高地震烈度區(qū)地震動(dòng)力響應(yīng)邊坡高度效應(yīng)研究

周馳詞，吳昊宇，張秋霞

(四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都610041)

我國西南地區(qū)輸電線路多從高地震烈度區(qū)穿過，主要在崇山峻嶺中走線，塔位所處地形陡峻，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地形地貌條件惡劣。2008年5月12日，川西北龍門山斷裂帶發(fā)生了震驚中外的“汶川8.0級(jí)特大地震”，地震震中烈度為11度。2013年4月20日，四川省雅安市蘆山縣發(fā)生7.0級(jí)地震，震中烈度為9度。2次地震均為高烈度地震，給該區(qū)電網(wǎng)工程造成了極大的破壞。

目前地震作用下邊坡動(dòng)力響應(yīng)研究的方法最常用的是物理模擬方法和數(shù)值模擬方法。物理模擬方法有離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)、震動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)及爆破試驗(yàn)[1]，主要采用均質(zhì)巖質(zhì)邊坡、層狀邊坡、基覆邊坡、不同巖性組合邊坡、不同形態(tài)邊坡的模型[2-8]，改變坡高、坡度、坡向，通過輸入不同地震波類型、頻率和振幅，研究邊坡的地震動(dòng)力響應(yīng)特征。而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的逐步發(fā)展，多數(shù)學(xué)者[9-11]對(duì)邊坡動(dòng)力反應(yīng)的位移、速度、加速度三量分布規(guī)律進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬，研究了邊坡動(dòng)力反應(yīng)三量在邊坡剖面上的分布規(guī)律及影響因素，并對(duì)變形破壞機(jī)理進(jìn)行了初步探討[12-14]。

以往工作主要針對(duì)低烈度區(qū)采用水平地震波進(jìn)行研究，得出邊坡地震動(dòng)峰值加速度放大系數(shù)順坡面向上單調(diào)增大，但對(duì)強(qiáng)震區(qū)震害調(diào)查及地震剖面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理發(fā)現(xiàn)，地震動(dòng)峰值加速度放大系數(shù)隨坡高并不是單調(diào)增大，而是選擇性地放大。本文基于汶川震區(qū)輸電線路場(chǎng)地破壞調(diào)研成果，建立強(qiáng)震區(qū)陡坡地形帶場(chǎng)地概化模型，考慮水平地震波和豎向地震波耦合作用的情況，進(jìn)行場(chǎng)地地震效應(yīng)的數(shù)值模擬，從剪應(yīng)變?cè)隽亢瓦吰聞?dòng)力峰值加速度放大系數(shù)2個(gè)方面探討強(qiáng)震區(qū)地震動(dòng)力響應(yīng)邊坡高度效應(yīng)，并確定不同坡高的臨界變化高度，用以指導(dǎo)輸電線路路徑選擇及塔位選址。

1 邊坡動(dòng)力分析模型及參數(shù)選取

1.1 計(jì)算模型與邊界條件

通過對(duì)汶川地震、蘆山地震震害資料的收集，基礎(chǔ)(以樁基礎(chǔ)為主)的震害與場(chǎng)地震害相比相對(duì)較少，主要是由于樁基的震害破壞往往是受場(chǎng)地及地基形式的影響，其對(duì)周圍環(huán)境比較敏感，尤其在西南高陡邊坡，地震作用下，場(chǎng)地最容易出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，基礎(chǔ)本身在地震中受到的損傷極少。根據(jù)地貌類型不同，震害主要發(fā)育在高中山斜坡中上部(占震害總體的33.33%)，坡度主要為26°～35°，占災(zāi)害發(fā)育總數(shù)46%。

綜合上述調(diào)研成果，運(yùn)用FLAC3D軟件建立陡坡的概化模型。將基準(zhǔn)方案中模型邊界按照文獻(xiàn)[15]建議進(jìn)行建模。本構(gòu)模型和屈服準(zhǔn)則分別采用理想彈塑性本構(gòu)模型和Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。首先假定坡體由同一種均質(zhì)材料構(gòu)成，坡度45°，地震波入射方向與坡面方向相同，改變坡高，了解坡高變化對(duì)邊坡動(dòng)力反應(yīng)規(guī)律的影響。

