阿白沖水庫(kù)粘土心墻壩動(dòng)力應(yīng)力變形及穩(wěn)定性研究

王永成

（云南省紅河州水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院，云南蒙自 661100）

阿白沖水庫(kù)粘土心墻壩動(dòng)力應(yīng)力變形及穩(wěn)定性研究

王永成

（云南省紅河州水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院，云南蒙自 661100）

針對(duì)阿白沖水庫(kù)粘土心墻壩主要筑壩材料開(kāi)展了動(dòng)力三軸試驗(yàn)，研究了壩料的動(dòng)力特性。根據(jù)壩料動(dòng)力試驗(yàn)資料，提出了壩體動(dòng)力應(yīng)力變形分析計(jì)算的模型參數(shù)，采用三維非線性有限單元法分析了壩體的應(yīng)力變形特性和動(dòng)力反應(yīng)，研究了壩體的動(dòng)力反應(yīng)加速度分布、壩體加速度放大特性、壩體動(dòng)位移、壩體地震永久變形等。在壩體動(dòng)力計(jì)算和壩坡穩(wěn)定分析的基礎(chǔ)上，評(píng)價(jià)了該粘土心墻壩的安全性。

阿白沖水庫(kù)；粘土心墻壩；地震；應(yīng)力變形；穩(wěn)定性

圖1 心墻壩標(biāo)準(zhǔn)剖面圖

石屏縣阿白沖水庫(kù)擬建于紅河二級(jí)支流阿白沖河中下游河段，壩址位于石屏縣新城鄉(xiāng)阿白沖村附近，河谷形狀呈“U”形，河床底寬約40m，頂寬約270m，兩岸坡基本對(duì)稱(chēng)，地形完整，左岸山體較為寬厚。壩址及庫(kù)區(qū)地層主要為板巖，無(wú)不良的物理地質(zhì)現(xiàn)象。大壩為粘土心墻壩，壩頂高程1566.80m，壩頂寬10.0m，壩頂長(zhǎng)256.5m，最大壩高 89.2m。心墻上游側(cè)與風(fēng)化料相接處設(shè)置混合反濾層，心墻下游側(cè)與風(fēng)化料相接處設(shè)置二級(jí)反濾層，心墻后壩體內(nèi)設(shè)置排水砂管，壩腳處為堆石排水棱體，棱體頂寬 3m，頂部高程 1480.00m。圖 1為心墻壩設(shè)計(jì)剖面圖。

云南省處于我國(guó)地震高發(fā)區(qū)，水庫(kù)大壩的抗震安全非常重要，在水庫(kù)大壩抗震設(shè)計(jì)方面，許多學(xué)者開(kāi)展了深入的研究[1～6]。為研究阿白沖水庫(kù)大壩的抗震穩(wěn)定性，根據(jù)當(dāng)?shù)刂尾牧咸匦裕_(kāi)展了 3個(gè)方面的研究：①針對(duì)主要筑壩料（壩殼風(fēng)化料、心墻土料和反濾料）進(jìn)行了動(dòng)力三軸試驗(yàn)，研究了其動(dòng)力特性，并提出了動(dòng)力計(jì)算參數(shù)。②采用三維非線性有限元進(jìn)行了大壩動(dòng)力反應(yīng)分析，研究了壩體動(dòng)力反應(yīng)加速度、動(dòng)位移和地震永久變形，分析了心墻反濾料地震液化的可能性。③針對(duì)地震動(dòng)力狀態(tài)的不同概率水平進(jìn)行了壩坡穩(wěn)定性分析。

1 壩料動(dòng)力特性試驗(yàn)

