深厚覆蓋層土石壩近遠斷層地震動加速度響應分析

楊 貴， 陳轉轉， 胡先鴻

（1.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，南京 210024；2.河海大學安全與防災工程研究所，南京 210024）

土石壩因結構簡單、就地取材、施工方便等優(yōu)點被廣泛應用于具有豐富水資源的西南地區(qū)［1］，而該地區(qū)多位于斷裂帶附近，地質(zhì)條件較差，存在大量的深厚覆蓋層場地且地震頻發(fā)，故加強土石壩的動力響應分析尤為重要［2-4］.

已有研究表明深厚覆蓋層的存在對壩基壩體的加速度響應有所影響. 如方火浪等［5］利用有效應力法研究了強震作用下壩體和地基的加速度響應情況；王翔南等［6］采用黏彈性模型-等效線性化方法對國內(nèi)某擬建的深厚覆蓋層土石壩進行了加速度響應分析；余挺和邵磊［7］、楊正權等［8］通過數(shù)值分析研究了深厚覆蓋層的存在對壩基加速度響應的影響.

除此之外，在實際工程中土石壩可能會受地形條件的限制，不可避免地建設在距離斷層較近的區(qū)域. 如2008年汶川地震中近斷層地震動對結構造成的嚴重破壞受到工程界和眾多學者的關注［9］. 近斷層一般表示斷層距小于20 km的區(qū)域范圍［10-13］. 在近斷層地震作用下，因其具有明顯的速度脈沖性、上盤效應性以及方向性等特征［14］，使得構建物受到了嚴重的破壞，其中比較有名的近斷層地震有Kobe地震和Chi-Chi地震等［15］.目前對近斷層波的判斷方法不一，大多數(shù)學者主要基于地震動的峰值速度（PGV）與峰值加速度（PGA）的比值不小于0.2進行判斷［16］，且PGV/PGA越大，其速度脈沖效應越大，特征周期越長［17］. 基于此，梅偉等［18］研究近斷層地震動對心墻堆石壩動力響應的影響；鄒德高等［19］研究近斷層地震動對面板堆石壩變形和應力的影響；張社榮等［20］研究了近斷層地震的方向性以及脈沖型對土質(zhì)邊坡動力響應的影響. 然而這些研究都是基于基巖土石壩，并未考慮深厚覆蓋層對土石壩的影響，也沒有考慮不同地震波類型對其動力響應的影響. 因此開展不同地震波作用、不同影響因素改變下深厚覆蓋層土石壩的動力響應研究是十分必要的.

本文以新疆某地區(qū)距離斷層較近的深厚覆蓋層上擬建的土石壩為研究對象，分析近斷層地震動（NFM）和遠斷層地震動（FFM）作用下覆蓋層和壩體加速度分布規(guī)律，并在此基礎上研究加速度峰值、覆蓋層厚度、覆蓋層強度特性、軟弱夾層等因素對覆蓋層和壩體加速度響應的影響.

1 數(shù)值模型及參數(shù)

擬建工程位于新疆阿克蘇地區(qū)，壩高28 m，壩頂寬8 m，上游壩坡1∶3，下游壩坡1∶2，正常蓄水位為27 m，壩基砂礫石覆蓋層厚度為100 m. 上游采用混凝土面板+復合土工膜，庫底采用復合土工膜防滲. 采用有限差分軟件FLAC3D建立單位寬度模型進行分析. 為簡化模型，砂礫覆蓋層厚度取100 m，模型寬444 m. 為了消除邊界尺寸和波的反射影響，邊界為自由場，數(shù)值模型及監(jiān)測點位置（壩體測點豎向距離為7 m/個，覆蓋層則為20 m/個；上游測點U，下游測點D，壩軸線測點A）如圖1所示. 單元數(shù)為2320，節(jié)點數(shù)為4896. 堆石和覆蓋層土體采用摩爾庫倫模型，具體參數(shù)如表1示. 分析過程中未考慮混凝土面板，復合土工膜采用土工格柵結構模擬，彈性模量為3.6×108Pa，泊松比為0.25. 動力計算中地震波從模型底部輸入，采用局部阻尼，阻尼比取5%.

