日18:05:32發生的震中距小于20 km的2.6級地震為樣本值進行反演分析，得到動力計算的材料參數見表3。

表3 動力計算哈丁模型計算參數

2.2.4 地震波確定

以平洞位置記錄的汶川地震主震作為冶勒大壩基巖地震輸入波進行動力時程計算。地震輸入波三向加速度時程變化見圖4，順河向、橫河向、豎直向峰值加速度分別為-1.1968×10-2g、 1.0250×10-2g、7.170×10-3g。 持續時間為 124.4 s。

圖4 基巖地震輸入波三向加速度時程變化

2.2.5 壩基覆蓋層液化分析

液化判別的關鍵在于正確地確定出地震剪應力（τe） 和抗液化剪應力 （τd）。 整理計算壩基動剪應力比（τmax/σ0′）值，由τe=0.65τmax可得實際的地震剪應力（τe/σ0′）。參照實驗室土樣液化試驗，求得土樣的抗液化剪應力（τd/σ0′），τd為試驗中產生液化需要施加于破壞面上的往返剪應力幅值 （指循環過程中的剪應力幅值）。如果τd/σ0′大于τe/σ0′，則該處無液化的可能性，否則，將會引起液化[8]。

本文通過有限元動力計算，求得冶勒大壩河床最大斷面 （0+220.00 m）及右岸斷面 （0+320.00 m）壩基覆蓋層在汶川地震主震中的動剪應力比情況（見圖 5、 6）。

圖5 河床0+220 m斷面覆蓋層動剪應力比等值線

圖6 右岸0+320 m斷面覆蓋層動剪應力比等值線

從圖5、6中可以看出，在汶川地震主震作用下，河床及右岸壩基覆蓋層動剪應力比等值線基本呈水平分布，并在壩基附近很小范圍內均出現數值相對較大的區域。但是總體上較小，小于0.5。參照冶勒水電站設計報告，冶勒大壩壩基粉質壤土層抗液化剪應力比（τd/σ0′）為0.830，大于計算所得動剪應力比，因此不會發生液化。

2.3 防滲墻地質雷達檢測分析

為檢測大壩右岸防滲墻是否受汶川地震影響而出現裂縫及滲漏通道，在汶川地震后，對右岸防滲墻進行了地質雷達檢測，分別在防滲墻施工廊道（壩0+310 m至0+610 m段）沿廊道的拱頂、上游腰線、防滲墻軸線及下游拱角與腰線間平行洞軸方向布置4條雷達檢測線。

檢測結果表明：

（1）防滲墻雷達圖像清晰度明顯高于廊道拱頂，電磁波呈弱反射，表明防滲墻測試范圍內混凝土基本密實。

（2）廊道上游腰線、下游拱角與腰線間測線主要是含水較多，雷達圖像上有大面積白色強反射。拱頂、下游拱角與腰線間兩測線含水較多的樁號段基本一致，表明滲水有一定的聯通性。這與施工開挖揭示的右岸地下水豐富的實際情況基本吻合。上游腰線反應的含水區域較多，由于其處在迎水面，屬較正常現象。

（3）地質雷達檢測未發現防滲墻存在橫向貫穿性滲漏裂縫，說明防滲墻防滲性能良好。

3 地震影響評價

（1）汶川地震前后，冶勒大壩各部位滲流量變化較小。滲流量由震前 （5月11日）的79.40 L/s，變為震后 （5月12日）的78.71 L/s，僅減少了0.69 L/s，后期隨庫水位上升逐漸增大。同時，右岸花管段位于囊狀承壓水中的地下水位觀測孔GC14受地震影響，局部孔隙瞬間變密實或土體塌落堵塞下游通道，導致水位短期內迅速上升，至5月19日基本恢復正常，而其余部位地下水位并未發現異常。說明地震對右岸局部地層確有輕微影響，但未對右岸滲流場產生實質性影響。

（2）有限元動力計算結果表明，汶川地震主震作用下，冶勒大壩壩基覆蓋層動剪應力比最大值為0.5，小于抗液化剪應力比0.83，不會發生液化。

（3）右岸防滲墻地質雷達檢測，未發現防滲墻存在橫向貫穿性滲漏裂縫。說明在汶川地震后，作為大壩防滲系統重要一環的右岸防滲墻，保持了完整性，防滲性能良好。

（4）總體來看，由于汶川地震時，冶勒水庫蓄水位較低 （2 599.48 m，低于死水位2 600.00 m），同時冶勒大壩處于汶川地震Ⅵ度區 （低于設計烈度9度），因此地震未對冶勒大壩右岸整體抗滲穩定性產生明顯的不利影響。

［1］ 郝元麟，何順賓.冶勒瀝青混凝土心墻堆石壩設計［C］//賈金生，陳洪斌.中國大壩技術發展水平與工程實例.北京：中國水利水電出版社，2007.

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［8］ 肖偉，李泰來，黃臣虎.堆石壩地震響應和地基液化分析［J］.巖土力學，2008，29（增刊）:155-160.