鄒　凱，袁寶遠，肖　衍

(河海大學地球科學與工程學院，南京　211100)

堤壩決堤是河湖近岸地區(qū)可能遇到的重要災害。我國東部是河湖堤壩工程高密度存在區(qū)域，洪水期一旦出現河湖堤壩潰決，不僅國民經濟受到重大損失，而且危及廣大人民的生命財產。工程技術人員對堤壩在河湖水位影響下堤壩穩(wěn)定性[1]及滲透穩(wěn)定性[2]比較重視，在地震作用下比較關心地震液化[3]現象,但對河湖堤壩在地震作用下的穩(wěn)定性重視不夠。與河湖堤壩相關的土石壩工程[4]、尾礦壩工程[5]及邊坡工程[6],在地震作用下的穩(wěn)定性分析方法主要為有極限平衡分析法[7]、地震擬靜力數值分析法[8]和地震動力數值分析法[9]。這些方法對堤壩地震穩(wěn)定性計算分析具有很好參考價值。

江蘇境內的京杭大運河，分為蘇北、蘇南運河。蘇北運河全長404km，溝通了微山湖、駱馬湖、洪澤湖、高郵湖等水系，是京杭運河上運輸最繁忙的河段，基本建成二級航道，成為京杭運河上等級最高的航道。其中揚州段在公元前486a開筑，公元前175a形成運鹽河，是隋唐大運河、京杭大運河的一部分，歷經多次疏浚、整治，也是河面最寬、河床最深的河段。其中的高郵城區(qū)臨近高郵湖，1931a夏淮河流域暴雨連綿，洪水期間運河大堤26處先后決堤，高郵及里下河各縣盡成澤國，死亡7.7萬余人，受災350萬余人。京杭運河揚州段地理位置重要，運河大堤的安全極其重要，地震作用會明顯降低運河大堤的穩(wěn)定性，進行地震安全性分析評價意義重大。

1　堤壩模型及極限平衡分析法計算

選用的典型剖面位于京杭運河揚州段高郵城區(qū)，堤壩頂高程為12.5m，壩頂寬度為8m，洪水位9.5m，堤外地面高程5.5m,河床高程2m，地面水位5.5m，臨河坡度23°，臨地坡度23°。

選用Geo-Studio SLOPE/W分析軟件進行極限平衡計算，根據室內試驗結果，壩體材料內聚力38.8kPa，內摩擦角22.1°，可塑黏土層內聚力35.4kPa，內摩擦角14.6°，硬塑黏土層內聚力31.7kPa，內摩擦角22.1°?？紤]地震擬靜力荷載，加速度峰值：基本地震動(50a超越概率10%)為0.125g，罕遇地震動(50a超越概率2%)為0.212g，罕遇地震動(100a超越概率2%)為0.250g。

圖1是模型剖面及基本地震動(50a超越概率10%)工況用極限平衡法中的Janbu法計算得出的穩(wěn)定系數結果圖。

表1是模型在各種工況下，利用Ordinary、Bishop、Janbu及Morgenstern-Price等極限平衡計算方法，在向河流方向和向地面方向滑動的計算穩(wěn)定性系數值。

2　地震擬靜力數值分析法計算

選用FLAC3D數值分析軟件進行地震擬靜力數值分析計算，計算參數由室內常規(guī)試驗獲得，見表2。根據《建筑邊坡工程技術規(guī)范》GB 50330-2013規(guī)定，地震擬靜力荷載峰值加速度計算時乘0.25系數，擬靜力加速度：基本地震動(50a超越概率10%)為0.031 25g，罕遇地震動(50a超越概率2%)為0.050 3g，罕遇地震動(100a超越概率2%)為0.062 5g。

圖1　模型50a超越概率10%工況Janbu法結果Figure 1　Janbu method result of model with 50a exceedance probability 10% mode