壩殼風(fēng)化料動(dòng)力特性試驗(yàn)采用 1500kN大型動(dòng)靜三軸壓縮試驗(yàn)儀進(jìn)行，心墻土料及反濾料的動(dòng)力試驗(yàn)采用GDS電機(jī)控制的動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行。分別針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取樣的壩殼風(fēng)化料、反濾料和心墻土料進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)所用風(fēng)化料制樣相對(duì)密度控制為0.85，其最大、最小干密度分別為1.96 g/cm3和1.40 g/cm3，制樣干密度取 1.86g/cm3；反濾料制樣相對(duì)密度控制為0.75，其最大、最小干密度分別為2.06 g/cm3和1.57 g/cm3，制樣干密度取1.91g/cm3；心墻土料制樣干密度取1.62g/cm3。

壩殼風(fēng)化料動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 1，試驗(yàn)結(jié)果表明，壩殼風(fēng)化料動(dòng)模量相對(duì)較低，阻尼比和殘余變形較大。反濾料I動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，由試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，反濾料動(dòng)模量較低，但殘余變形比壩殼風(fēng)化料較小。心墻土料動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表1 動(dòng)力特性試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果及殘余變形特性試驗(yàn)參數(shù)

表2 動(dòng)模量和阻尼比模型參數(shù)及殘余變形參數(shù)

表3 動(dòng)模量和阻尼比模型參數(shù)

2 心墻壩動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果分析

采用三維有限元法對(duì)阿白沖心墻壩進(jìn)行動(dòng)力分析計(jì)算，有限元計(jì)算中應(yīng)用比奧固結(jié)理論對(duì)心墻及反濾料進(jìn)行有效應(yīng)力應(yīng)變分析，對(duì)上、下游壩殼采用總應(yīng)力方法進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，動(dòng)力計(jì)算采用等價(jià)粘彈性模型[7～8]。

2.1 計(jì)算參數(shù)與荷載

壩料靜動(dòng)力應(yīng)力應(yīng)變模型計(jì)算參數(shù)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)成果以及地質(zhì)勘察報(bào)告，結(jié)合工程類(lèi)比的方法確定。表4給出了動(dòng)力計(jì)算模型計(jì)算參數(shù)。

表4 動(dòng)力計(jì)算參數(shù)

地震動(dòng)力作用通過(guò)輸入地震歷時(shí)過(guò)程中基巖加速度施加。本文動(dòng)力計(jì)算采用加速度時(shí)程分析法，在得出運(yùn)行期壩體的應(yīng)變、應(yīng)力分布后，假定某一時(shí)刻發(fā)生地震，把地震持續(xù)時(shí)間分成 20～30個(gè)時(shí)段，對(duì)每一時(shí)段先進(jìn)行動(dòng)力分析，動(dòng)力方程采用Wilson-θ的逐步積分法求解，積分步長(zhǎng)為0.02秒，每一時(shí)段結(jié)束后，求出各點(diǎn)的加速度和動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)應(yīng)變，并用經(jīng)驗(yàn)公式求得殘余應(yīng)變?cè)隽亢图魬?yīng)變?cè)隽浚褢?yīng)變?cè)隽孔鳛槌鯌?yīng)變，然后再進(jìn)行一次靜力計(jì)算，得出變形的發(fā)展，再轉(zhuǎn)入下一時(shí)段的動(dòng)力計(jì)算分析，如此反復(fù)進(jìn)行直到地震結(jié)束。三維有限元網(wǎng)格剖分模擬了壩體的分級(jí)填筑過(guò)程。圖2為計(jì)算采用的三維網(wǎng)格圖，共劃分三維單元 9858個(gè)，結(jié)點(diǎn)數(shù)為10260個(gè)。

圖2計(jì)算采用的三維有限元風(fēng)格

2.2 動(dòng)力計(jì)算結(jié)果分析

動(dòng)力計(jì)算假定穩(wěn)定滲流期發(fā)生地震，全面分析在三向地震作用下壩體的動(dòng)力反應(yīng)、壩體動(dòng)位移以及壩體地震永久變形。

2.2.1 設(shè)計(jì)地震工況下大壩動(dòng)力響應(yīng)