然后針對(duì)西南地區(qū)常見邊坡巖土體類型來改變坡體材料，重復(fù)上述坡高的變化過程，了解巖土體材料對(duì)邊坡動(dòng)力反應(yīng)規(guī)律的影響。具體方案見表1。巖土體參數(shù)見表2?；鶞?zhǔn)模型見圖1。底部邊界約束位移，頂部邊界為自由邊界；側(cè)向邊界設(shè)定水平向?yàn)槲灰萍s束；地震力作用時(shí)模型周圍邊界選取自由場(chǎng)邊界，自由場(chǎng)網(wǎng)格的不平衡力施加到主體網(wǎng)格的邊界上。

表1 模擬方案

為了便于表達(dá)，將加速度放大系數(shù)η定義為坡內(nèi)任意一點(diǎn)E的動(dòng)力反應(yīng)加速度峰值與坡腳C點(diǎn)加速度峰值A(chǔ)C的比值，該點(diǎn)的加速度放大系數(shù)就可以表示為式(1)。

表2 物理力學(xué)參數(shù)

圖1 基準(zhǔn)模型示意

η=AE/AC

(1)

在模型中截面的坡面線上，從坡腳起，每隔一定距離高程設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，50 m坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)見圖2，100 m、200 m、300 m坡中h分別為10 m、20 m、30 m，根據(jù)具體情況可加密監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖2 50m高邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

模型中加速度以與坐標(biāo)軸正向一致為正，反之為負(fù)；應(yīng)力以拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)，剪應(yīng)力正向的約定與彈性力學(xué)中一致，后續(xù)計(jì)算相同。

1.2 地震波確定

由于汶川地震發(fā)生在地形條件極為復(fù)雜的中、高山地區(qū)，地面振動(dòng)響應(yīng)極為強(qiáng)烈，本文主要研究高地震烈度區(qū)陡峻邊坡場(chǎng)地的地震效應(yīng)，根據(jù)中國地震烈度表(GB/T17742)[16]的相關(guān)內(nèi)容，高地震烈度為Ⅵ-Ⅹ度，加速度峰值為0.45～14.1m/s2，速度峰值為0.06～1.41m/s，具體見表3。

因此，選取汶川臥龍臺(tái)地震波作為動(dòng)力加速度輸入計(jì)算，且地震產(chǎn)生的垂向峰值加速度基本等于水平向峰值加速度，為此本次計(jì)算考慮水平地震波和豎向地震波耦合作用的情況，采用SeismoSignal對(duì)地震波進(jìn)行濾波及截取處理。計(jì)算地震波截取地震作用歷時(shí)25 s，單位時(shí)間步長0.02 s ，處理后時(shí)程波形見圖3，濾波后水平/豎向地震波加速度在10.05 s時(shí)達(dá)到最大值6.08g。

表3 中國地震烈度表(GB/T17742)(節(jié)選)

圖3 地震波加速度時(shí)程曲線

2 剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

利用三維數(shù)值計(jì)算得出的剪應(yīng)變?cè)隽?，即考慮了土體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、邊坡破壞的發(fā)生和發(fā)展過程和應(yīng)力歷史對(duì)邊坡的影響。同時(shí)也可以通過最大剪應(yīng)變?cè)隽空页銎麦w內(nèi)薄弱部位，確定最危險(xiǎn)滑動(dòng)范圍[19]。圖4～圖6不同邊坡地震剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D。

