高心墻堆石壩摻礫心墻料振動(dòng)孔隙水壓力計(jì)算模型研究

曹學(xué)興，何蘊(yùn)龍，熊 堃，遲福東，余記遠(yuǎn)，譚 彬，郭麗娜

(1.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明 650214；2.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072；3.長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司, 湖北 武漢 430010； 4.云南工商學(xué)院，云南 昆明 651701)

水利工程中多座土石壩工程在地震過程中都出現(xiàn)了嚴(yán)重破壞，造成了當(dāng)?shù)厝嗣裆拓?cái)產(chǎn)的巨大損失,如唐山大地震中的北京密云白河土壩[1]、唐山陡河水庫土壩[2]、汶川地震中紫坪鋪大壩[3]，1971年美國San Fernando地震中Lower San Fernando Dam[4]和Upper San Fernando Dam[5]等。隨著我國水電事業(yè)的發(fā)展，擬建和在建一批200 m級(jí)以上高土石壩，這些壩大多建在我國西南高地震烈度區(qū)，抗震安全問題十分重要[6]。

根據(jù)記錄，石門水庫土壩[7]、San Fernando Dam[8]出現(xiàn)的滑坡、坍滑和變形等破壞都發(fā)生在地震停止后，原因是地震引起的超孔隙水壓力在地震停止后的重分布引起局部土料出現(xiàn)液化，因此有效應(yīng)力法才能對(duì)土石壩的抗震安全性，尤其是震后的抗震安全性做出準(zhǔn)確全面的評(píng)價(jià)，而地震引起超孔隙水壓力的準(zhǔn)確計(jì)算和評(píng)估是最為關(guān)鍵的[9]。本文對(duì)經(jīng)典Seed動(dòng)孔壓模型在高土石壩工程中的適用性進(jìn)行了研究和分析，并根據(jù)高土石壩工程中采用的摻礫土料的動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果和其超孔隙水壓力增長規(guī)律，提出了一個(gè)可以準(zhǔn)確計(jì)算摻礫心墻料的動(dòng)孔壓計(jì)算模型，并應(yīng)用于長河壩工程中。

1 超孔隙水壓力計(jì)算模型

20世紀(jì)六七十年代，國內(nèi)外對(duì)地震引起的沙土液化破壞問題進(jìn)行了廣泛的研究，提出了多個(gè)振動(dòng)孔隙水壓力增長的計(jì)算模型，其中主要有Seed模型、Finn模型等應(yīng)力模型和Martin-Finn-Seed模型、汪聞?wù)涯Ｐ偷葢?yīng)變模型。

上述模型中以Seed模型[10]應(yīng)用最為廣泛，如式(1)所示，該模型主要反映了飽和砂土在振動(dòng)條件下孔隙水壓力增長規(guī)律：

(1)

其中：θ為與土性有關(guān)的試驗(yàn)常數(shù)，Seed等認(rèn)為，一般可取為0.7(圖1中間線)。其孔隙水壓增長曲線如圖1所示。

圖1 Seed動(dòng)孔壓模型曲線

目前，飽和砂土在振動(dòng)作用下動(dòng)孔壓增長的規(guī)律已有較多的研究成果，但針對(duì)超高心墻堆石壩摻礫石心墻料的振動(dòng)孔壓的變化發(fā)展規(guī)律開展的研究較少。圖2給出了某試驗(yàn)條件下砂礫石料動(dòng)孔壓增長規(guī)律曲線。圖3[11]給出了云南肖家墳尾礦庫壩料壩基黏土動(dòng)孔壓增長曲線。圖4[12]為長河壩大壩筑壩材料動(dòng)孔壓增長曲線?？梢钥闯鰮降[土料、砂礫石料在振動(dòng)初始階段，由于材料滲透性差，孔壓不易消散和轉(zhuǎn)移，出現(xiàn)急劇上升，后期由于黏性土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和黏聚力作用，孔隙水壓增長緩慢并趨于穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)急劇上升情況，明顯與砂土在振動(dòng)作用下動(dòng)孔壓增長規(guī)律有所不同。

圖2 砂礫石料動(dòng)孔壓增長曲線

圖3 肖家墳尾礦壩壩基黏土動(dòng)孔壓增長曲線

圖4 長河壩筑壩材料動(dòng)孔壓增長曲線

隨著西部水能資源開發(fā)的深入，在我國西南地區(qū)擬建和在建一批200 m級(jí)甚至300 m級(jí)的超高心墻堆石壩，由于天然防滲土料不能滿足超高心墻堆石壩強(qiáng)度和變形的要求，一般采用摻礫措施提高天然防滲土料的強(qiáng)度和變形特性。根據(jù)前面分析，超高心墻堆石壩不宜直接采用根據(jù)砂土試驗(yàn)得出的Seed模型等動(dòng)孔壓計(jì)算模型，有必要建立一種符合材料動(dòng)強(qiáng)度特性的動(dòng)孔壓計(jì)算模型。