（1） 動(dòng)力反應(yīng)加速度。動(dòng)力加速度空間分布見(jiàn)圖 3。計(jì)算結(jié)果表明：壩體動(dòng)力反應(yīng)加速度隨著壩高的增加而增加，最大動(dòng)力反應(yīng)加速度位于最大剖面壩頂。壩頂順河向、壩軸向和垂直向反應(yīng)加速度最大值分別為3.87 m/s2，2.99 m/s2和2.87 m/s2，與水平向及垂直向輸入加速度 1.84 m/s2和 1.23 m/s2相比，相應(yīng)的放大倍數(shù)分別為 2.10，1.63和2.34。在三向動(dòng)力反應(yīng)加速度中，基本以順河向反應(yīng)加速度最大，垂直向反應(yīng)加速度最小。但加速度放大倍數(shù)垂直向較大、順河向次之、壩軸向最小。

圖3 壩體動(dòng)力反應(yīng)加速度分布（m/s2）

（2）動(dòng)位移。壩體動(dòng)位移空間分布見(jiàn)圖4。計(jì)算結(jié)果顯示，壩體最大動(dòng)位移位于壩頂附近，壩體順河向最大動(dòng)位移為 9.8cm，壩軸向動(dòng)位移最大值5.6cm，豎向最大動(dòng)位移為5.4cm。壩體動(dòng)位移大小與所處位置有關(guān)?？傮w上看，水平向動(dòng)位移大于垂直向動(dòng)位移，高程大的結(jié)點(diǎn)動(dòng)位移較大；河床部位結(jié)點(diǎn)動(dòng)位移比岸坡部位結(jié)點(diǎn)動(dòng)位移大。

圖4 壩體動(dòng)位移分布（cm）

（3）永久變形。壩體地震永久變形空間分布見(jiàn)圖 5。計(jì)算結(jié)果表明，地震永久變形最大值發(fā)生在壩頂附近，最大震陷為 22.6 cm，壩體順河向永久位移基本上指向下游，順河向最大永久變形為21.1cm。壩軸向永久變形表現(xiàn)為兩岸向河床，順河向及垂直向永久變形最大值均位于河谷中央最大剖面壩頂附近。

圖5 壩體永久變形空間分布（cm）

（4）反濾料地震液化分析。壩體最大剖面內(nèi)因地震引起的超靜孔隙水壓力見(jiàn)圖 6。由于地震動(dòng)力影響，心墻及反濾料內(nèi)產(chǎn)生了一定的超靜孔隙水壓力，超靜孔隙水壓力的存在，將降低有效應(yīng)力。反濾料中超靜孔隙水壓力超過(guò)上覆有效荷重時(shí)將導(dǎo)致地震液化。計(jì)算所得心墻內(nèi)最大超靜孔隙水壓力36kPa，對(duì)土體強(qiáng)度影響不太大；上游反濾料內(nèi)最大超靜孔隙水壓力12kPa左右，不會(huì)發(fā)生地震液化。

圖6 壩體最大剖面內(nèi)地震引起的超靜孔隙水壓力（kPa）

2.2.2 校核地震工況下大壩動(dòng)力響應(yīng)

校核地震工況下，基巖的動(dòng)峰值加速度達(dá)到2.5m/s2，動(dòng)力計(jì)算結(jié)果表明，基巖峰值加速度增大后，壩體的反應(yīng)加速度、動(dòng)位移、地震永久變形等都有所增加，但反應(yīng)加速度放大倍數(shù)略有減小。

（1）動(dòng)力反應(yīng)加速度。兩種地震工況下壩體反應(yīng)加速度分布規(guī)律類(lèi)似。表5給出了設(shè)計(jì)地震工況和校核地震工況下大壩三向最大反應(yīng)加速度及其加速度放大倍數(shù)。動(dòng)力反應(yīng)加速度最大值位于最大剖面壩頂。