表1 土體參數(shù)Tab.1 Soil parameters

圖1 計算模型和測點位置Fig.1 Calculation model and measuring point locations

本文選取一條近斷層波（NFM）和一條遠斷層波（FFM）進行分析. FFM取自1952年Taft地震，震中距為41.45 km，PGV/PGA=0.058；NFM 取自1979 年Imperial Valley 地震，震中距為7.31 km，PGV/PGA=0.267；地震波時間間隔為0.02 s，震動持續(xù)時長為15 s. 由于該工程處于八度設防烈度場地，因此地震動峰值加速度為0.2g（g為重力加速度，下同），此時對應的波形及加速度放大系數(shù)（典型周期的加速度與加速度峰值0.2g的比值）反應譜如圖2和圖3所示. 從圖3可以看出近斷層地震動的反應譜有較寬的加速度敏感段，可能會引起大壩較高的加速度響應.

圖2 地震動加速度時程Fig.2 Time histories of ground motion accelerations

圖3 地震動加速度放大系數(shù)反應譜Fig.3 Response spectrum of ground motion acceleration magnification

2 數(shù)值模擬結果分析

2.1 加速度峰值影響

加速度峰值對壩體的動力響應有顯著影響. 圖4 和圖5給出了加速度峰值為0.2g時壩軸線處頂點A1和建基面A5的加速度和速度響應. 由圖4可知FFM作用下測點加速度和速度響應的最大值均出現(xiàn)在壩頂，其中測點A1和A5 加速度極值相差0.11g，速度極值相差0.08 m/s. 此時速度響應持續(xù)增加周期段為3.27～3.56 s，持時0.29 s；在圖5中NFM作用下測點的加速度和速度響應也表現(xiàn)出此規(guī)律，且數(shù)值均大于FFM，其中測點A1 和A5 對應差值分別為0.12g 和0.25 m/s，速度響應持續(xù)增加周期段為9.75～11.41 s，周期段響應持續(xù)增加，持時1.66 s. 這是由于NFM具有較強的速度持續(xù)脈沖效應導致的.

圖4 FFM作用下測點加速度和速度的響應Fig.4 Responses of accelerations and velocities of measure points under the action of FFM

圖5 NFM作用下測點加速度和速度響應Fig.5 Responses of accelerations and velocities of measure points under the action of NFM

圖6給出了加速度峰值為0.2g時覆蓋層不同位置處的加速度響應情況（h1為覆蓋層厚度，z為對應測點的坐標）. 從中可以看出不同地震動作用下覆蓋層的加速度響應趨勢存在不同. FFM作用下上下游的加速度響應總體是隨著高程的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，而壩軸線處則一直減小，在建基面處的放大系數(shù)β（建基面的加速度與輸入值的比值）均小于1，即出現(xiàn)衰減現(xiàn)象. NFM作用下不同位置處的加速度響應整體來說是隨著高程的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，在建基面處的放大系數(shù)β大于1. 出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是覆蓋層的存在對以高頻為主的FFM 的濾波能力較強導致的. 在振動過程中，不同地震動作用下上游、壩軸線和下游的加速度響應規(guī)律有所區(qū)別. 其中FFM作用下上下游加速度響應程度類似，壩軸線處加速度響應最??；NFM作用下下游處加速度響應最大，上游處次之，壩軸線處最?。ㄈ?.1g NFM作用下的上、下游及壩軸線處的加速度響應值分別為0.178g、0.153g和0.125g）. 這是由于覆蓋層對FFM的吸收強于NFM導致其建基面處的加速度響應情況受其上部荷載的影響很小，而NFM受上部荷載的影響較大，即上部荷載的存在限制了壩基地震作用下的響應程度：模型中下游處不存在荷載，上游僅有水荷載，而壩軸線處除了水荷載的作用還存在壩體的自重. 且可以注意到FFM作用下不同位置處的響應從-80 m后出現(xiàn)不同，而NFM則從底部輸入后就出現(xiàn)不同程度的差距.

圖6 0.2g下壩基不同位置處加速度分布Fig.6 Acceleration distributions of different locations of dam foundation under 0.2g

當考慮地震動下不同加速度峰值時（加速度a取0.1g、0.2g和0.3g），壩基的加速度響應變化規(guī)律與0.2g規(guī)律相同，但數(shù)值有所變化. 總體來說，地震動加速度峰值越大，壩軸線建基面處的β越?。é耡=0.1g 為0.1g作用下建基面的加速度放大系數(shù). 其中FFM 作用下βa=0.1g=0.22、βa=0.2g=0.22 和βa=0.3g=0.21，NFM 作用下βa=0.1g=1.25、βa=0.2g=1.20和βa=0.3g=1.15）. 該結論與余挺得出的結論一致［7］.

