土石壩地震液化判別及動力有限元分析

李小煥，楊依民

(水發(fā)規(guī)劃設計有限公司，山東 濟南 250102)

1 引言

地震具有不可預測性，破壞力極大，是一種嚴重的自然災害。由地震引發(fā)的地基液化是常見的主要震害之一。中國是一個地震多發(fā)國家，近幾十年來，數(shù)次強震引發(fā)的壩基土液化，均對土石壩安全造成了嚴重破壞。土石壩地震液化判別和抗震穩(wěn)定分析，不僅是確保水庫長期安全運行的關鍵，也是工程抗震安全研究的重點。

1937年8月1日，菏澤市1天之內發(fā)生了兩次強烈地震，分別為7級和6.75級，對當?shù)卦斐闪藰O為嚴重的破壞。以菏澤市定陶區(qū)劉樓水庫為例，首先依據(jù)相關規(guī)范對壩基土進行液化判別，然后選取抗震最不利斷面進行靜力和動力計算，根據(jù)計算結果對大壩抗震穩(wěn)定性進行分析和評價，并提出合理的抗震措施以確保大壩安全。

2 工程概況

劉樓水庫為平原圍壩水庫，通過下挖庫盆、修建環(huán)繞庫區(qū)四周的圍壩形成庫容進行蓄水。水庫緊鄰菏澤市定陶區(qū)，主要供給定陶全區(qū)居民生活用水，同時兼顧周邊農田灌溉。劉樓水庫工程規(guī)模為中型，設計正常蓄水位51.70 m(1985國家高程基準，下同)，總庫容1 127萬m3。主要建筑物包括水庫圍壩、入庫泵站、出庫泵站等。圍壩為碾壓式均質土壩，筑壩材料主要采用壤土，總壩長5 050 m，壩基多為砂壤土和壤土等。

2.1 壩基地層主要物理指標

劉樓水庫位于魯西南黃泛沖積平原上，地勢低洼平緩，庫區(qū)西高東低，周邊為農田及村莊。鉆探深度范圍內，工程區(qū)揭露的壩基各地層主要物理指標見表1。

表1 壩基土層主要物理指標表

2.2 地質構造及地震動參數(shù)

3 壩基土液化可能性判別

依據(jù)《水利水電工程地質勘察規(guī)范》(GB 50487-2008)附錄P，對劉樓水庫場區(qū)分布的少黏性土及砂土進行地震液化判別。壩基土的地震液化判別可分為初判和復判兩個階段，復判主要針對初判可能發(fā)生液化的土層。

3.1 初判

工程場區(qū)地震動峰值加速度0.15 g，壩基地表以下15 m深度內分布的壤土、砂壤土等土層呈飽和狀態(tài)。依據(jù)規(guī)范P.0.3條文規(guī)定，壩基①層、②-1層和⑦層壤土黏粒含量(ρc)>17%，可判為不液化土；①-1層、②層、④層、⑥層砂壤土黏粒含量(ρc)<17%，初判為可能液化土，需進一步復判。

3.2 復判

依據(jù)規(guī)范P.0.4條文規(guī)定，采用標準貫入錘擊數(shù)法對初判可能液化的①-1層、②層、④層、⑥層砂壤土進行復判。符合式(1)要求的土應判為液化土。

N

(1)

式中：N—工程運用時地面以下標準貫入點深度ds(m)處的標準貫入錘擊數(shù)；Ncr—標準貫入錘擊數(shù)液化判別臨界值，根據(jù)式(2)計算：

(2)

式中：ρc—土的黏粒顆粒含量質量百分率(%)，當ρc<3%，ρc取3%，本次ρc采用平均值；N0—液化判別標準貫入錘擊數(shù)基準值，取N0=8；ds—標準貫入點深度(m)；dw—地下水埋深(m)。

根據(jù)標準貫入錘擊數(shù)復判，場區(qū)地面以下15 m范圍內的①-1層、②層、④層、⑥層砂壤土在7度地震條件下，均可能發(fā)生液化。

3.3 判別結論

根據(jù)初判和復判結論，對劉樓水庫場區(qū)壩基土地震液化判別如下：發(fā)生7度地震時，場區(qū)地面以下15 m范圍內的①-1層、②層、④層、⑥層砂壤土，均可能發(fā)生液化。

4 動力有限元分析

4.1 計算斷面及工況

根據(jù)各斷面原位試驗的液化判別情況，選取液化可能性最大的斷面2+600和4+200為計算典型斷面，上游水位采用正常蓄水位(51.70 m)進行二維有限元靜力及動力分析。

