深厚覆蓋層上高心墻堆石壩新型結構抗震安全性研究

楊昕光，饒錫保，徐 晗，潘家軍，左永振

（1.中國長江三峽集團有限公司，北京市 100038；2.長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，湖北省武漢市 430010）

0 引言

在水電工程建設中，由于壩址地質條件的限制，往往需要在深厚覆蓋層等地基條件上修建高土石壩[1，2]，而且受到經濟、環境條件約束，不宜挖除覆蓋層。如冶勒瀝青混凝土心墻壩，最大壩高124.5m，覆蓋層最大厚度達420m；瀑布溝心墻堆石壩，最大壩高186m，覆蓋層厚度為78m；長河壩礫石土心墻堆石壩，最大壩高240m，覆蓋層厚度為65～76.5m。

目前，深厚覆蓋層上心墻堆石壩的防滲體系通常為心墻—廊道—防滲墻結構，但這種傳統的結構型式容易造成防滲墻壓力過大、施工周期長等困難[3]。考慮到縮短工期和方便運行期檢修，提出了一種覆蓋層上建心墻堆石壩的新型結構型式，即在壩基面處挖除表層部分覆蓋層，澆筑混凝土蓋板，在蓋板內部設置廊道，以便在壩體填筑的同時進行防滲墻的施工和運行期的灌漿固結工作，可進一步提高壩基淺層處理質量與縮短工期以方便運行期檢修，從而大為減少工程投資[3，4]。

這些建設在深厚覆蓋層上的高土石壩一般位于我國水資源豐富的西部地區，同時，這一地區為地震高烈度區。所提的新型結構在大壩抗震安全設計等方面無成熟經驗可借鑒，在設計、施工和運行中均存在極具挑戰性的難題。因此，有必要通過動力有限元數值分析方法，研究深厚覆蓋層上心墻堆石壩新型結構的動力響應特性，并分析其抗震安全性，以期為該類結構堆石壩的設計與施工提供參考和依據。

1 計算模型與參數

圖1 大壩新型結構示意圖Fig.1 Diagram for new structure of dam

研究依托我國西部擬建的某水電工程，大壩為礫石土心墻堆石壩，壩頂高程2108m，壩頂長1527m，壩頂寬18m，最大壩高238m。大壩上游壩坡為1∶2.25，在高程2020m設3m寬馬道，在高程1936m（上游圍堰頂高程）設10m寬馬道，下游壩坡為1∶2，坡面上設“之”字形馬道，馬道寬12m，綜合坡比1∶2.2。壩體主要由防滲心墻、反濾料、過渡料和壩殼堆石體組成。心墻頂高程2106m，頂寬7m，上、下游坡1∶0.2，最低建基面高程1885m，最大底寬95.4m。河床覆蓋層為第四系沖積層，厚77～100m，主要為砂礫卵石和漂石，按地質年代、成因類型、物質組成及土體結構等特征，分為4個巖組，自上而下依次為Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ巖組。在河床覆蓋層內設兩道混凝土防滲墻，防滲墻厚1.2m，深入基巖1m。混凝土蓋板位于覆蓋層上半部，其上與心墻相連，最大高度15m，寬155.4m，由覆蓋層中的防滲墻、混凝土蓋板及以上的壩體形成完整的防滲體系，大壩新型結構示意圖如圖1所示。根據大壩設計剖面圖建立三維有限元計算模型，采用8節點六面體單元或者6節點五面體單元進行網格剖分，局部采用4節點四面體單元，并在混凝土與土之間設置接觸面，共剖分131547個單元，有限元計算網格見圖2。

壩體和覆蓋層的靜力本構模型采用鄧肯E-B模型[5，6]，計算參數見表1。動力本構模型采用等效線性黏彈性模型，最大動剪切模量Gmax可以表示為：

圖2 有限元計算模型Fig.2 Finite element model

式中：σ0′為平均有效主應力，Pa為大氣壓，Gmax、σ0′、Pa采用同一量綱；km為系數，m1為指數，由試驗測定，具體見表1。通過試驗測得的動剪切模量比Gd/Gdmax與動剪應變γ，以及動阻尼比λ與動剪應變γ的關系見表2。壩體永久變形計算模型采用沈珠江計算模型[7]，具體參數見表3。計算中混凝土蓋板與防滲墻均采用線彈性模型，密度取2.40g/cm3，彈性模量為30GPa，泊松比為0.18。

表1 E-B模型計算參數Tab. 1 Parameters of Duncan-Chang E-B model

表3 材料永久變形模型參數Tab. 3 Parameters for permanent deformation of rockfill materials

圖3 地震波加速度時程(a)順河向;(b)豎直向;(c)壩軸向Fig.3 Time history of seismic wave acceleration

靜力計算中精確模擬了大壩的施工填筑過程和水庫水位的蓄水過程，其中壩基初始應力場由自重應力構造。根據該大壩地形地質條件及地震安全性評價報告，選取P100=0.02的規范譜人工波，并將其反演為基巖地震輸入波進行動力時程計算。通過反演后，水平向與壩軸向基巖地震波峰值為0.21g，豎直向基巖地震波峰值為0.14g。

