主余震對重力壩抗滑穩定性影響研究

2021-10-21 05:29:24李濤

水利科學與寒區工程 2021年5期

關鍵詞：余震

李濤

(遼寧遼東水務控股有限責任公司，遼寧本溪 117000)

大量震害資料顯示，余震的發生會使震害進一步加深，有時甚至是導致結構失穩的決定因素。目前，學者們對主余序列的研究主要集中在鋼筋混凝土框架結構和橋梁結構的動態響應行為方面。鮮有學者研究余震對重力壩抗滑穩定性的影響[1-3]。本文基于有限元軟件ADINA建立了某重力壩三維有限元模型，根據壩址場地特征并結合余震地震動參數衰減關系，合成具有時頻非平穩特性的人工主余序列，并對主余震序列進行調幅，研究該重力壩在主余序列作用下的變形與穩定規律，為大壩抗震設計提供參考。

1 研究方法

1.1 強余震與主震的震級統計關系

由于地震的不可預測性，對地震發生的機制尚不是很清楚，不能準確推斷出主余震震級關系，文獻[4-6]利用我國西南地區1900—2008年期間主震震級Ms≥5.0的81個主震和203個余震的地震序列資料，得到一個月以內的最大強余震Ma與主震的經驗關系如式(1)：

Ma=0.72Ms+1.05

(1)

式中：Ma為余震震級，標準差為1.05；Ms為主震震級，標準差為1.24。

1.2 余震地震動參數衰減關系

余震的震級及震中距與主震關系密切，因此，在建立余震的衰減關系時最好與主震聯系起來，這樣得到的主余震作用結果才更具可靠性。翟長海等[7]選用來自19次主余震序列的1353條主余地震動進行分析，研究余震地震動參數與主震地震動參數的比值隨震級、斷層距、場地的變化特性，并結合已有的衰減關系提出以下的余震地震動參數衰減關系如式(2)：

ln(▽Y)=b1Ms+b2▽M+b3ln[▽D+

(▽M/Ds)b4]+b5ln(760/V30)+ε

(2)

式中：▽Y為余震地震參數Yas與主震地震動參數Ym s的比值；Ms為主震震級；Dm s為主震斷層距,km;▽M和▽D分別為余震與主震的震級比和斷層距比；V30為地下30 m的平均剪切波波速,m3/s；ε為預測值與觀測值之間的殘差，一般假定其服從均值為0、標準差為σ的正態分布；b1～b5為公式的擬合系數。

2 主余震作用下重力壩深層抗滑穩定性分析

2.1 工程概況及有限元模型

某擬建碾壓混凝土重力壩，右岸岸坡壩段壩高117.00 m，壩頂寬20.00 m，壩底寬90.95 m，壩段厚22.00 m。壩基以Ⅱ類巖體為主，部分壩基為Ⅲ1和Ⅲ2類巖體，壩基上游有一條傾向上游的軟弱夾層，為Ⅳ類巖體。本文基于ADINA建立了能真實反映壩基巖體構造的三維有限元動力分析模型，如圖1所示。壩基上、下游以及深度方向各取1.2倍壩高?？紤]到壩體的局部破壞可能會導致程序收斂性較差，因此將壩體設為線彈性材料，而壩基巖體采用Mohr-Coulomb材料。計算采用的材料參數見表1。

圖1 壩體—地基三維有限元計算模型

表1 材料力學性能表

計算荷載包括壩體自重、上下游靜水壓力、壩基揚壓力、淤沙壓力等靜力荷載，其中：上下游水頭分別為113.00 m和33.14 m；壩基面揚壓力按規范[8]要求選取；淤沙浮重度6.0 kN/m3，內摩擦角12°。

采用Westergaard附加質量法考慮動水壓力的影響，壩體和壩基的阻尼比10%。為了防止地震波反射，需要在壩基模型的遠端節點建立合適的邊界條件。本文通過在壩基截斷邊界處設置等效一致黏彈性邊界[9]來模擬遠域地基輻射阻尼對地震波的影響。

2.2 主余序列構造

工程場地地震基本烈度為Ⅷ度，設計地震基巖水平加速度取100年超越概率2%的PGA為0.316 g，相對應的震級為7.3級，震中距為25 km。由式(1)主震與最大強余震的震級統計關系，得到最大余震震級6.3級。參考文獻[10]主余地震動取同源地震，即取為25 km。為了模擬不同主余震序列下的重力壩損傷演化規律，對式(2)中的ε進行取值，已知ε為預測值與觀測值之間的殘差，當▽Y=▽PGA(▽PGA為余震峰值加速度與主震峰值加速度的比值)時ε服從正態分布(μ=0、σ=0.569)[7]，考慮到一般情況下余震地震動的強度都會小于主震地震動，本文在(-0.6,0.6)的范圍內對ε分別取值-0.6、-0.4、-0.2、0、0.2、0.4、0.6。求得▽PGA分別為0.285、0.348、0.426、0.519、0.635、0.775、0.947，對應的余震峰值加速度分別為0.090 g、0.110 g、0.135 g、0.164 g、0.200 g、0.245 g、0.299 g。

在人工地震動合成方面，本文采用服從正態分布的相位差譜代替由隨機函數生產的隨機相位譜[10]，合成具有時頻非平穩特性的人工地震波，每條地震波相互獨立，將主余震首尾相連進行主余序列的構造[3]。限于篇幅本文僅給出▽PGA=0.775時的水平向主余序列地震動加速度時程曲線，如圖2所示，豎向地震動峰值加速度取水平向地震動峰值加速度的2/3。

2.3 主余震對重力壩滑移量影響研究

為定量分析余震對重力壩深層抗滑穩定的影響，本文主震取為設計地震動0.316 g、0.474 g(超載1.5倍)、0.632 g(超載2倍)、0.790 g(超載2.5倍)，余震峰值加速度分別取為主震的0.285倍、0.348倍、0.426倍、0.519倍、0.635倍、0.775倍、0.947倍，共構造28組主余序列。分別提取每組工況下的壩踵和壩趾關鍵點滑移量，從位移增長量和增長率兩方面來分析余震對重力壩抗滑穩定性的影響。

圖2 主余序列時程曲線

圖3為0.632 g+0.490 g(▽PGA=0.775)主余序列作用下的壩踵順河向位移時程曲線圖。從圖3可以看出，靜力作用后(0 s時)，壩踵順河向位移為1.15 cm；主震作用后(20 s時)，壩踵順河向位移為3.16 cm；主余震作用后(35 s時)，壩踵順河向位移為3.59 cm。則：余震作用下的位移增長量=主余震作用-單主震作用=0.43 cm；

位移增長率=位移增長量/(主震作用-靜力作用)×100%=21.4%。

以圖3工況計算過程為例，分別計算出28組工況作用下的壩踵和壩趾余震作用下的順河向位移增長量和增長率。