表5 大壩最大動(dòng)力反應(yīng)加速度

（2）動(dòng)位移。校核地震工況下壩體的動(dòng)位移稍大，但分布規(guī)律與設(shè)計(jì)地震工況相近。表6為兩種地震工況下壩體動(dòng)位移最大值。

表6 大壩最大動(dòng)位移（單位：cm）

（3）永久變形。兩種地震概率水平下發(fā)生地震壩體的永久變形最大值見(jiàn)表 7，基巖峰值加速度由184gal增加到250gal后，壩體的地震永久變形增加較為明顯。

表7 大壩最大地震永久變形（單位：cm）

（4）反濾料地震液化分析。與設(shè)計(jì)地震工況計(jì)算結(jié)果相比，在校核地震工況下，心墻和反濾料內(nèi)的超靜孔隙水壓力有所增加。采用 50年超越概率5%計(jì)算所得心墻和反濾層內(nèi)最大超靜孔隙水壓力分別為48kPa和15kPa，對(duì)心墻土體強(qiáng)度影響不大，上游反濾料也不會(huì)發(fā)生地震液化。圖7為壩體最大剖面內(nèi)地震超靜孔隙水壓力分布。

圖7 校核地震工況下最大剖面內(nèi)超靜孔隙水壓力分布（kPa）

3 壩坡穩(wěn)定性研究

3.1 風(fēng)化料強(qiáng)度指標(biāo)敏感性分析

壩殼風(fēng)化料工程特性相對(duì)較差，在碾壓密實(shí)度較低、浸水軟化等因素下，其強(qiáng)度可能會(huì)降低。本文采用極限平衡法分析了風(fēng)化料強(qiáng)度指標(biāo)較低情況下壩坡的抗滑穩(wěn)定性。計(jì)算中風(fēng)化料的內(nèi)摩擦角取為30o。

計(jì)算結(jié)果顯示：竣工期上、下游壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為2.08和1.76；蓄水期上、下游壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為2.23和1.71。靜力狀態(tài)不同工況下的安全系數(shù)都高于規(guī)范要求。

在動(dòng)力狀態(tài)下，采用設(shè)計(jì)地震工況即 50年超越概率 10%計(jì)算所得的上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.76和1.37，采用校核地震工況即50年超越概率5%計(jì)算所得的上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.62和1.28。動(dòng)力狀態(tài)下安全系數(shù)也高于規(guī)范要求。

壩坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)對(duì)風(fēng)化料的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)比較敏感，與內(nèi)摩擦角35o時(shí)計(jì)算結(jié)果相比，風(fēng)化料內(nèi)摩擦角降為 30o時(shí)，無(wú)論是靜力狀態(tài)還是動(dòng)力狀態(tài)下的壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)都有比較明顯的下降。

3.2 壩坡極限抗震能力

土石壩具有較好的抗震性能，2008年5月12日四川汶川強(qiáng)烈地震中，震區(qū)大量土石高雖然產(chǎn)生了不同程度的破壞，但無(wú)一潰壩事件發(fā)生。特別是位于震中附近的紫坪鋪面板堆石壩，壩高達(dá)156m，承受了遠(yuǎn)超其設(shè)計(jì)烈度的地震作用，其破壞形式主要表現(xiàn)為壩坡堆石松動(dòng)滾落、混凝土面板脫空、錯(cuò)抬及開(kāi)裂等，但大壩整體仍是穩(wěn)定安全的，經(jīng)過(guò)修復(fù)，又投入了正常的使用。本文抗震極限分析主要從壩坡承受地震的能力出發(fā)進(jìn)行研究，目的是分析多大地震動(dòng)峰值加速度下，壩坡達(dá)到極限狀態(tài)。采用擬靜力法針對(duì)蓄水期發(fā)生地震，分析研究了不同峰值加速度下上下游壩坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 8。由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，從壩坡整體穩(wěn)定來(lái)看，極限抗震能力介于0.6～0.65g。