極限平衡算方法OrdinaryBishopJanbuMorgenstern-Price滑動方向向河向地向河向地向河向地向河向地天然工況2.7212.53.1482.7572.6452.3622.942.638基本地震動(50a超越概率10%)1.7351.6752.0351.9881.5791.5631.7791.755罕遇地震動(50a超越概率2%)2.0251.2592.1781.9961.2341.2241.3181.312罕遇地震動(100a超越概率2%)1.5211.1411.8721.7931.0511.0701.1181.148

表2　地震靜力計算材料參數

計算重力加水壓力再加地震靜力作用工況，計算在某些強度折減系數時的地震靜力作用，對比分析各模型的穩(wěn)定性。

利用數值分析法計算地震靜力作用，在模型中加水平地震靜力，加載方向不同結果不同，分為負向(向河方向)和正向(向地方向)。圖2是型在重力加水壓力負向加50a超越概率10%地震靜力折減系數0.6的剪應變增量分布圖，顯示塑性區(qū)已明顯貫通。圖3是模型在重力加水壓力正向加50a超越概率10%地震靜力折減系數1.0的剪應變增量分布圖，顯示塑性區(qū)已明顯貫通。圖4是模型在重力加水壓力負向加50a超越概率2%的地震靜力折減系數0.3的剪應變增量分布圖，顯示塑性區(qū)已形成規(guī)模。

圖5是模型在重力加水壓力負向加100a超越概率2%的地震靜力折減系數0.1的剪應變增量分布圖，顯示塑性區(qū)已形成規(guī)模。

從地震擬靜力數值分析得出：在基本地震動工況臨界強度折減系數為0.6～0.7、罕遇地震動(50a超越概率2%)臨界強度折減系數為0.3～0.4，罕遇地震動(100a超越概率2%)工況臨界強度折減系數為0.1～0.2。

圖2　負向50a超越概率10%靜力折減系數0.6剪應變Figure 2　Shear strain diagram of model with negative direction 50a exceedance probability 10% and static reduction factor 0.6

圖3　正向50a超越概率10%靜力折減系數1.0剪應變Figure 3　Shear strain diagram of model with positive direction 50a exceedance probability 10% and static reduction factor 1.0

圖4　負向50a超越概率2%靜力折減系數0.3剪應變Figure 4　Shear strain diagram of model with negative direction 50a exceedance probability 2% and static reduction factor 0.3

圖5　負向100a超越概率2%靜力折減系數0.1剪應變Figure 5　Shear strain diagram of model with negative direction 100a exceedance probability 2% and static reduction factor 0.1

3　地震動力數值分析法計算

選用FLAC3D數值分析軟件進行地震動力數值分析計算，動力分析計算材料參數動三軸試驗獲得，見表3，材料4為便于動荷載計算加的輔助硬性層。

動力分析中采用滯后阻尼形式，阻尼參數由自振柱試驗得到的阻尼比曲線確定，地震動力荷載以水平加速度人造波方式，從模型底部施加，作用時長40s。圖6為50a超越概率10%人造波加速度時程線。計算重力加水壓力再加地震動力作用工況，計算在某些強度折減系數時的地震動力作用。

利用數值分析法計算地震動力作用也是利用強度折減法。圖7、圖8是模型在50a超越概率10%地震動力作用折減系數0.8、0.7的剪應變分布圖，圖中顯示塑性區(qū)已形成規(guī)模。圖9是模型在50a超越概率2%地震動力作用折減系數0.5的剪應變分布圖，塑性區(qū)已形成規(guī)模。圖10是模型在100a超越概率2%地震動力作用折減系數0.4的剪應變分布圖，顯示塑性區(qū)已形成規(guī)模。

對于基本地震動(50a超越概率10%)工況，根據模型強度折減系數的計算結果，可以判斷該工況下模型的臨界強度折減系數為0.6～0.7。對于罕遇地震動(50a超越概率2%)工況， 判斷該工況下模型的臨界強度折減系數為0.6～0.5。對于罕遇地震動(100a超越概率2%)工況，判斷該工況下模型的臨界強度折減系數為0.5～0.4。

表3　地震動力計算材料參數

圖6　50a超越概率10%人造波加速度時程線Figure 6　Model with 50a exceedance probability 10% artificial wave acceleration time line

