盧陳濤

（1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津，300072；2.浙江珊溪經(jīng)濟發(fā)展有限責(zé)任公司，浙江溫州，325000）

1 工程概況

珊溪水庫位于浙江省文成縣珊溪鎮(zhèn)上游，屬多年調(diào)節(jié)水庫，可以攔洪削峰，調(diào)節(jié)水量，也可引水發(fā)電。珊溪水庫正常蓄水位142.00 m，相應(yīng)庫容12.91億m3。珊溪大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，最大壩高132.50 m，壩頂高程156.80 m，壩頂寬10 m，壩頂長度448 m，防浪墻頂高程158.10 m。上游壩坡1∶1.40，下游平均壩坡1∶1.57?；炷撩姘宀捎肅25W12F100，厚度0.3～0.68 m，縱向配筋率為0.4%，橫向配筋率為0.35%。上游面高程80.00（河床部位）～90.00 m（兩岸岸坡部位）以下設(shè)置粉土、石渣填筑區(qū)。

混凝土趾板置于弱風(fēng)化基巖上，基巖采用了水泥固結(jié)灌漿和帷幕灌漿處理。河床部位趾板基礎(chǔ)及往下游方向60平臺高程的范圍內(nèi)開挖至基巖，其余部位置于清理后的砂礫石覆蓋層上，兩岸置于清理后的基巖上。

壩基河床部位為砂礫石沖積層，最大厚度達(dá)24.1 m，根據(jù)沉積時代及卵礫石的風(fēng)化程度，可分為全新統(tǒng)（Q4）及中新統(tǒng)（Q2）兩層，自上而下需求量細(xì)分為四層，分別為珊溪水庫地震基本烈度小于6度，設(shè)計按7度設(shè)防。為分析和認(rèn)證地基土液化問題，采用了多項指標(biāo)進(jìn)行初判與復(fù)判：（1）按沉積時代初判；（2）按顆粒級配及中值粒徑初判；（3）按標(biāo)準(zhǔn)貫入測試指標(biāo)復(fù)判。本工程壩基河床覆蓋層各層（除以外）均為非液化土。施工中層大部分已被挖除，殘存的面積7.5 m×15 m，殘留厚度1～1.5 m。

2 地震期間壩體監(jiān)測資料分析

2.1 地震監(jiān)測情況

2.1.1施工期

施工期壩址區(qū)附近工程爆破及外圍（主要是臺灣）地震時，壩址25 km范圍內(nèi)尚未記錄到任何地震活動。

2.1.2 運行期

根據(jù)地震臺網(wǎng)測定，2002～2004年間在文成縣黃坦鎮(zhèn)與泰順縣包洋鄉(xiāng)之間的水庫水域附近共發(fā)生大小地震約395次。2006年2月4～28日，庫區(qū)發(fā)生地震近870次，震源位于珊溪水庫范圍，震級ML大于3級的有38次，大于4級的有10次。2002～2006年地震次數(shù)和最大震級統(tǒng)計情況見表1。

表1 2002～2006年地震次數(shù)統(tǒng)計Table 1 Statistics of earthquakes from 2002 to 2006

根據(jù)分析，珊溪庫區(qū)地震活動與庫區(qū)水位升降有密切關(guān)系，屬典型水庫誘發(fā)地震，庫區(qū)水位與地震能量對數(shù)關(guān)系見圖1。2002年7月28日ML3.2級地震發(fā)生前，珊溪水庫水位處于高水位時段，且歷時較短，隨后較快下降；2002年8月13日，水位達(dá)到蓄水后的最高水位135.73 m；2002年9月5日發(fā)生了ML3.7級地震。兩次水位劇烈起伏都對應(yīng)著滯后的地震活動，因此，珊溪水庫震中區(qū)發(fā)震構(gòu)造與庫區(qū)水位相關(guān)，屬典型的水庫誘發(fā)地震。