4.2 大壩靜力分析

4.2.1 計算方法

土體的初始靜應力對其動力反應影響較大，故一般需先進行靜力分析，求出大壩的初始應力，再進行動力分析。本次有限元靜力分析采用Duncan-Chang非線性彈性(E～μ)模型。切線彈性模量Et、切線泊松比μt和應力水平S分別按下列公式計算：

(3)

(4)

(5)

式(3)(4)(5)中：σ1，σ3—大小主應力(kPa)；c，φ—土的凝聚力(kPa)和內摩擦角(°)；K，n—土的模量系數(shù)和模量指數(shù)；Rf—破壞比；G，D，F(xiàn)—泊松比參數(shù)；Pa—大氣壓力(kPa)。

4.2.2 計算結果分析

大壩初始應力場主要由壩體自重和水庫蓄水產生的水壓力形成。根據(jù)地質勘察報告相關參數(shù)，對典型斷面2+600和4+200進行靜力計算。結合大壩抗滑穩(wěn)定分析可知，水庫正常蓄水時，地震發(fā)生前大壩初始應力分布正常，上下游壩坡安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，壩體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4.3 大壩動力分析

4.3.1 計算公式

由于土石料的性質非常復雜，為更好地進行地震液化動力分析，在滿足精度要求的前提下，工程中一般采用等效線性模型進行簡化。

在采用等效線性模型進行土石壩動力分析時，土石料的動剪切模量G和阻尼比λd均為剪應變?的因變量，故可采用小應變時的動剪切模量Gmax和阻尼比λd隨剪應變?的變化關系來描述其動力性質，一般采用迭代法進行計算。Gmax可按下式確定：

(6)

4.3.2 液化判定標準

采用循環(huán)剪應力比CSR作為計算模型液化判定的標準。CSR值一般根據(jù)正常固結狀態(tài)下砂層的相關試驗確定。

(7)

參考相關文獻和已建工程經驗，正常固結狀況下砂壤土在液化剪應力比值采用0.43。

4.3.3 地震波選取

考慮到當?shù)厝狈崪y地震記錄，依據(jù)規(guī)范，結合地質勘探資料推薦使用的地震波并參照Ⅲ類場地二分組的典型波，經分析最不利情況下選用的地震波如圖1所示。

圖1 地震波峰值加速度時程曲線圖

4.3.4 液化計算結果

典型斷面動力分析液化區(qū)域分布如圖2和圖3所示。

圖2 典型斷面2+600液化區(qū)域分布圖

圖3 典型斷面4+200液化區(qū)域分布圖

4.4 抗震穩(wěn)定分析與評價

由圖3可以看出，在正常蓄水位遭遇7度地震時，劉樓水庫壩基②層砂壤土層局部發(fā)生液化。2+600斷面上游液化區(qū)域較少，且為表層少量液化，只在上游坡腳向上延伸10 m左右，不影響大壩上游護坡；下游液化區(qū)域在截滲溝底部，由于在此②層砂壤土層較厚，液化較深，結合最危險滑弧分析，確定不影響圍壩滑弧安全。4+200斷面上游液化區(qū)域均為表層液化，下游截滲溝為淺層液化，不影響大壩整體安全。

因此，當發(fā)生7度地震時，劉樓水庫壩基②層砂壤土層局部發(fā)生液化，但主要液化區(qū)域位于壩基表層或淺層，且均為輕微液化，不影響大壩整體穩(wěn)定，不會發(fā)生壩坡失穩(wěn)破壞。建議采取適當放緩大壩邊坡、加強排水反濾和增設壓重體等工程措施，以進一步增強水庫大壩的抗震穩(wěn)定性。

5 結語

地震導致的壩基少黏性土或砂土液化對土石壩安全運行危害巨大，如何對土石壩基礎液化進行準確判別、合理分析，采取有效措施確保大壩安全，是土石壩抗震安全研究的重點，也是水利工程設計工作者普遍關心的問題。

依據(jù)規(guī)范對土石壩壩基土的液化可能性進行判別，選取最不利斷面作為典型斷面，采用非線性彈性(E～μ)模型有限元法進行靜力分析，求出大壩的初始應力；然后采用等效線性模型進行動力分析；基于動力分析結果對大壩抗震穩(wěn)定性進行分析和評價。提出適當放緩大壩邊坡、加強排水反濾和增設壓重體等工程措施，以增強水庫大壩的抗震穩(wěn)定性，確保水庫長期安全運行。