土石壩地震液化判別及動(dòng)力有限元分析

李小煥，楊依民

(水發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250102)

1 引言

地震具有不可預(yù)測性，破壞力極大，是一種嚴(yán)重的自然災(zāi)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(gè)地震多發(fā)國家，近幾十年來，數(shù)次強(qiáng)震引發(fā)的壩基土液化，均對土石壩安全造成了嚴(yán)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(yùn)行的關(guān)鍵，也是工程抗震安全研究的重點(diǎn)。

1937年8月1日，菏澤市1天之內(nèi)發(fā)生了兩次強(qiáng)烈地震，分別為7級(jí)和6.75級(jí)，對當(dāng)?shù)卦斐闪藰O為嚴(yán)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(guān)規(guī)范對壩基土進(jìn)行液化判別，然后選取抗震最不利斷面進(jìn)行靜力和動(dòng)力計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對大壩抗震穩(wěn)定性進(jìn)行分析和評價(jià)，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(jìn)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(shí)兼顧周邊農(nóng)田灌溉。劉樓水庫工程規(guī)模為中型，設(shè)計(jì)正常蓄水位51.70 m(1985國家高程基準(zhǔn)，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(zhì)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(biāo)

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(nóng)田及村莊。鉆探深度范圍內(nèi)，工程區(qū)揭露的壩基各地層主要物理指標(biāo)見表1。

表1 壩基土層主要物理指標(biāo)表

2.2 地質(zhì)構(gòu)造及地震動(dòng)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(zhì)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(jìn)行地震液化判別。壩基土的地震液化判別可分為初判和復(fù)判兩個(gè)階段，復(fù)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(dòng)峰值加速度0.15 g，壩基地表以下15 m深度內(nèi)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(jìn)一步復(fù)判。

3.2 復(fù)判

依據(jù)規(guī)范P.0.4條文規(guī)定，采用標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行復(fù)判。符合式(1)要求的土應(yīng)判為液化土。

N

(1)

式中：N—工程運(yùn)用時(shí)地面以下標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度ds(m)處的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)；Ncr—標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)液化判別臨界值，根據(jù)式(2)計(jì)算：

(2)

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

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)復(fù)判，場區(qū)地面以下15 m范圍內(nèi)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(jié)論

根據(jù)初判和復(fù)判結(jié)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(shí)，場區(qū)地面以下15 m范圍內(nèi)的①-1層、②層、④層、⑥層砂壤土，均可能發(fā)生液化。

4 動(dòng)力有限元分析

4.1 計(jì)算斷面及工況

根據(jù)各斷面原位試驗(yàn)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(jì)算典型斷面，上游水位采用正常蓄水位(51.70 m)進(jìn)行二維有限元靜力及動(dòng)力分析。

4.2 大壩靜力分析

4.2.1 計(jì)算方法

土體的初始靜應(yīng)力對其動(dòng)力反應(yīng)影響較大，故一般需先進(jìn)行靜力分析，求出大壩的初始應(yīng)力，再進(jìn)行動(dòng)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(yīng)力水平S分別按下列公式計(jì)算：

(3)

(4)

(5)

式(3)(4)(5)中：σ1，σ3—大小主應(yīng)力(kPa)；c，φ—土的凝聚力(kPa)和內(nèi)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(jì)算結(jié)果分析

大壩初始應(yīng)力場主要由壩體自重和水庫蓄水產(chǎn)生的水壓力形成。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告相關(guān)參數(shù)，對典型斷面2+600和4+200進(jìn)行靜力計(jì)算。結(jié)合大壩抗滑穩(wěn)定分析可知，水庫正常蓄水時(shí)，地震發(fā)生前大壩初始應(yīng)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(dòng)力分析

4.3.1 計(jì)算公式

由于土石料的性質(zhì)非常復(fù)雜，為更好地進(jìn)行地震液化動(dòng)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(jìn)行簡化。

在采用等效線性模型進(jìn)行土石壩動(dòng)力分析時(shí)，土石料的動(dòng)剪切模量G和阻尼比λd均為剪應(yīng)變?的因變量，故可采用小應(yīng)變時(shí)的動(dòng)剪切模量Gmax和阻尼比λd隨剪應(yīng)變?的變化關(guān)系來描述其動(dòng)力性質(zhì)，一般采用迭代法進(jìn)行計(jì)算。Gmax可按下式確定：

(6)

4.3.2 液化判定標(biāo)準(zhǔn)

采用循環(huán)剪應(yīng)力比CSR作為計(jì)算模型液化判定的標(biāo)準(zhǔn)。CSR值一般根據(jù)正常固結(jié)狀態(tài)下砂層的相關(guān)試驗(yàn)確定。

(7)

參考相關(guān)文獻(xiàn)和已建工程經(jīng)驗(yàn)，正常固結(jié)狀況下砂壤土在液化剪應(yīng)力比值采用0.43。

4.3.3 地震波選取

考慮到當(dāng)?shù)厝狈?shí)測地震記錄，依據(jù)規(guī)范，結(jié)合地質(zhì)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(jīng)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(shí)程曲線圖

4.3.4 液化計(jì)算結(jié)果

典型斷面動(dòng)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(jià)

由圖3可以看出，在正常蓄水位遭遇7度地震時(shí)，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(hù)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(jié)合最危險(xiǎn)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(dāng)發(fā)生7度地震時(shí)，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(huì)發(fā)生壩坡失穩(wěn)破壞。建議采取適當(dāng)放緩大壩邊坡、加強(qiáng)排水反濾和增設(shè)壓重體等工程措施，以進(jìn)一步增強(qiáng)水庫大壩的抗震穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

地震導(dǎo)致的壩基少黏性土或砂土液化對土石壩安全運(yùn)行危害巨大，如何對土石壩基礎(chǔ)液化進(jìn)行準(zhǔn)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(diǎn)，也是水利工程設(shè)計(jì)工作者普遍關(guān)心的問題。

依據(jù)規(guī)范對土石壩壩基土的液化可能性進(jìn)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(jìn)行靜力分析，求出大壩的初始應(yīng)力；然后采用等效線性模型進(jìn)行動(dòng)力分析；基于動(dòng)力分析結(jié)果對大壩抗震穩(wěn)定性進(jìn)行分析和評價(jià)。提出適當(dāng)放緩大壩邊坡、加強(qiáng)排水反濾和增設(shè)壓重體等工程措施，以增強(qiáng)水庫大壩的抗震穩(wěn)定性，確保水庫長期安全運(yùn)行。