圖1 2002年水庫逐日水位與地震能量釋放關(guān)系曲線Fig.1 Relationship between daily reservoir level and the re?lease of seismic energy in 2002

分析認(rèn)為2006年2月9日發(fā)生的ML4.6級地震為庫區(qū)最大震級，此后地震活動規(guī)?？傮w呈衰減，期間伴有起伏的趨勢，預(yù)測今后在水位低于145.78 m再發(fā)M4.1（ML4.6級）的可能性不大。

2.2 觀測資料對比

2006年2月4 ～28日，珊溪水庫庫區(qū)范圍最大震級ML4.6級，震源距壩址約6 km，該地震前后主要監(jiān)測資料情況列于表2。

對照地震前后各測值變化可知，地震前后壩體沉降最大差值22.6 mm（V3測點，壩0+240.00 m斷面、高程68.40 m，壩軸線上游0+051.00 m），壩體水平位移最大差值2.18 mm（TPb21測點，壩0+320.00 m斷面、高程118.70 m，壩軸線下游0+062.00 m），變化幅度均在正常范圍內(nèi)。此次地震期間，壩體變形在正常范圍內(nèi)，壩體工作性狀正常。地震期間，周邊縫三向位移均小于0.5 mm，面板垂直縫張開位移均小于0.4 mm，地震期對周邊縫和面板垂直縫影響較小，周邊縫和垂直縫止水未被破壞。地震前后面板應(yīng)力應(yīng)變、壩基和墊層滲透壓力水頭及溢洪道等部位邊坡位移均未發(fā)生突變，測值變化較小，各部位基本正常。

3 壩坡抗滑穩(wěn)定分析

根據(jù)GB 18306-2017《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，該區(qū)地震動峰值加速度小于0.05 g，地震基本烈度小于6度。珊溪水庫大壩地震設(shè)防烈度為7度，水平向設(shè)計地震加速度值為αh=0.1 g[3]。本次壩坡穩(wěn)定復(fù)核采用擬靜力法進(jìn)行分析，計算模型和主要參數(shù)與壩坡抗滑穩(wěn)定分析結(jié)果一致，見表3。

擬靜力法分析表明：7度地震時，死水位上游壩坡和正常蓄水位、設(shè)計洪水位下游壩坡最小抗滑穩(wěn)定系數(shù)均大于1.2，大壩壩坡抗震安全滿足規(guī)范要求值。

4 三維有限元動力分析

4.1 本構(gòu)模型和參數(shù)

三維動力有限元分析本構(gòu)模型以六面體單元為主，面板與趾板交接處以無厚度六面體的單元連接，墊層同面板之間用五面體單元。根據(jù)相關(guān)工程和計算經(jīng)驗，取M=2.0、c=22、λmax=2.0、φ=34，作為參數(shù)值。各區(qū)材料計算參數(shù)見表4，大壩孔壓同剪應(yīng)力之間的比值根據(jù)類似工程試驗確定（缺少覆蓋層液化數(shù)據(jù)資料）。根據(jù)規(guī)范要求，珊溪水庫大壩三維動力有限元分析工況為正常蓄水位+7度地震。

表2 2006年2月地震前后監(jiān)測量變化情況Table 2 Change of monitoring data before and after earthquake in February 2006

4.2 地震輸入?yún)?shù)

以動力響應(yīng)50年超10%地震加速度為研究工況，順河向加速度取100 cm/s2，豎向加速度取水平向曲線峰值的2/3，壩軸線地震加速度和水平向相同。

4.3 壩體及覆蓋層動力反應(yīng)

地震作用下壩體、覆蓋層動位移極值和加速度極值及放大倍數(shù)見表5和表6。地震作用下壩體及覆蓋層動位移等值線分布規(guī)律合理，位移值從壩基至壩頂逐漸增大，在壩頂附近達(dá)到最大值。在50年超越概率10%地震作用下，大壩三向動位移極值不大，順河向、豎向和壩軸向動位移極值分別為4.44 cm、2.06 cm和3.88 cm。50年超越概率10%地震作用下，大壩加速度分布規(guī)律合理，整個壩體順河向、豎向和壩軸向加速度極值分別為3.07 m/s2、2.07 m/s2和3.19 m/s2，極值基本位于壩頂附近，相應(yīng)的放大倍數(shù)分別為3.07、3.10和3.19[4-5]。