2 大壩抗震安全性分析

2.1 大壩加速度與動位移響應

在P100=0.02規范譜人工波作用下，大壩最大加速度及動位移響應計算結果如表4所示，大壩最大橫剖面順河向最大加速度與東位移即分布圖分別如圖4和圖5所示。由計算結果可知，大壩最大順河向、壩軸向及豎直向加速度分別為0.34g、0.25g和0.23g，均位于壩頂，對應放大系數分別為1.2、0.9和1.2。大壩順河向、壩軸向及豎直向動位移最大值分別為13.0、8.8cm及4.3cm，且各方向的動位移均隨著壩體高程的增加而增大，在壩頂達到最值。圖6為壩體最大剖面中軸線上絕對反應加速度沿壩高的分布趨勢圖，其中虛線所示為壩基面與覆蓋層的交界處。由此看出，反應加速度在覆蓋層部位有明顯的衰減現象。這是由于本工程壩基覆蓋層較為深厚，阻尼比較大，致使自由場地表（即壩體與壩基交界面處）的反應加速度小于基巖處的加速度，因而壩體內加速度反應較小。

圖4 大壩最大橫剖面順河向最大加速度分布圖（單位：g）Fig.4 The maximum acceleration in transverse（unit：g）

圖5 大壩最大橫剖面順河向最大動位移分布圖（單位：cm）Fig.5 The maximum dynamic displacement in transverse（unit：cm）

圖6 壩體中軸線處最大加速度沿壩高分布趨勢圖Fig.6 The maximum acceleration along axial line of dam

表4 大壩最大加速度與動位移響應Tab.4 The maximum acceleration and dynamic displacement of the dam

2.2 混凝土防滲墻與蓋板的動應力響應

作為大壩新型結構防滲體系的一部分，混凝土防滲墻與蓋板如在地震動的作用下，其應力超過強度允許值，將引起大壩防滲體系失效，危及大壩的整體安全性。因此，有必要分析在地震工況下防滲墻與蓋板的動應力響應。圖7為防滲墻豎直向最大動應力變化云圖。由此可知，防滲墻豎直向最大動壓應力為1.42MPa，最大動拉應力為1.41MPa。從防滲墻應力分布情況來看，地震過程中，豎直向最大瞬時動拉應力基本出現在其中部位置，該部位在震前為壓應力區域，且混凝土動態抗拉強度的標準值可較其靜態標準值提高20%[8]，因此動靜疊加后，防滲墻拉應力不會超過其強度允許值。蓋板豎直向最大動壓應力為2.62MPa，最大動拉應力為1.20MPa，限于篇幅，本文沒有給出蓋板最大動應力的分布圖。同理，動靜疊加后，蓋板應力在強度允許值范圍之內，因此，分析認為混凝土防滲墻和蓋板在地震工況下均具有足夠的安全性。

圖7 防滲墻豎直向動應力變化云圖(a)最大動壓應力;(b)最大動拉應力Fig.7 Contour plot for vertical dynamic stresses of diaphragm wall

圖9 壩坡抗滑穩定安全系數時程曲線(a)上游壩坡;(b)下游壩坡Fig.9 Time history of stability safety factors of dam slopes

2.3 大壩地震永久變形

圖8為大壩地震永久變形示意圖。由圖可見，大壩以沉陷變形為主，且壩體輪廓是向內部收縮，這主要是因為堆石料在高圍壓下及地震荷載聯合作用下發生顆粒破碎及重組，產生了塑性體積變形，這符合土石壩震后變形的實測規律。根據計算結果，壩體沉陷在壩頂部靠上游面達到最大，最大值為81.2cm，約為壩高的0.34%。同時，大壩向下游水平永久變形也很顯著，最大值為49.7cm。根據土石壩實際震害調查[9，10]，一般認為最大震陷超過壩高的1%時可產生明顯震害，并可能導致嚴重后果。因此，分析認為上述地震不足以產生使壩體難以承受的變形。

圖8 大壩地震永久變形示意圖（變形放大50倍）Fig.8 The permanent deformation of the dam

2.4 大壩壩坡地震穩定性

采用動力有限元法[11，12]對大壩壩坡的地震穩定性進行了計算分析，圖9給出了上、下游壩坡穩定系數的時程曲線。由計算結果可見，在地震過程中，上、下游壩坡的最小安全系數分別為1.16與1.10，最小安全系數均大于1.0。可見上、下游壩坡在地震過程中是穩定的。

3 結論

依托我國西部擬建的某水電工程，對提出的深厚覆蓋層上心墻堆石壩新型結構進行了有限元動力分析，并對其抗震安全性進行了評價，主要得到以下幾點結論：

（1）大壩順河向最大順河向、壩軸向及豎直向加速度分別為0.34g、0.25g和0.23g，均位于壩頂，對應放大系數分別為1.2、0.9和1.2；最大動位移分別為13.0cm、8.8cm及4.3cm。

（2）地震過程中，防滲墻豎直向最大動壓應力為1.42MPa，最大動拉應力為1.41MPa；蓋板豎直向最大動壓應力為2.62MPa，最大動拉應力為1.20MPa，由于混凝土動態強度較靜態強度有一定的提高，因此分析認為，動靜疊加后，防滲墻和蓋板應力在強度允許值范圍之內，具有足夠的抗震安全性。

（3）地震作用后，大壩整體發生了震陷與向下游的水平永久變形，且壩體輪廓是向內部收縮的。由計算結果可知，壩頂最大震陷量為81.2cm，約占壩高的0.34%，設計時應預留足夠的地震附加沉降。

（4）大壩壩坡抗震穩定性分析表明，在地震過程中，上下游壩坡的最小安全系數均大于1.0，可認為壩坡在地震過程中是處于穩定狀態的。

（5）綜上，可認為深厚覆蓋層上高心墻堆石壩新型結構在P100=0.02的規范譜人工地震波作用下具有足夠的抗震安全性，其在受力性能、施工組織上是較為積極的處理方式，具有一定的應用前景。

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