石亮亮 ，張 靜 ，王 娜 ，王美懿 ，顧 濱

（1.中水東北勘測勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021；2.大連理工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院專業(yè)教師中心，遼寧 大連 116011）

1 工程介紹

西藏某水利樞紐工程是一座以灌溉、發(fā)電為主，兼有下游防洪和城市供水等綜合利用的大型水利樞紐[1,2]。大壩為碾壓式瀝青混凝土心墻砂礫石壩，壩頂高程為4 100.00 m，最大壩高72.30 m，壩體上下游坡均采用三級坡，上游坡度為1∶2.8~1∶2.5。下游坡度均為1∶2.1，壩面均采用干砌石護(hù)坡。碾壓式瀝青混凝土心墻采用變厚度設(shè)計(jì)，墻厚自頂部0.7 m漸變至下部1.20 m，底部3 m高的瀝青混凝土心墻截面由1.20 m擴(kuò)大到2.5 m。瀝青心墻兩側(cè)設(shè)4 m厚的砂礫石過渡帶，瀝青混凝土心墻與基礎(chǔ)混凝土防滲墻采用混凝土底座連接。

本工程場地的地震基本烈度為Ⅷ度；大壩按100年超越概率為2%的概率水準(zhǔn)，其設(shè)計(jì)地震加速度代表值為412.3 gal，相應(yīng)地震設(shè)計(jì)烈度為Ⅸ度。因此，根據(jù)規(guī)范[4]的要求，有必要對此進(jìn)行地震變形計(jì)算。

2 數(shù)值分析軟件-FLAC介紹

本文研究計(jì)算分析采用快速拉格朗日差分程序，即FLAC。 FLAC[3]是美國ITSCA國際咨詢與軟件開發(fā)公司開發(fā)的數(shù)值分析軟件，它是面向土木工程、交通、水利、石油、采礦工程及環(huán)境工程的通用軟件系統(tǒng)?？蓪?shí)現(xiàn)對巖石、土和支護(hù)結(jié)構(gòu)等建立高級三維模型，進(jìn)行復(fù)雜的巖土工程數(shù)值分析與設(shè)計(jì)等。FLAC是一個(gè)利用有限差分方法為巖土工程提供精確有效分析的工具，它可以解決諸多有限元程序難以模擬的復(fù)雜工程問題，例如分步開挖、大變形、大應(yīng)變、非線性及非穩(wěn)定系統(tǒng)（甚至大面積屈服/失穩(wěn)或完全塌方）。它結(jié)合了有限元和離散元的優(yōu)點(diǎn)，既考慮了單元本身的變形，同時(shí)采用時(shí)步迭代，能夠反映大變形以及可以考慮不連續(xù)面的作用，并且可以計(jì)算壩坡變化的全過程。

3 數(shù)值模型及計(jì)算參數(shù)

文中計(jì)算模型采用摩爾庫倫彈塑性模型。該模型是描述剪切破壞類材料力學(xué)行為的經(jīng)典模型，具有參數(shù)少、工程實(shí)例多、經(jīng)驗(yàn)豐富的特點(diǎn)，F(xiàn)LAC商用軟件算例中采用這一模型進(jìn)行土石壩動力分析，得到了很好的結(jié)果。本文僅選取壩體典型斷面進(jìn)行研究，并進(jìn)行簡化處理，所建立的數(shù)值模型如圖1所示。采用位移邊界約束條件，模型底面約束水平向和豎向位移。

本文計(jì)算所采用的參數(shù)根據(jù)某典型砂礫石壩獲得，所選取的參數(shù)如表1和表2所示。

模型計(jì)算采用實(shí)測地震波為主，選用Elcentrol波，并根據(jù)大壩所處場地條件設(shè)定峰值加速度為0.412 g，其時(shí)程曲線見圖2。

4 計(jì)算結(jié)果分析

在地震波的作用下，壩坡堆石體的塑性狀態(tài)、位移和應(yīng)變必將隨之發(fā)生變化。本文主要從壩體水平位移變化、壩頂?shù)乃苄约魬?yīng)變變化過程、塑性區(qū)形成過程、壩體的永久變形、壩體網(wǎng)格變形來研究大壩的動態(tài)變形和破壞性態(tài)。

表1 摩爾-庫倫模型計(jì)算參數(shù)

表2 線彈性材料參數(shù)

4.1壩體水平位移變化

圖3所示為不同時(shí)刻壩坡水平位移云圖。由于上游坡度較緩，下游坡度較陡，因此壩體下游側(cè)顆粒首先失去穩(wěn)定性，出現(xiàn)向下游側(cè)的滑動，如圖3(a)所示。隨著振動進(jìn)一步增強(qiáng)，t=6 s時(shí)，上游壩坡也出現(xiàn)淺層石料滑移現(xiàn)象，此時(shí)壩坡滑動以表面大范圍表層滑動為主。之后，隨著振動的持續(xù)，上下游壩坡均進(jìn)一步向下滑移。并且滑動范圍向壩體深部不斷發(fā)展，這表明邊坡滑動是一個(gè)由表及里的漸近過程。到振動結(jié)束即t=30 s時(shí)，壩體向上下游水平位移分別為2.68 cm和10.7 cm。向下游側(cè)位移大于上游側(cè)位移，位移趨勢符合心墻壩變形的一般規(guī)律。由上下游壩坡位移量對比可見，放緩壩坡對減少壩體位移有非常明顯的影響。

由圖3可以看出，壩體位移最大值出現(xiàn)在壩體附近，并且最大位移集中在壩高4/5以上。因此，應(yīng)特別關(guān)注壩高4/5以上壩體安全性。必要時(shí)可采取相關(guān)措施，例如加筋、加蓋護(hù)面板等。