表3 壩坡穩(wěn)定分析結(jié)果Table 3 Analysis results of dam slope stability

表4 壩料及覆蓋層計算參數(shù)Table 4 Calculation parameters of dam material and overburden layer

表5 壩體及覆蓋層動位移極值（單位：cm）Table 5 Extremum of dynamic displacement of dam body and overburden layer(unit:cm)

4.4 面板動力反應(yīng)

表6 壩體及覆蓋層加速度極值及放大倍數(shù)（加速度單位：m/s2）Table 6 Acceleration extremum and amplification factor of dam body and overburden layer(acceleration unit:m/s2)

地震作用下混凝土面板加速度和動應(yīng)力極值見表7和表8。在50年超越概率10%地震作用下，面板順河向、豎向和壩軸向加速度極值分別為2.20 m/s2、1.64 m/s2和 1.29 m/s2，相應(yīng)放大倍數(shù)為2.20、2.45和1.29，均小于壩體加速度極值及相應(yīng)放大倍數(shù)。面板順坡向動壓應(yīng)力和動拉應(yīng)力極值分別為4.75 MPa和-4.23 MPa，位于面板中部；壩軸向動壓應(yīng)力和拉應(yīng)力極值分別為3.90 MPa和-3.83 MPa[6]，位于兩岸岸坡面板頂部。地震作用下，面板順坡向和壩軸向動應(yīng)力（動拉應(yīng)力和動壓應(yīng)力）分布規(guī)律合理[7]。

表7 面板加速度極值（單位：m/s2）Table 7 Extremum of panel acceleration(unit:m/s2)

表8 面板動應(yīng)力極值（單位：MPa）Table 8 Extremum of panel dynamic stress(unit:MPa)

地震時面板靜應(yīng)力和動應(yīng)力疊加后極值見表9，地震時面板靜應(yīng)力、動應(yīng)力疊加后的應(yīng)力等值線分布見圖2。

表9 面板靜應(yīng)力、動應(yīng)力疊加極值（單位：MPa）Table 9 Extremum of superposed static and dynamic stress of the panel(unit:MPa)

從靜應(yīng)力、動應(yīng)力疊加后應(yīng)力極值和等值線的分布曲線可以得出：

（1）順坡向靜應(yīng)力和動壓應(yīng)力疊加后，面板順坡向不出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，總壓應(yīng)力極值增大為16.56 MPa，未超過面板混凝土抗壓強度。

（2）由于地震作用正負(fù)交錯，面板動拉應(yīng)力極值不在同一時刻出現(xiàn)且出現(xiàn)時間極短，加之動應(yīng)力作用下混凝土強度較靜力下有所提高，因此靜動疊加后面板拉裂可能性較小。

圖2 地震時面板靜應(yīng)力、動應(yīng)力疊加后應(yīng)力等值線（單位：MPa）Fig.2 Stress contours after superposition of static and dynamic stresses in earthquake(unit:MPa)

（3）靜應(yīng)力和動拉應(yīng)力疊加后，岸坡附近面板拉應(yīng)力區(qū)和極值較靜力時增大，最大拉應(yīng)力約-3.31 MPa，面板實測的混凝土抗壓強度最小值為33.6 MPa，抗拉強度相當(dāng)于3.36 MPa，故面板存在開裂可能性較小。

