近斷層脈沖型地震動對重力壩深層抗滑穩(wěn)定性的影響

馬 力，顧 冬，羅 坤，崔 笑，賈玉豪

(1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，江蘇南京 210000；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京 210098；3.中國電建集團北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京 100024；4.上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上海 200335)

近幾十年來，國內(nèi)外發(fā)生的近斷層脈沖型地震，如1994 年美國Northridge 地震、1995 日本Kobe 地震、1999 年臺灣Chi-Chi 以及2003 年伊朗Bam 地震等均具有明顯的破裂方向性效應(yīng)和速度脈沖特征。與常規(guī)地震相比，近斷層脈沖型地震對工程結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更為嚴(yán)重的破壞，也引起了越來越多的學(xué)者對此類地震動的關(guān)注。

近斷層地震動攜帶的速度脈沖可使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的位移反應(yīng)，臨近結(jié)構(gòu)在其作用下有更高的強度和延性需求[1-3]。迄今為止，針對近斷層脈沖型地震動對水工建筑物的影響主要集中在土石壩動力響應(yīng)及重力壩損傷累積破壞方面。如鄒德高等[4-5]研究發(fā)現(xiàn)，速度脈沖對大壩的變形和抗?jié)B性均有較大影響，脈沖型地震對大壩安全更為不利；韓慧超等[6]研究發(fā)現(xiàn)，脈沖型地震動可使壩體在極短時間內(nèi)產(chǎn)生較大變形；梅偉等[7]研究發(fā)現(xiàn)，脈沖波作用下土石壩的動力響應(yīng)明顯大于非脈沖波作用的結(jié)果，液化區(qū)域較非脈沖波作用時更為廣泛；張社榮等[8]研究發(fā)現(xiàn)，近斷層地震動方向性效應(yīng)包含的速度大脈沖對大壩損傷累積破壞具有顯著影響，大速度脈沖作用導(dǎo)致較大的損傷累積破壞；劉琳等[9]研究發(fā)現(xiàn)，近斷層地震動脈沖對瀝青混凝土心墻、壩體豎向及水平向響應(yīng)影響顯著；梅賢丞等[10]研究發(fā)現(xiàn)，近斷層脈沖型地震動導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生更為嚴(yán)重破壞的可能性更大；崔臻等[11]研究發(fā)現(xiàn)，速度脈沖是導(dǎo)致近斷層地震動具有較大破壞能力的根本原因。

以上研究表明，近斷層脈沖型地震動對大壩的抗震安全有較大威脅，應(yīng)在設(shè)計中考慮。但少有學(xué)者研究近斷層脈沖型地震動對重力壩深層抗滑穩(wěn)定性的影響。鑒于此，以我國西南某重力壩溢流壩段為研究對象，采用非線性有限元分析軟件ADINA 建立能反映實際壩體-壩基-庫水動力相互作用及壩基滑裂面接觸的三維有限元模型，分析近斷層脈沖型地震動對重力壩深層抗滑穩(wěn)定性的影響，以期為大壩的抗震設(shè)計提供參考。

1 地震動的選取

為研究近斷層脈沖型地震動對重力壩深層抗滑穩(wěn)定性的影響，從3 次重大地震事件中，即Chi-Chi，Kobe，Loma中各選取一條脈沖波和非脈沖波，如表1。

表1 脈沖型/非脈沖型地震記錄Tab.1 Pulse/non-pulse seismic records

所選地震動均來自PEER[12]強震數(shù)據(jù)庫，將所選地震波統(tǒng)一調(diào)幅為4.65 m/s2，對于Chi-Chi 地震，取其中的20～58 s作為地震動輸入；對于Kobe和Loma地震，取其中的0～20 s作為地震動輸入。以Chi-Chi地震波為例，其脈沖(TCU051-EW)和非脈沖(TCU07-EW)地震波的加速度、速度和位移時程曲線如圖1，2。由圖1，2可看出，與TCU071-EW波相比，TCU051-EW波具有明顯的速度和位移脈沖。

圖1 TCU051-EW地震波時程曲線Fig.1 Time history curves of TCU051-EW seismic wave

圖2 TCU071-EW地震波時程曲線Fig.2 Time history curves of TCU071-EW seismic wave

2 重力壩有限元模型的建立

以我國西南某重力壩的溢流壩段為研究對象，壩段壩底高程2 319.00 m，壩頂高程2 481.00 m，壩高162.00 m；壩寬137.20 m，壩段厚17.00 m。采用非線性有限元分析軟件ADINA建立重力壩有限元分析模型，壩體與基巖均采用3D-Solid單元，根據(jù)混凝土材料將壩體分區(qū)劃分成4個分區(qū)。在劃分壩基網(wǎng)格時，充分考慮巖基的傾斜夾層特性和巖體材料分區(qū)，根據(jù)巖層走向分層建模。上、下游方向地基及其深度均取1 倍壩高。如圖3，壩基有一滑裂面，設(shè)置接觸單元范圍為從壩踵拉裂沿裂隙面從壩趾滑出。采用摩擦接觸算法模擬滑裂面的黏結(jié)強度c和摩擦系數(shù)f，本工程滑裂面屬于巖塊巖屑型，抗剪斷參數(shù)f=0.5，c=0.15 MPa。本文重點研究近斷層脈沖型地震動對重力壩抗滑穩(wěn)定性的影響，考慮到壩體的局部破壞會導(dǎo)致程序收斂性較差，對于壩體、壩基，分別采用線彈性材料和Mohr-Coulomb材料，材料分區(qū)如圖4。計算采用的材料參數(shù)見表2。

