覆蓋土層對水庫心墻壩動力響應影響研究

孫海瑞

（新疆云灃水利設計咨詢有限公司，新疆 烏魯木齊 830002）

水工建筑結構的抗震安全穩定性[1]是水工建筑設計的重要內容。研究水工結構的地震動響應特征，揭示其地震破壞下的失穩機理[2，3]，有助于優化水利工程抗震設計。

1 工程概況

大河沿水庫是新疆吐魯番市的重要供水樞紐，承擔著吐魯番市高昌區農業灌溉、城鎮生活供水及重點工業供水任務，庫區與吐魯番市高昌區直線距離約為75 km，水庫總庫容為3024萬m3。

大河沿水庫主要建筑物包括瀝青混凝土心墻壩、溢洪道、灌溉洞和泄洪放空沖砂兼導流洞。溢洪道與心墻大壩聯合運行時泄流曲線，如圖1 所示。圖中數據表明在溢洪道堰頂弧門全開工況下，上游來水泄流量增大時，下游水位上升無較大波動，處于可控狀態。

圖1 溢洪道運行時泄流曲線

大河沿水庫瀝青混凝土心墻壩最大壩高75 m，壩體填筑從上游至下游依次為上游砂礫料區、上游過渡料區、瀝青混凝土心墻、下游過渡料區、下游砂礫料區及排水棱體。瀝青混凝土心墻厚度為0.6～0.8 m，砂卵石基礎部分采用混凝土防滲墻防滲，防滲墻厚度1 m，深入基巖1 m，大壩橫剖面如圖2所示。

圖2 心墻壩橫剖面

2 覆蓋土層分析

根據地勘資料，在大河沿水庫心墻大壩軸線長300 m 范圍內，共分布有砂質黏土、粉土、粉質砂土、壤土、碎石土、粉質黏土6 種覆蓋土層，厚度分布為40～50 m。根據對6 種覆蓋層土性分析，其顆粒粒徑大多較為接近，各土體顆粒級配特征如圖3 所示。從圖3可以看出，土體顆粒級配整體較佳，中值粒徑為7.2 mm，泊松比分布較為接近，為0.35～0.375。根據室內力學試驗結果，6 種土體滲透系數分布為（0.6～0.8）×10-4cm/s，黏聚力從小至大分別為粉質砂土、碎石土、粉土、壤土、砂質黏土、粉質黏土，相應的黏聚力分別為14～16、15～19、16～24、18～26、21～27、24～30 kPa。

圖3 典型土體顆粒級配特征

為探討大河沿水庫心墻壩上覆蓋層差異性對其結構抗震設計的影響，采用COMSOL Multiphysics 建立水庫心墻壩仿真模型[4，5]，如圖4 所示。該模型下部基巖層厚度設定為50 m，壩體上、下游坡度均設定為1∶2.1，下覆巖土層影響深度為100 m；防滲墻及基座模擬實際設計；壩體高度為大河沿水庫主軸均高，為45 m。模型中堆筑料、瀝青混凝土心墻等材料分別以修正劍橋模型、彈性本構為基礎單元；覆蓋層土性包括阻尼系數、剛度以及摩擦系數等，其中阻尼與摩擦系數分別設定為0.15、0.35。

圖4 大河沿水庫心墻壩仿真模型

本研究以烏魯木齊地震波為大河沿水庫心墻壩地震動模擬荷載。基于心墻覆蓋層土性物理力學特征參數以及分布厚度，分析其對壩體結構動力響應影響。為減小地震波前期擾動性影響，采用傅里葉短周期方法[6]，調整烏魯木齊地震波頻譜，獲得其峰值加速度為0.20 g。根據大河沿水庫所在場地特征，設定0.05、0.10、0.15、0.20 g 4 種不同的峰值加速度荷載工況。結合心墻壩覆蓋層土性特征參數差異，以黏聚力參數為對比，粉質砂土、碎石土、粉土、壤土、砂質黏土、粉質黏土的黏聚力分別設定為15、18、21、24、27、30 kPa，覆蓋層厚度按照梯次10 m 設定為10、20、30、40、50 m。

3 覆蓋層土性特征參數對動力響應影響

3.1 加速度響應特征

基于覆蓋層土性特征參數，計算得出典型峰值加速度工況下壩體高度方向上加速度響應特征，如圖5所示。從圖5可以看出，土層黏聚力特征參數愈大，壩體加速度響應值愈低，即土層黏聚力愈大，則動力響應影響愈弱，因此覆蓋層黏聚力特征參數有助于抑制地震波傳輸能量。在峰值加速度為0.20 g、黏聚力為15 kPa 時，壩體高度方向上加速度響應均值為2.7 m/s2，當黏聚力每遞增3 kPa，雖僅有3 kPa黏聚力的變幅，但仍然可引起壩體加速度響應均值下降13.9%。當峰值加速度降低至0.05 g 時，覆蓋層黏聚力特征參數對壩體加速度響應影響仍然保持一致，黏聚力每3 kPa梯次變化，可導致壩體加速度響應均值降低27.6%，即地震波峰值加速度愈大，則壩體加速度響應受覆蓋層黏聚力特征參數影響愈弱[7]。

