季衛(wèi)星

(江蘇昌泰建設(shè)工程有限公司，江蘇 泰興 225400)

我國堤壩大部分采用了土質(zhì)結(jié)構(gòu)，且大都處于地震活躍地帶。為了對這些土質(zhì)堤壩進行除險加固，采取高聚物防滲墻技術(shù)[1- 10]，此項技術(shù)是專門針對土質(zhì)堤壩防滲加固而發(fā)明的新技術(shù)，其具有快捷、輕質(zhì)、高韌、耐久、微創(chuàng)、環(huán)保等優(yōu)點，已在土質(zhì)堤壩除險加固領(lǐng)域大規(guī)模推廣。就目前來說，國內(nèi)外都在進行有關(guān)高聚物注漿材料特性的研究，國外學者主要研究了聚氨酯高聚物材料的力學性能、在動荷載和溫度影響下的動態(tài)力學性能、應(yīng)變率、抗沖擊性能和溫度效應(yīng)等；國內(nèi)學者主要研究了聚氨酯高聚物的動態(tài)壓縮性能、破壞機理、應(yīng)變率、溫度、振動性能、靜態(tài)力學等，對采用高聚物注漿材料作為土質(zhì)堤壩的防滲體，堤壩及防滲體的整體抗震性能的研究尚缺乏實質(zhì)性的突破。因此對采用高聚物防滲體的土質(zhì)堤壩及防滲體的整體抗震性能進行研究，分析其地震響應(yīng)，對于土質(zhì)堤壩搶險加固和防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。本文通過ABAQUS軟件建立一個防滲墻土質(zhì)堤壩的數(shù)值模型，分析了高聚物防滲墻土質(zhì)堤壩地震作用下的響應(yīng)特點，并與相同條件下混凝土防滲墻土質(zhì)堤壩的相應(yīng)特點進行比較，最終得出分析結(jié)果。

1 基于數(shù)值計算的基本假定

在建立防滲墻土質(zhì)堤壩的三維模型時，需要采用有限元分析法，同時還要考慮到多種因素，如高聚物的性能、壩體的結(jié)構(gòu)、地震波的輸入?yún)?shù)和混凝土防滲墻的參數(shù)及方位，需進行以下假設(shè)。

(1)忽略開挖、注漿之前，土壩應(yīng)力的變化；假定壩體內(nèi)部的初始靜壓力為土體和靜水造成的壓力。

(2)假定地震波是以SV波的形式從壩體底邊向上垂直發(fā)散，入射輸入面在深15m的界面。

(3)忽略壩體和高聚物防滲墻體之間的連接厚度，將其接觸面假定為Goodman無厚度單元。

2 模型建立

在三維模型中，壩體地基的尺寸(長×寬×高)設(shè)為290m×100m×15m。壩體的橫截面形狀類似于梯形，其上頂面寬5.6m，底面寬89.6m，高度為15m，整個壩體長為100m。高聚物防滲墻的幾何尺寸為：厚度0.02m，高度17m，長度為100m；混凝土防滲墻的幾何尺寸為：厚度0.5m，高度17m，長度為100m。采用三維六面體細化網(wǎng)格的方法將三維模型的網(wǎng)格進行劃分如圖1所示。劃分完成后整個防滲墻土質(zhì)堤壩的三維模型將被分為24480個單元，29040個節(jié)點。有關(guān)材料的參數(shù)見表1—2。

3 邊界條件及計算工況

在實際情況中，堤壩的上邊界無約束，其他邊界有一定的黏彈性約束且會對地震波有很小的反射，因此在數(shù)值模型中將其定義為自由邊界，而其他邊界可人為定義為無反射且具有一定黏彈性的邊界。將EL-Centro波數(shù)據(jù)等效力輸入到數(shù)值計算當中。整個地震波按照SV波的方式擴散，持續(xù)20s的時間，場地類別假定為II類，數(shù)值計算分4種工況，具體工況及參數(shù)見表3。

表1 靜力學參數(shù)

表2 動力學參數(shù)

圖1 模型網(wǎng)格

表3 計算工況

4 地震響應(yīng)數(shù)值計算結(jié)果及分析

考察堤壩抗震性能的一個重要指標是壩體在地震波作用下的加速度大小，同時堤壩永久沉降的深度和堤壩動土壓力都是體現(xiàn)堤壩抗震性能的重要指標。高聚物防滲墻土質(zhì)堤壩的地震響應(yīng)主要從以下角度進行分析。

4.1 壩體加速度

利用ABAQUS軟件建立的數(shù)值模型分別計算4種工況下各計算點的加速度。在測量高聚物防滲墻土質(zhì)堤壩加速度時，總共采集18個點的數(shù)據(jù)，其中8個點分布在壩體軸線上，上游壩坡、下游壩坡平均布設(shè)5個點。壩體加速度計算點布置如圖2所示。壩軸線、上游坡及下游坡各加速度計算點的峰值加速度如圖3—5所示。土壩底為h/H=0處，土壩頂為h/H=1處。