圖4 巖質(zhì)邊坡

圖5 薄覆蓋層邊坡

圖6 厚覆蓋層邊坡

動(dòng)力荷載的作用下，斜坡不同部位剪應(yīng)變?cè)隽繛椋?/p>

(1)巖質(zhì)邊坡

坡肩處：300 m>200 m≈100 m≈50 m

坡表中部：300 m>200 m≈100 m≈50 m

坡腳處：300 m>200 m≈100 m≈50 m

(2)薄覆蓋層邊坡

坡肩處：200 m>100 m≈50 m

坡表中部：50 m>200 m>100 m

坡腳處：200 m>100 m≈50 m

(3)厚覆蓋層邊坡

坡肩處：200 m>100 m≈50 m

坡表中部：200 m>100 m≈50 m

坡腳處：200 m>100 m≈50 m

3 邊坡動(dòng)力峰值加速度

圖7～圖9不同邊坡峰值加速度地震響應(yīng)規(guī)律。

圖7 巖質(zhì)邊坡

圖8 薄覆蓋層邊坡

圖9 厚覆蓋層邊坡

(1)巖質(zhì)邊坡：坡高50 m、100 m時(shí)，0～1/3坡高，坡面水平峰值加速度放大系數(shù)隨坡高先放大后衰減再放大，律動(dòng)性明顯；1/3～2/3坡高衰減，在坡肩處又有所放大，水平峰值加速度放大系數(shù)為1.0～1.6。坡高200 m、300 m時(shí)，水平峰值加速度放大系數(shù)的分布形式發(fā)生了明顯變化，順坡面向上，在2/3坡高以下坡面水平峰值加速度放大系數(shù)隨坡高幾乎不變或略有衰減(坡高200 m時(shí)先小幅度增加)，在距離坡高50 m處開始陡增，直到坡肩，水平峰值加速度放大系數(shù)為0.8～1.0。 豎向峰值加速度放大系數(shù)順坡面向上的變化規(guī)律與水平峰值加速度放大規(guī)律相似，只是放大幅值不同，50 m時(shí)為1.0～1.5，100 m時(shí)為1.0～1.2，200 m時(shí)為0.9～1.2，200 m坡高時(shí)為0.8～1.2。

(2)薄覆蓋層邊坡：坡高50 m時(shí)，水平峰值加速度放大系數(shù)隨坡高先放大后衰減再放大，1/3～2/3坡高衰減，在坡肩處又有所放大，水平峰值加速度放大系數(shù)為1.0～1.8。坡高100 m、200 m時(shí)，水平加速度放大系數(shù)隨坡高變化并不存在明顯的放大趨勢(shì)，2/3坡高以下放大系數(shù)隨坡高幾乎不變，從2/3坡高處開始放大，坡肩處為最大值，水平峰值加速度放大系數(shù)為0.8～1.6。豎向峰值加速度放大系數(shù)順坡面向上與水平峰值加速度放大規(guī)律相似，只是變化幅值不同，50 m時(shí)為1.0～1.5，100 m時(shí)為1.0～1.2，200 m坡高時(shí)時(shí)為0.9～1.2。

(3)厚覆蓋層：坡高50 m、100 m、200 m，坡面水平峰值加速度放大系數(shù)隨坡高在坡肩處放大，水平峰值加速度放大系數(shù)為0.8～1.4。豎向峰值加速度放大系數(shù)順坡面向上與水平峰值加速度放大規(guī)律相似，只是變化幅值不同。

4 討論

4.1 剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D

(1)動(dòng)力高邊坡剪切應(yīng)變?cè)隽看嬖谝粋€(gè)臨界高度，即巖質(zhì)邊坡當(dāng)坡高低于200 m時(shí)，坡肩、坡中、坡腳3處剪應(yīng)變?cè)隽侩S坡高變化并不明顯，但當(dāng)坡高大于200 m后，坡體各部位剪應(yīng)變?cè)隽枯^低坡高時(shí)增加近70%。

(2)覆蓋層邊坡同樣存在一個(gè)臨界高度，臨界高度較巖質(zhì)邊坡要低。薄覆蓋層邊坡當(dāng)坡高低于100 m時(shí)，坡肩、坡中、坡腳3處剪應(yīng)變?cè)隽侩S坡高變化并不明顯，但當(dāng)坡高大于100 m后，坡體各部位剪應(yīng)變?cè)隽枯^低坡高時(shí)增加近80%。

厚覆蓋層邊坡當(dāng)坡高為50 m，坡度30°時(shí)，坡肩、坡中、坡腳3處剪應(yīng)變?cè)隽看笮〖匆堰_(dá)到薄覆蓋層坡高200 m、坡度45°時(shí)剪應(yīng)變?cè)隽看笮?，即可假定厚覆蓋層臨界高度低于50 m。