另外，由圖3可明顯的看出貫通的滑裂面，下游壩坡的滑裂面主要是由剪切破壞形成的。當(dāng)t＝2 s時(shí)，由于壩體已經(jīng)經(jīng)歷較強(qiáng)的振動，下游壩坡的破壞趨勢很明顯。直到地震結(jié)束，壩坡破壞區(qū)域沒有太大變化，只是出現(xiàn)壩坡的進(jìn)一步滑移。因此，地震作用下壩坡破壞是一個(gè)漸近的過程，而不是在某一時(shí)刻完成。

4.2壩坡的剪應(yīng)變增量變化

由上述分析可見，地震作用下，高堆石壩宏觀破壞性態(tài)表現(xiàn)為壩頂1/5范圍內(nèi)沿壩坡淺層的滑移，這往往是由于壩頂出現(xiàn)塑性區(qū)貫通引起的?？梢愿鶕?jù)壩體剪應(yīng)變增量的分布趨勢來判別是否發(fā)生塑性區(qū)貫通。圖4為不同時(shí)刻壩體的塑性剪應(yīng)變增量云圖，從圖 4（a）中 t＝2 s可以看出，此時(shí)的最大剪應(yīng)變增量為8.8×10-4，主要集中在下游壩坡壩頂部附近，已經(jīng)形成貫通的剪切滑裂面，而上游側(cè)基本沒有塑性應(yīng)變。此時(shí)從圖3可以看出，壩體最大水平向位移僅為不到2 cm，所以對壩體危害性較小，仍可認(rèn)為壩坡是安全的；從圖4（b）中t＝6 s可以看出，此時(shí)的最大剪應(yīng)變增量為6.7×10-3，還是主要集中在下游側(cè)壩頂部區(qū)域，上游側(cè)也出現(xiàn)塑性流動；隨著地震的繼續(xù)，最大剪應(yīng)變增量繼續(xù)增大，最終最大剪應(yīng)變增量達(dá)到1.1×10-2，其位置仍然發(fā)生在下游坡壩頂附近，上游坡未出現(xiàn)塑性區(qū)貫通。這仍然說明壩坡的破壞是一個(gè)漸近的過程，即使經(jīng)歷強(qiáng)震后，壩體的位移量仍較小。隨著地震的持續(xù)進(jìn)行，壩坡不斷向下滑移，直至破壞。由于壩體結(jié)構(gòu)對地震波的放大效應(yīng)，壩體上部加速度反應(yīng)往往較大，大壩遭遇強(qiáng)震而發(fā)生破壞時(shí)，將首先從剪應(yīng)變最大的壩頂開始，因此應(yīng)特別關(guān)注壩頂區(qū)域的穩(wěn)定性。

4.3壩體永久變形

圖5所示為地震后壩體永久變形圖，其中虛線所示為地震前壩體輪廓。對于高壩在地震作用下，地震反應(yīng)中高振型參與量增大，壩體上部變形增大。借助地震作用后壩體永久變形可以更直觀地考察壩體的永久位移變化情況，為了方便觀察，將實(shí)際的變形圖放大了100倍?？梢钥闯?，大壩在強(qiáng)震作用下，靠近頂部壩坡表面的單元變形較大，出現(xiàn)向下游側(cè)的坍塌滑移。壩體遭遇強(qiáng)烈振動后，由于壩體結(jié)構(gòu)對地震波的放大效應(yīng)，壩體上部加速度反應(yīng)往往較大，靠近壩頂?shù)膲纹卤砻鎵K石最先出現(xiàn)松動，隨著地震波作用時(shí)間延長，壩坡淺層塊石會發(fā)生滑動，最后導(dǎo)致壩頂坍塌。因此需要采取相應(yīng)的抗震加固措施來抑制頂部壩坡表面單元的坍塌。

5 結(jié)論

通過對某心墻壩進(jìn)行靜動力分析，研究其在地震作用下壩體變形情況及其穩(wěn)定性，可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）利用常規(guī)有限元分析軟件，例如FLAC，可以方便直觀地得到壩體的變形規(guī)律，對壩體的抗震加固提供定性依據(jù)。

2）大壩的破壞為漸近過程。由于大壩地震時(shí)的鞭梢效應(yīng)，壩體破壞首先發(fā)生在坡度較陡側(cè)的壩頂附近，然后逐漸向下、向深層發(fā)展。

3）即使壩體某部分土體達(dá)到屈服加速度出現(xiàn)塑性區(qū)貫通，壩體也不一定立刻出現(xiàn)破壞。隨著振動的繼續(xù)，即使后續(xù)激勵加速度較小，壩體也會進(jìn)一步向下滑移，積累到一定程度后，壩體最終破壞。

4）壩體最終永久變形表現(xiàn)為壩肩的坍塌滑移和壩坡土體的大面積滑動，尤其壩頂變位明顯。因此，在進(jìn)行大壩設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別關(guān)注壩頂部的安全。必要時(shí)可采取相關(guān)措施，例如加筋、加蓋護(hù)面板等。

［1］史光宇，田偉峰，張雨豪，李明宇.西藏旁多水利樞紐壩基百米深防滲墻施工試驗(yàn)［J］.東北水利水電，2010（6）：43-45.

［2］石月芝，吳正愛.西藏旁多水利樞紐壩基和壩殼砂礫石料的應(yīng)力應(yīng)變及剪脹特性研究［J］.吉林水利，303（8），36-38.

［3］Itasca Consulting Group,Inc.FLAC-3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions)Version 3.0，User manual［S］.2004.

［4］SL203-97，水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.