5 地震永久變形分析

地震作用下壩體及覆蓋層永久變形極值見表10，豎向變形以向上為正，順河向變形以向下游為正，壩軸向變形以向右岸為正。計算結(jié)果分析表明：地震作用下壩體產(chǎn)生向下的永久震陷，最大部位在壩頂靠近下游側(cè)；順河向水平變形朝壩體下游方向，最大位移出現(xiàn)在壩頂附近；壩軸向變形為兩岸向河床變形，最大變形位于壩頂處。地震作用下，壩體豎向、順河向和壩軸向永久變形極值分別為-10.31 cm、4.69 cm和-3.44 cm，大壩震陷率為0.078%，大壩抗震性能較好。地震后，大壩輪廓總體上向壩內(nèi)收縮，在下游壩坡下部稍有外凸，與已有面板壩地震后實測永久變形分布特點相符。

表10 壩體及覆蓋層地震永久變形極值（單位：cm）Table 10 Extremum of permanent deformation of the dam and the overburden layer(unit:cm)

地震作用下混凝土面板永久變形極值見表11，地震作用下，震后混凝土面板三向永久變形量不大。在設(shè)計地震條件下，面板壩軸向變形、豎向沉降和撓度極值分別為-3.33 cm、-9.86 cm和10.85 cm。

表11 混凝土面板永久變形極值（單位：cm）Table 11 Extremum of permanent deformation of the concrete panels(unit:cm)

5.1 壩基覆蓋層液化分析

地震作用下壩基覆蓋層動孔壓和液化度極值見表12。壩基覆蓋層的動孔壓極值為394.08 kPa，液化度極值為51.8%，地震作用下壩基覆蓋層不會出現(xiàn)液化現(xiàn)象[8]。

表12 壩基覆蓋層動孔壓和液化度極值Table 12 Extremum of dynamic pore pressure and liquefaction degree of the overburden layer of dam foundation

5.2 面板接縫動變形

地震作用下面板垂直縫和周邊縫的三向動變形不大，靜動力疊加后均較靜力時有所增大，但增幅不大。接縫變形極值均小于2.5 cm（表13），小于止水材料的運行變形量。地震作用時，面板垂直縫和周邊縫止水材料能夠正常工作[9-10]。

表13 靜動力疊加后的接縫三向變形極值Table 13 Extremum of three-direction deformation of joint after superposition of static and dynamic forces

6 結(jié)語

通過建立動力本構(gòu)模型和動孔隙水壓力曲線法對大壩及覆蓋層永久變形、面板響應(yīng)、壩基覆蓋層液化等進(jìn)行三維動力有限元分析，得出以下結(jié)論：

（1）珊溪水庫地震基本烈度小于6度，設(shè)計按7度設(shè)防，大壩壩基河床部位存在層的砂礫石沖積層，最大厚度達(dá)24.1 m，其中抗液化性質(zhì)較差的層基本上已挖除，其余各層為非液化土。通過三維有限元動力分析，壩基覆蓋層動孔壓和液化度隨極值分別為394.08 kPa和51.8%，壩基不存在液化問題。

（2）通過擬靜力法對大壩壩坡抗滑穩(wěn)定進(jìn)行復(fù)核計算，7度地震時，大壩上下游壩坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)符合規(guī)范的要求。

（3）根據(jù)三維有限元動力分析，7度地震時，周邊縫拉開、沉陷和剪切動變形極值分別為0.74 cm、1.42 cm和0.70 cm，壩體順河向水平和豎向地震永久變形極值分別為4.69 cm和-10.31 cm，大壩震陷率為0.078%，壩體抗震變形性能良好。

（4）三維有限元動力分析還表明，7度地震時，靜動應(yīng)力疊加后，面板出現(xiàn)最大壓應(yīng)力為16.56 MPa（面板中部），靜動拉應(yīng)力最不利疊加僅在各自瞬時發(fā)生，且只局限于面板局部小范圍區(qū)域，因此7度地震動荷載作用下，面板出現(xiàn)裂縫的可能性較小，面板基本安全。

（5）本工程庫區(qū)實測最大誘發(fā)地震烈度為ML4.6級。各監(jiān)測數(shù)據(jù)和大壩外觀觀測表明無異常情況，大壩運行正常。