圖3 重力壩接觸面示意圖Fig.3 Schematic diagram of the contact surface of gravity dam

圖4 重力壩材料分區(qū)Fig.4 Division map of gravity dam materials

表2 材料力學(xué)性能Tab.2 Material mechanical properties

靜力荷載包括壩體自重、上下游靜水壓力、壩基揚壓力及淤沙壓力等，其中上下游水頭分別為158，78.41 m；按規(guī)范[13]要求選取壩基面揚壓力；混凝土動態(tài)彈性模量E在靜力彈模的基礎(chǔ)上提高50%。采用黏彈性人工邊界模擬遠域地基輻射阻尼對重力壩產(chǎn)生的影響[14]。

3 地震動影響的模擬結(jié)果與分析

3.1 壩基塑性區(qū)分布

圖5為Chi-Chi，Kobe，Loma 3次地震時間中脈沖型、非脈沖型地震動作用后的壩基塑性區(qū)分布。由圖5可看出：壩基塑性區(qū)主要產(chǎn)生于軟弱夾層及滑裂面附近，隨地震作用效果增強，壩基塑性區(qū)從壩踵位置沿滑裂面向壩趾位置延伸；脈沖型地震動作用后的壩基塑性區(qū)范圍明顯大于非脈沖型地震動作用后的結(jié)果，說明脈沖型地震作用后大壩更易產(chǎn)生滑動失穩(wěn)。

圖5 地震動作用后壩基塑性區(qū)分布Fig.5 Distribution of plastic zone of dam foundation after ground motion

3.2 接觸面狀態(tài)

在大壩可能滑動的位置設(shè)置sticking(黏結(jié))、slipping(滑動)、closed(閉合)、open(張開)、dead(失效)5 種接觸。在滑裂面黏結(jié)強度尚未破壞時，接觸面表現(xiàn)為sticking(黏結(jié))狀態(tài)。隨著地震動作用強度不斷增加，滑裂面狀態(tài)由sticking(黏結(jié))逐漸變?yōu)閟lipping(滑動)，表現(xiàn)為接觸面上黏結(jié)區(qū)域不斷縮小，滑動區(qū)域逐漸擴大，直至整個接觸面全部滑動、張開[15]。圖6為脈沖型與非脈沖型地震動作用后接觸面狀態(tài)示意圖。

圖6 地震動作用后接觸面狀態(tài)示意圖Fig.6 Schematic diagram of contact surface state after ground motion

由圖6 可看出，脈沖型地震動作用后的滑裂面處于sticking(黏結(jié))狀態(tài)的范圍明顯小于非脈沖型地震動作用后的結(jié)果，其有更大的范圍處于slipping(滑動)狀態(tài)，說明脈沖型地震動作用后大壩的滑動狀態(tài)明顯大于非脈沖型地震動作用后的結(jié)果。

3.3 壩踵關(guān)鍵點滑移量

地震荷載在持續(xù)時間內(nèi)是處于往復(fù)變化狀態(tài)的，重力壩位移隨時間也會發(fā)生往復(fù)變化。因此，僅觀察地震持續(xù)時間內(nèi)某時刻的位移不足以評判重力壩的滑動狀態(tài)，震后殘余位移仍可表征重力壩的滑動狀態(tài)[16]。圖7 為地震作用后的壩踵關(guān)鍵點時程曲線。從圖7 可看出：近斷層脈沖型地震動作用后，壩踵關(guān)鍵點的震后水平向殘余位移分別為5.75，6.32，4.76 cm；非脈沖型地震動作用后，壩踵關(guān)鍵點的震后水平向殘余位移分別為4.83，4.17，3.88 cm。脈沖型地震動作用后大壩的震后殘余位移明顯大于非脈沖型地震動作用后的大壩震后殘余位移，說明脈沖型地震動更易使大壩產(chǎn)生滑動失穩(wěn)。

圖7 地震動作用后壩踵關(guān)鍵點位移時程曲線Fig.7 Displacement time-history curves of key points of dam heel after ground motion

4 結(jié)論

以我國西南某重力壩溢流壩段為研究對象，從壩基塑性區(qū)分布、接觸面狀態(tài)以及關(guān)鍵點滑移量3個方面對比分析脈沖型與非脈沖型地震動對重力壩深層抗滑穩(wěn)定性的影響，得到如下主要結(jié)論：

1)近斷層脈沖型地震動對重力壩深層抗滑穩(wěn)定性有顯著影響。相比于非脈沖型地震動，脈沖型地震動作用后，壩基塑性區(qū)范圍更大，滑裂面有更大的范圍處于slipping(滑動)和open(張開)狀態(tài)；壩踵關(guān)鍵點產(chǎn)生更大的殘余位移，更易使大壩產(chǎn)生滑動失穩(wěn)。在抗震設(shè)計中應(yīng)重視近斷層脈沖型地震動對重力壩深層抗滑穩(wěn)定的影響。

2)需要說明的是，斷層斷距、斷層角度對壩體的穩(wěn)定性具有重要的影響，但本文并未進行深入分析，后續(xù)將圍繞上述問題及斷層的“近”和“脈沖地震波”兩個方向進行研究。