不同加速度峰值下，壩軸線處加速度放大系數(shù)α（壩軸線上測點加速度與建基面處加速度比值）的分布規(guī)律如圖7所示（h為壩高，z為測點坐標）. 從中可知不同地震動作用下壩軸線處加速度放大系數(shù)變化規(guī)律相似，即隨著高程的增大而增大. 且NFM作用下的放大系數(shù)小于FFM，主要是因為覆蓋層的“消減”作用導致的. 另外隨著加速度峰值的增大，覆蓋層與壩體的非線性特性增強，阻尼也就越大，即壩頂處的α呈現(xiàn)出整體下降的趨勢［1］. 其中在NFM 作用下壩頂?shù)摩帘纫?guī)范［21］建議值?。é羇=0.1g=1.46、αa=0.2g=1.43 和αa=0.3g=1.42）；FFM作用下α則比規(guī)范建議值大（αa=0.1g=3.56、αa=0.2g=3.51和αa=0.3g=3.46）.

圖7 不同加速度峰值下壩體軸線放大系數(shù)分布Fig.7 Distributions of magnification factors of dam axis under different peak accelerations

2.2 覆蓋層厚度影響

當覆蓋層厚度（覆蓋層厚度hf取50 m、100 m和150 m）增大時，土層累計的阻尼變大，地震吸收的能量增多從而造成FFM和NFM作用下壩軸線建基面處β表現(xiàn)出非線性減小(βhf=50為覆蓋層厚度為50 m時建基面處加速度放大系數(shù). 其中FFM 作用下βhf=50=0.50、βhf=100=0.22 和βhf=150=0.15；NFM 作用下βhf=50=2.25、βhf=100=1.20和βhf=150=1.19）；但壩頂處的α值卻表現(xiàn)出逐漸增大的規(guī)律，這是由于覆蓋層厚度的增加對建基面處加速度響應的弱化程度較明顯導致的，即雖然壩體頂部的加速度也是隨著厚度的增大而減小，但這種弱化的程度并不強烈從而造成了壩頂?shù)摩脸尸F(xiàn)出增大的現(xiàn)象. 此外，覆蓋層厚度的改變并不影響壩基壩軸線及壩體加速度響應與高程的關系：FFM作用下壩基壩軸線的加速度響應仍然是隨著高程的增大而減小，NFM 作用下則是隨著高程的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，且土石壩壩體的加速度響應也同樣是隨著壩體高程的增大而增大.

圖8 給出了不同覆蓋層厚度下建基面測點A5 和 壩 頂 測 點A1 的PGV/PGA 放大系數(shù)情況（壩頂放大系數(shù)等于壩頂?shù)腜GV/PGA 與建基面的PGV/PGA的比值）. 從中可以看出不同地震波作用下建基面和壩頂處的PGV/PGA變化規(guī)律類似，即隨著覆蓋層厚度的增加，PGV/PGA放大系數(shù)呈現(xiàn)出非線性增長的趨勢. 另外可以注意到由于FFM在輸入時具有較小的PGV/PGA 導致其建基面處放大系數(shù)擬合線的斜率大于NFM 作用下的斜率，此時放大系數(shù)數(shù)值均大于1；由于壩體材料對以低頻為主的FFM 吸收強于NFM 導致其壩頂處的放大系數(shù)擬合線斜率同樣也大于NFM作用下的斜率，此時放大系數(shù)數(shù)值均小于1.

圖8 不同覆蓋層厚度下測點的PGV/PGAFig.8 PGV/PGA of measure points under different overburden thickness

2.3 覆蓋層土層參數(shù)影響

當覆蓋層彈性模量（彈性模量E取30、40、50 MPa）增大時，壩基的剛度有所提升，覆蓋層對地震波能量的“吸收”程度降低從而使壩軸線建基面處的加速度響應表現(xiàn)為逐漸增大的趨勢（βE=30為彈性模量為30 MPa時建基面的加速度放大系數(shù). FFM 作用下βE=30=0.20、βE=40=0.22 和βE=50=0.28；NFM 作用下βE=30=1.16、βE=40=1.23和βE=50=1.56）；但壩頂放大系數(shù)α逐漸減弱，這是因為彈性模量的增加導致建基面處加速度響應強于壩頂?shù)募铀俣软憫?；此時對應建基面和壩頂處PGV/PGA放大系數(shù)呈現(xiàn)出非線性降低的趨勢，且NFM作用下建基面和壩頂處放大系數(shù)及其擬合線斜率仍然小于FFM作用下的數(shù)值.