不過(guò)，應(yīng)該指出，地震動(dòng)力過(guò)程中，壩頂附近動(dòng)力反應(yīng)明顯，壩頂附近壩坡堆石松動(dòng)、滾落甚至淺層滑動(dòng)的可能性是存在的。另外，不均勻震陷引起壩頂產(chǎn)生縱向沉陷縫也是可能產(chǎn)生的破壞形式。

表8 不同峰值加速度下壩坡的地震穩(wěn)定性

4 結(jié)論與建議

（1）本文針對(duì)阿白沖水庫(kù)粘土心墻壩主要筑壩材料進(jìn)行了動(dòng)力特性試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明：壩殼風(fēng)化料和反濾料的動(dòng)模量均不高，動(dòng)殘余變形稍大。壩殼模量與心墻模量差異不太大。

（2）壩體動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果顯示，越接近壩頂動(dòng)力反應(yīng)越強(qiáng)烈，且隨著壩高的增加而增大。

（3）設(shè)計(jì)地震工況下，壩體最大震陷為22.6cm，順河向最大永久變形為21.1cm。

（4）地震期間心墻及反濾料內(nèi)將產(chǎn)生了一定的超靜孔隙水壓力，設(shè)計(jì)地震工況下，心墻內(nèi)最大超靜孔隙水壓力 36kPa，上游反濾料內(nèi)最大超靜孔隙水壓力12kPa左右，不會(huì)發(fā)生地震液化。校核地震工況下，壩體動(dòng)力反應(yīng)規(guī)律與設(shè)計(jì)地震工況類(lèi)似，但壩體的反應(yīng)加速度、動(dòng)位移、地震永久變形等都有所增加，而反應(yīng)加速度放大倍數(shù)略有減小。

（5）壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)對(duì)風(fēng)化料的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)比較敏感,風(fēng)化料內(nèi)摩擦角由35o降為30o時(shí)，無(wú)論是靜力狀態(tài)還是動(dòng)力狀態(tài)下的壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)都有比較明顯的下降。因此應(yīng)嚴(yán)格控制壩體的碾壓質(zhì)量。

（6）本工程采用了較緩的壩坡，壩坡抗震極限分析結(jié)果顯示，從壩坡整體穩(wěn)定來(lái)看，極限抗震能力介于0.6～0.65g。

（7）地震動(dòng)力過(guò)程中，壩頂附近動(dòng)力反應(yīng)明顯，壩頂附近壩坡存在堆石松動(dòng)、滾落、甚至淺層滑動(dòng)的可能性。建議對(duì)壩頂以下1/5壩高范圍內(nèi)的壩殼風(fēng)化料提高壓實(shí)質(zhì)量，提高抗震能力。

[1] 朱百里,沈珠江.計(jì)算土力學(xué)[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1990

[2] 沈珠江,王劍平.土質(zhì)心墻壩填筑及蓄水變形的數(shù)值模擬[J].水利水運(yùn)科學(xué)研究,1988（4）

[3] 沈珠江.土石料的流變模型及其應(yīng)用[J].水利水運(yùn)科學(xué)研究,1994（4）:335-342

[4] 沈珠江,趙魁芝.堆石壩流變變形的反饋分析[J].水利學(xué)報(bào),1998（6）

[5] 左元明,沈珠江.壩料土浸水變形特性研究[R].南京:南京水利科學(xué)研究院,1989

[6] 沈珠江,易進(jìn)棟,左元明.土壩水力劈裂的離心模型試驗(yàn)及其分布[J].水利學(xué)報(bào),1994（4）

[7] 李國(guó)英.砂石料浸水變形三維有限元分析[A].巖土力學(xué)的理論與實(shí)踐[C].南京:河海大學(xué)出版社,1998

[8] 沈珠江.魯布革心墻堆石壩變形的反饋分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),1994,16（3）

TV641

A

1008-1305（2013）02-0040-05

10.3969/j.issn.1008-1305.2013.02.012

王永成（1962年-），男，云南人，高級(jí)工程師。