2 摻礫土料孔隙水壓力計(jì)算模型

2.1 摻礫土料孔隙水壓力模型

根據(jù)高土石壩摻礫土料，礫石土料的動(dòng)孔壓增長表現(xiàn)出的一般規(guī)律，并考慮動(dòng)剪應(yīng)力比對(duì)孔壓的影響，提出一種新的動(dòng)孔壓計(jì)算模型：

(2)

式中：a、b、c為試驗(yàn)參數(shù)，考慮動(dòng)剪應(yīng)力比對(duì)材料動(dòng)力特性影響時(shí)，a、b、c計(jì)算公式如下：

(3)

(4)

(5)

式中：a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3為試驗(yàn)參數(shù)。

2.2 摻礫土料動(dòng)孔壓模型的驗(yàn)證

采用長河壩大壩筑壩材料動(dòng)孔壓試驗(yàn)結(jié)果對(duì)摻礫心墻料動(dòng)孔壓模型的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。從圖5中可以看出，新動(dòng)孔壓模型可以較好地?cái)M合不同動(dòng)剪應(yīng)力比條件下試驗(yàn)數(shù)據(jù)，真實(shí)反應(yīng)工程材料振動(dòng)孔壓的增長規(guī)律。

3 新動(dòng)孔壓模型在長河壩工程中的應(yīng)用

根據(jù)新?lián)降[心墻料動(dòng)孔壓模型結(jié)合改進(jìn)的Hardin-Drnevich模型[13]編制計(jì)算程序，應(yīng)用于高地震烈度區(qū)高240 m長河壩大壩的抗震安全計(jì)算。

3.1 計(jì)算模型及參數(shù)

根據(jù)工程布置、壩體結(jié)構(gòu)和實(shí)際地質(zhì)情況建立有限元計(jì)算模型，其中壩體部分模型如圖6所示，整體模型超過20 000個(gè)單元。

圖5 長河壩筑壩材料動(dòng)孔壓

圖6 計(jì)算模型(壩體部分)

靜力計(jì)算壩體與覆蓋層材料采用鄧肯E-μ雙曲線模型，將靜力結(jié)果作為時(shí)程動(dòng)力計(jì)算的初始狀態(tài)。動(dòng)力計(jì)算參數(shù)見文獻(xiàn)[13]，動(dòng)孔壓計(jì)算參數(shù)如表1所示，其中等效振動(dòng)次數(shù)采用Martin等[14]的研究成果。

3.2 地震波

根據(jù)工程地震安評(píng)報(bào)告，利用場地譜擬合地震波時(shí)程曲線，如圖7所示，反演后進(jìn)行地震動(dòng)輸入。

表1 長河壩大壩材料動(dòng)孔壓參數(shù)

圖7 各方向地震加速度時(shí)程

3.3 地震過程中振動(dòng)孔隙水壓力

地震發(fā)生10 s、20 s和30 s時(shí)，心墻和上游反濾層的振動(dòng)孔隙水壓力分布規(guī)律基本一致，超孔隙水壓力值從壩頂?shù)綁位试龃笞兓厔?shì)，心墻內(nèi)振動(dòng)孔隙水壓力較大，由于在地震過程中，沒有考慮振動(dòng)孔隙水壓力的消散，孔壓值隨時(shí)間增大。在地震發(fā)生10 s、20 s、30 s時(shí)振動(dòng)孔隙水壓力最大值分別為1 178.4 kPa、1 405.3 kPa、1 482.5 kPa。

計(jì)算結(jié)果顯示，上游反濾層頂部動(dòng)孔壓比較大，最大值超過了0.8，為抗震薄弱部位。根據(jù)計(jì)算分析，盡管反濾層和心墻料在地震過程中不會(huì)出現(xiàn)液化，但是在工程設(shè)計(jì)及建設(shè)過程中應(yīng)采取相應(yīng)措施，減少抗震薄弱位置上游反濾層發(fā)生液化的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié) 論

結(jié)合目前擬建和在建超高心墻堆石壩抗震安全性計(jì)算分析需要，根據(jù)研究揭示的摻礫土料振動(dòng)孔壓增長的增長規(guī)律和材料動(dòng)力試驗(yàn)，提出一個(gè)超高心墻堆石壩摻礫心墻料振動(dòng)孔壓模型，模型能真實(shí)反應(yīng)材料動(dòng)力特性，而且參數(shù)確定方便，計(jì)算效率高。根據(jù)新提出的摻礫心墻料動(dòng)孔壓模型結(jié)合改進(jìn)的Hardin-Drnevich模型編制了計(jì)算程序，應(yīng)用于高地震烈度區(qū)240 m高長河壩大壩抗震安全計(jì)算，得到了地震過程中壩體振動(dòng)孔壓的分布規(guī)律及變化趨勢(shì)，在不考慮地震過程中孔壓消散時(shí)，振動(dòng)孔壓和超孔壓比不斷增大，反濾層頂部超孔壓比超過了0.8，為壩體抗震薄弱的部位，在工程設(shè)計(jì)和建設(shè)中，可采用寬級(jí)配角礫料提高該部位抗震安全性。