2.4 軟弱夾層影響

軟弱夾層因其力學參數(shù)明顯小于周圍土體參數(shù)從而導致構建物的反應規(guī)律有所變化，因此有必要研究軟弱土層的存在對土石壩以及壩基加速度的影響. 圖9給出了加速度峰值0.2g，不同軟弱夾層厚度（軟弱夾層厚度hs取無軟弱夾層厚0 m、-40～-50 m處10 m厚和-40～-60 m處20 m厚）壩基覆蓋層壩軸線測點A5～A10的加速度響應情況. 可以看到FFM作用下壩基建基面處的加速度響應隨著高程的增大而減小，NFM則整體呈現(xiàn)出先減小再增大的趨勢. 隨著軟弱夾層厚度的增大，壩基建基面處放大系數(shù)β逐漸降低(βhs=0為無軟弱夾層時建基面的加速度放大系數(shù). FFM作用下βhs=0=0.22，βhs=10=0.20，βhs=20=0.18；NFM作用下βhs=0=1.20，βhs=10=1.14，βhs=20=1.09)，這是因為軟弱夾層力學性質(zhì)更差，吸收更多的地震能量起到“隔震”作用，從而使得壩基的加速度呈現(xiàn)出下降的規(guī)律. 且可以看到當軟弱夾層存在時，其深度附近的加速度出現(xiàn)不同程度的衰減，其中當軟弱夾層厚度為20 m時，NFM 作用下壩軸線軟弱夾層處的加速度響應從0.094g減少至0.049g，衰減了47.8%，進一步說明了軟弱夾層的存在對地震波的“隔震”作用更明顯.

圖9 不同軟弱夾層厚度下壩基壩軸線加速度分布Fig.9 Acceleration distributions of dam foundation axis under different thickness of weak intercalations

為了研究軟弱夾層（軟弱夾層厚度均取為20 m 厚，位 置 分 別 為-20～-40 m、-40～-60 m、-60～-80 m 和-80～-100 m）位置對覆蓋層壩基加速度響應的影響，以壩基壩軸線10 m 為一測點進行分析，各測點的加速度響應情況如圖10 所示. 總體來說，F(xiàn)FM作用和NFM 作用下壩基建基面處的加速度響應均是隨著軟弱夾層高程的增大而增大，其中FFM作用下壩基建基面處的加速度響應受軟弱夾層厚度的影響較小，最大差值僅為0.003g，接近于0；而NFM作用下則受位置影響較為明顯，此時測點加速度最大差值為0.041g. 這是由于覆蓋層對FFM地震動的“消減”較強導致的.

圖10 軟弱夾層不同位置下壩基壩軸線的加速度分布Fig.10 Acceleration distributions of dam foundation at different locations of weak intercalations

3 結論

本文以新疆某地區(qū)深厚覆蓋層近斷層土石壩為例，考慮不同地震動作用下（FFM和NFM），不同因素改變對壩體和壩基覆蓋層加速度響應特性的影響，得出如下主要結論：

1）NFM較大的速度脈沖特性使壩基和壩體的加速度、PGV/PGA和速度脈沖持時均大于FFM作用下的數(shù)值. 且隨著加速度峰值增大，建基面放大系數(shù)β、壩頂放大系數(shù)α越小.

2）隨著覆蓋層厚度的減小、彈性模量的增大，建基面處的加速度放大系數(shù)β增大，壩頂處放大系數(shù)α和PGV/PGA的放大系數(shù)減小，且FFM作用下PGV/PGA放大系數(shù)的變化斜率均大于NFM作用下的數(shù)值.

3）隨著覆蓋層中軟弱夾層厚度的增大，建基面處的加速度放大系數(shù)β變小，壩頂處放大系數(shù)α增大；軟弱夾層位置的改變對FFM作用下壩基建基面處的加速度響應影響較小，而對NFM影響較大. 建基面處的加速度響應總體表現(xiàn)為隨著軟弱夾層高程的增大而增大的規(guī)律.