圖2 高聚物防滲墻土質(zhì)堤壩壩體加速度計算點布置

圖3 堤壩軸線處峰值加速度

圖4 堤壩上游壩坡峰值加速度

圖5 堤壩下游壩坡峰值加速度

從圖中可以明顯看出，4種工況下，壩體的峰值加速度正比于輸入地震的強度，而且壩體的高度越高，壩體加速度峰值的分布點越靠近于壩頂。此外，分析數(shù)據(jù)可以看出，壩體峰值加速度增長的速率在壩體軸線4/5處突然增大，形成“鞭梢”效應(yīng)，這表明壩頂對于地震波具有放大的作用，在設(shè)計建造時尤其需要注意，加強防范措施。

在工況1(0.05g)和工況4(0.4g)的條件下，2種堤壩水平峰值加速度的等值線如圖6—7所示。對圖6—7進行分析可得：在同等地震波的作用下，高聚物防滲墻壩體的加速度反應(yīng)比混凝土防滲墻土質(zhì)堤壩更大，而且集中體現(xiàn)在壩體軸線附近，這表示地震波對高聚物防滲墻壩體的影響更大。對于混凝土防滲墻土質(zhì)堤壩而言，其加速度反應(yīng)會隨著地震波強度的增大而減小，這是因為混凝土防滲墻和高聚物防滲墻均處于壩體軸線處，但混凝土防滲墻無論幾何尺寸還是質(zhì)量和剛度都遠大于高聚物防滲墻，其存在于土質(zhì)堤壩內(nèi)就好比一個“吸能裝置”，能夠緩沖地震波的力量，使得較大的地震波輸入能量被混凝土防滲墻所吸收，從而減少了土壩吸收的地震波輸入能量。

圖6 不同防滲墻堤壩水平0.05g等值線圖

圖7 不同防滲墻堤壩水平0.40g等值線圖

4.2 壩體動土壓力

在工況1(0.05g)和工況4(0.4g)的條件下，高聚物防滲墻土質(zhì)堤壩及混凝土防滲墻土質(zhì)堤壩的最大水平土壓力和最大豎向土壓力分布如圖8—9所示。從圖8—9可以看出，2種堤壩的最大土壓力和輸入地震波的強度均呈正相關(guān)關(guān)系，與壩高呈負相關(guān)關(guān)系，且最大豎向土壓力大于最大水平土壓力。

圖8 不同防滲墻堤壩0.05g時最大土壓力等值線圖

圖9 不同防滲墻堤壩0.40g時最大土壓力等值線圖

與混凝土防滲墻土質(zhì)堤壩相比，高聚物防滲墻土質(zhì)堤壩的最大水平土壓力、最大豎向土壓力都比混凝土防滲墻土質(zhì)堤壩要小。這是由于高聚物防滲墻的幾何尺寸較小，而且質(zhì)量較輕，與土體動模量相近等特點，地震發(fā)生時其墻體與壩體能協(xié)調(diào)變形，避免相互擠壓，故其水平土壓力和豎向土壓力增加較小。而混凝土防滲墻幾何尺寸大、質(zhì)量和剛度大，不能在地震發(fā)生時與壩體協(xié)調(diào)變形，從而相互擠壓，導致其水平土壓力和豎向土壓力較大。

4.3 壩頂永久沉降

模型的壩體高度為15m，可簡化為不考慮地震作用下壩體土的固結(jié)作用，而只考慮地震作用下壩頂?shù)挠谰贸两?。分析結(jié)果顯示，在4種工況下，高聚物防滲墻土質(zhì)堤壩所產(chǎn)生的永久沉降分別為0.12、0.15、0.34、2.34cm，沉降值和壩體高度的比值分別為0.008%、0.01%、0.02%和0.16%，與混凝土防滲墻土質(zhì)堤壩相比，高聚物防滲墻土質(zhì)堤壩永久沉降值分別降低了89%、87%、82%和47%。由此可見，相比于混凝土防滲墻土質(zhì)堤壩，高聚物防滲墻土質(zhì)堤壩的沉降受地震的影響較小。國內(nèi)外的多種試驗結(jié)果表明，地震引起的土石壩的壩頂沉降率介于0.4～1.0之間，而且壩體結(jié)構(gòu)并沒有遭到破壞。所以說，在地震作用下，高聚物防滲墻土質(zhì)堤壩壩頂沉降受地震影響較小，沉降值是合理、可接受的。

5 結(jié)論

(1)高聚物土質(zhì)堤壩峰值加速度與輸入地震動強度呈正相關(guān)關(guān)系，而且壩高增加，其峰值加速度也隨之增加，加速度峰值的位置一般位于壩頂，同時在壩體軸線4/5處，峰值加速度增加的速率會突然加快，在設(shè)計時應(yīng)當尤其注意。

(2)相比于混凝土防滲墻，在相同強度的地震下，高聚物防滲墻土質(zhì)堤壩的峰值加速度增加速率更快，而且主要集中于壩體軸線附近，但其加速度的增長速率會隨著地震波輸入強度的增加而逐漸減小。高聚物防滲墻土質(zhì)堤壩的最大水平土壓力、最大豎向土壓力都小于混凝土防滲墻土質(zhì)堤壩，采用高聚物防滲墻對土質(zhì)堤壩進行處理優(yōu)于采用混凝土防滲墻。

(3)高聚物防滲墻土質(zhì)堤壩壩頂沉降受地震影響較小，沉降值是合理、可接受的。