圖7　模型50a超越概率10%折減系數0.8的剪應變Figure 7　Shear strain diagram of model with 50a exceedance probability 10% and reduction factor 0.8

圖8　模型50a超越概率10%折減系數0.7的剪應變Figure 8　Shear strain diagram of model with 50a exceedance probability 10% and reduction factor 0.7

圖9　模型50a超越概率2%折減系數0.5的剪應變Figure 9　Shear strain diagram of model with 50a exceedance probability 2% and reduction factor 0.5

圖10　模型100a超越概率2%折減系數0.4的剪應變Figure 10　Shear strain diagram of model with 100a exceedance probability 2% and reduction factor 0.4

4　計算結果綜合分析

根據極限平衡法計算的模型堤壩穩(wěn)定性系數基本地震動工況最低為1.563，大于穩(wěn)定性安全系數1.35；罕遇地震動(50a超越概率2%)穩(wěn)定性安全系數最低為1.224，大于穩(wěn)定性安全系數1.15；罕遇地震動(100a超越概率2%)工況下模型小于于穩(wěn)定性安全系數最低為1.051，大于1.0。極限平衡法施加的是地震靜力，并且地震靜力單向加載，地震靜力只加在潛在滑體內。沒有考慮滑體外的地震靜力作用是該計算方法的主要缺點，所以利用極限平衡法計算地震靜力作用穩(wěn)定性系數明顯偏高。

利用FLAC3D數值計算地震靜力作用，堤壩穩(wěn)定性系數在基本地震動工況臨界強度折減系數為0.6～0.7、罕遇地震動(50a超越概率2%)臨界強度折減系數為0.3～0.4，罕遇地震動(100a超越概率2%)工況臨界強度折減系數為0.1～0.2。模型的計算穩(wěn)定性明顯偏低，特別是罕遇地震動工況，其原因，主要是按靜力方法施加地震荷載與實際情況有一定差別，特別就是單向加載。

利用FLAC3D數值計算地震動力作用，對于基本地震動工況，臨界強度折減系數為0.6～0.7。對于罕遇地震動(50a超越概率2%)工況，臨界強度折減系數為0.5～0.6。對于罕遇地震動(100a超越概率2%)工況，臨界強度折減系數為0.4～0.5。利用FLAC3D數值計算地震動力作用結果穩(wěn)定性較低的原因，是壩體土和可塑性黏性土的動抗剪強度比靜抗剪強度參數明顯小。

綜合以上分析，在天然工況下堤壩穩(wěn)定性狀態(tài)良好，在基本地震動工況處于明顯不穩(wěn)定狀態(tài)，可能出現明顯局部塑性破壞、罕遇地震動工況下處于嚴重不穩(wěn)定狀態(tài)，可能會出現垮塌性破壞。但所有計算都是施加的水平向地震荷載，當實際地震時主要加速度方向與水平方向不一致時，地震的破壞作用會有所減緩。

5　結論

1)揚州段典型堤壩剖面地震作用下的極限平衡分析法、地震擬靜力數值分析法和地震動力數值分析法計算的穩(wěn)定性結果差異很大。

2)極限平衡分析法一般是Janbu穩(wěn)定系數數值最小，沒有考慮滑體外的地震靜力作用是該計算方法的主要缺點，所以穩(wěn)定性系數明顯偏高。

3)利用數值分析法計算地震靜力作用，由于單向加載會使穩(wěn)定性計算結果偏低，特別是對罕遇地震動工況和罕遇地震動工況，但靜抗剪強度參數比動抗剪強度大又使計算結果偏高。

4)利用數值分析法計算地震動力作用，加載方式和材料參數與實際情況接近，計算結果相對可靠。

5)由于所選堤壩剖面在揚州段屬較好情況，綜合分析得到即使在基本地震動工況，強度折減系數只有0.7，穩(wěn)定性狀況較差，在堤壩臨湖區(qū)域易產生嚴重地震災害，應引起有關部門的高度重視。

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