4.2 加速度峰值放大系數(shù)

坡高較低時(shí)，峰值加速度(水平、豎向)順坡面向上呈明顯的律動(dòng)性，不是單純意義上的線性增大，而是時(shí)而增大時(shí)而減小，增大和減小相間，形成一些極值區(qū)，在坡肩處則又重新放大。但是當(dāng)邊坡較高時(shí)，加速度放大系數(shù)的分布形式發(fā)生了變化，峰值加速度(水平、豎向)順坡面向上，也不具明顯的“垂向放大效應(yīng)”，在距離坡肩50 m以下順坡面加速度放大系數(shù)幾乎不變，之后才增加?？傮w來說，峰值加速度放大系數(shù)隨坡高具有選擇性放大效應(yīng)，可稱之為加速度的邊坡高度效應(yīng)。

故高地震烈度區(qū)，巖質(zhì)邊坡地震動(dòng)力響應(yīng)的臨界高度為200 m；薄覆蓋層邊坡動(dòng)力響應(yīng)的臨界高度為100 m；厚覆蓋層邊坡動(dòng)力響應(yīng)的的臨界高度小于50 m。

4.3 不同邊坡的峰值加速度放大系數(shù)呈現(xiàn)2種變化類型

隨高程增加而增加—衰減—增加的“三段形態(tài)”(厚覆蓋層衰減—增加的“二段形態(tài)”)，以及平穩(wěn)過渡-增加的形態(tài)。據(jù)此，可將邊坡分為：

(1)動(dòng)力高邊坡效應(yīng)的臨界高度以下邊坡，峰值加速度反應(yīng)曲線可分為3段：第一上升段，1/3坡高內(nèi)呈現(xiàn)放大的趨勢(shì)；衰減段，1/3～2/3坡高，加速度放大系數(shù)隨坡高的增加而衰減；第二上升段，距坡肩約1/3高度內(nèi)，峰值加速度放大系數(shù)隨高度增加而增大。

(2)動(dòng)力高邊坡效應(yīng)的臨界高度以上邊坡，這類邊坡加速度放大曲線可分為2段：第一段平穩(wěn)過渡段，距離坡肩50 m以下加速度放大系數(shù)從坡腳開始順坡面向上幾乎不變；第二階段上升段，坡面峰值加速度放大系數(shù)隨著高程的增加而增大。如圖10所示。

圖10 高邊坡地震波響應(yīng)(水平、豎向)

5 結(jié)論

對(duì)汶川震區(qū)輸電線路破壞的典型場(chǎng)地建立概化數(shù)值模型，進(jìn)行強(qiáng)震區(qū)陡坡地形帶地質(zhì)效應(yīng)的數(shù)值分析，從剪應(yīng)變?cè)隽亢瓦吰聞?dòng)力峰值加速度放大系數(shù)2個(gè)方面探討動(dòng)力高邊坡效應(yīng)的臨界高度，用以指導(dǎo)輸電線路路徑選擇及塔位選址。得出結(jié)論：

(1)高地震烈度區(qū)，巖質(zhì)邊坡動(dòng)力效應(yīng)的臨界高度為200 m；薄覆蓋層邊坡動(dòng)力效應(yīng)的臨界高度為100 m；厚覆蓋層邊坡動(dòng)力效應(yīng)的臨界高度小于50 m。

(2)高地震烈度區(qū)，邊坡動(dòng)力效應(yīng)的臨界高度以下邊坡峰值加速度放大系數(shù)隨高程增加而增加—衰減—增加的“三段形態(tài)”(厚覆蓋層衰減—增加的“二段形態(tài)”)。

(3)高地震烈度區(qū)，邊坡動(dòng)力效應(yīng)的臨界高度以上邊坡峰值加速度放大系數(shù)隨高程先平穩(wěn)過渡后開始放大。

(4)綜上所述，高地震烈度區(qū)，峰值加速度放大系數(shù)隨坡高具有選擇性放大效應(yīng)，可稱之為地震動(dòng)力響應(yīng)邊坡高度效應(yīng)。