圖5 覆蓋層特征參數與壩體加速度響應關系

進一步分析壩體高度方向上加速度響應變化可知，當黏聚力超過24 kPa時，壩體高度方向上加速度響應變化具有穩定遞增特點，如峰值加速度0.05 g工況下黏聚力為27、30 kPa 時壩體高度每增加3 m，加速度響應值分別平均增幅7.4%、9.7%。當黏聚力低于24 kPa 時，相應方案中加速度響應值變化具有二次突增特點，如峰值加速度0.05 g 工況下黏聚力分別為15、21 kPa 時在壩體高度27、24 m 下加速度響應值顯著突增。分析得出，當覆蓋層黏聚力特征參數較低、地震波能量傳輸至壩體中部時，能量破壞程度會進一步擴大，覆蓋層對壩體結構動力響應抑制作用減弱。從抗震設計角度考慮，心墻壩覆蓋層土性物理力學特征參數應與地震動響應影響相匹配，從而避免覆蓋層土性參數削弱壩體結構抗震能力。

3.2 主應力響應特征

基于覆蓋層土性黏聚力特征參數動力響應計算成果，得出壩體結構主應力峰值變化特征，如圖6所示。

圖6 覆蓋層特征參數與壩體主應力關系

從圖6 可以看出，同一覆蓋層厚度、同一地震波峰值加速度工況下，主應力峰值隨黏聚力特征參數增大呈遞減變化，且有突減變化段；當地震波峰值加速度增大，壩體主應力雖均有提高，但在覆蓋層黏聚力為27～30 kPa時主應力顯著下降。在覆蓋層厚度為40 m，黏聚力為21 kPa、峰值加速度為0.05 g 時主應力為0.92 MPa，而峰值加速度為0.10、0.20 g 時主應力較之前者分別增大18.5%、68.2%。峰值加速度每提高0.05 g，可導致該方案下主應力平均增大18.9%，而在黏聚力為24～30 kPa 時，隨峰值加速度0.05 g 梯次變化，相應的主應力分別平均提高23.4%、16.4%、14%，即覆蓋層黏聚力特征參數愈大，則壩體主應力響應受地震波峰值加速度影響愈弱，良好密實的覆蓋層有助于削弱地震對壩體主應力影響。

4 覆蓋層厚度分布特征對動力響應影響

同理，可獲得覆蓋層厚度分布特征對心墻壩體結構動力響應影響，覆蓋層厚度與壩體結構加速度響應關系，如圖7所示。

圖7 覆蓋層厚度與壩體加速度響應關系曲線

從圖7 可以看出，覆蓋層厚度與壩體加速度響應具有負相關關系。當地震波峰值加速度為0.10 g、覆蓋層厚度為10 m 時，壩體高度方向上加速度響應均值為2.35 m/s2，隨覆蓋層厚度每遞增10 m，壩體加速度響應均值平均下降18.4%；當地震波峰值加速度增大至0.20 g 時，則每梯次覆蓋層厚度變化，相應壩體加速度響應值降幅為16.9%。由上述分析對比可知，心墻壩覆蓋層愈厚，對地震波能量傳輸的阻礙作用愈大，即更利于心墻壩體結構抗震，且當地震波峰值加速度增大，覆蓋層厚度分布特征對壩體結構地震動力響應影響仍保持一致[8]。地震波峰值加速度為0.10 或0.20 g，壩體高度方向上加速度響應特征均為穩定遞增，無突變段。當地震波峰值加速度為0.10 g 時，5 種覆蓋層厚度方案中，壩體高度每遞增3 m，其加速度響應值平均提高3% ～6.2%；而地震波峰值加速度為0.20 g 時，此5 種覆蓋層厚度方案中，壩體加速度響應值平均提高3% ～6.9%。由此可知，改變覆蓋層厚度對壩體高度方向上加速度響應變化趨勢無較大影響，僅考慮加速度響應量值。

5 結論

（1）壩體加速度響應與覆蓋層黏聚力參數為負相關關系，且地震波峰值加速度愈大，則覆蓋層黏聚力參數對壩體加速度響應影響愈弱；覆蓋層黏聚力參數為27、30 kPa 時壩體高度方向上加速度響應遞增較穩定，而覆蓋層黏聚力參數低于24 kPa 時壩體加速度響應具有二次突增特點。

（2）壩體主應力峰值隨覆蓋層黏聚力參數增大呈遞減變化，且在黏聚力為27～30 kPa 時主應力峰值為突減變化段；覆蓋層黏聚力參數愈大，則壩體主應力峰值響應受地震波峰值加速度影響愈弱，在覆蓋層厚度為40 m、黏聚力參數為24～30 kPa 時，主應力峰值隨地震波峰值加速度0.05 g 梯次變化，平均增幅分別為23.4%、16.4%、14%。

（3）覆蓋層厚度與壩體加速度響應具有負相關關系，地震波峰值加速度為0.10、0.20 g時，覆蓋層厚度每遞增10 m，壩體加速度響應均值分別平均下降18.4%、16.9%；改變覆蓋層厚度，壩體高度方向上加速度響應變化具有一致性，無突變性。