張雪東，魏迎奇，聶 鼎，張紫濤，梁建輝，胡 晶

（中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038）

1 研究背景

混凝土面板堆石壩（下文中簡稱“面板堆石壩”）是一種以顆粒性人工級(jí)配堆石體為主要承載體系、混凝土面板為防滲結(jié)構(gòu)的土石壩型［1-2］，因其施工簡便、建設(shè)周期短和工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，面板堆石壩廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外水利水電工程中。我國面板堆石壩建設(shè)在1980年代后迅速發(fā)展，目前在規(guī)模、壩高和技術(shù)難度等方面均居于世界壩工建設(shè)的前列［3-4］，已建成約300座面板堆石壩，約占世界已建面板堆石壩總數(shù)的50%，壩高達(dá)到100 m的有80余座［5-6］，包括壩高233 m的世界最高面板堆石壩——水布埡壩。在這些水庫大壩中，有相當(dāng)數(shù)量的壩高接近或超過100 m的高面板堆石壩建于強(qiáng)震區(qū)。例如，壩高93 m的四川大橋面板堆石壩壩址基本地震烈度為Ⅷ度，按Ⅸ度設(shè)防；壩高123.5 m的青海黑泉面板堆石壩壩址基本地震烈度Ⅶ度，按Ⅷ度設(shè)防；壩高157 m的新疆吉林臺(tái)水庫面板堆石壩位于地震烈度Ⅷ度的強(qiáng)震區(qū)，按Ⅸ度設(shè)防；壩高163.5 m的寧夏大柳樹面板堆石壩設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度0.24g（g為重力加速度），地震烈度相當(dāng)于Ⅷ度；在建的壩高247 m的大石峽面板堆石壩設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度為0.394g，校核地震動(dòng)峰值加速度高達(dá)0.477g［6］。隨著我國西南、西北等強(qiáng)震區(qū)水電資源的開發(fā)，未來將有更多的高面板堆石壩建于地震烈度達(dá)到甚至超過Ⅷ度的場地，這無疑對(duì)面板堆石壩的抗震設(shè)計(jì)帶來了巨大挑戰(zhàn)。因此，深入研究面板堆石壩地震響應(yīng)的重要性和迫切性越來越突出。

與土壩相比，面板堆石壩壩體內(nèi)堆石體處于飽和度較低的狀態(tài)，地震過程中不易發(fā)生超靜孔隙水壓力持續(xù)累積進(jìn)而導(dǎo)致堆石體強(qiáng)度降低直至液化的現(xiàn)象［7-8］，但是，面板堆石壩在材料組成上表現(xiàn)出高度的非同質(zhì)性，面板可近似為連續(xù)均質(zhì)材料，而堆石體為離散顆粒材料，在地震作用下堆石體變形極易造成面板損壞等破壞。歷次地震中面板堆石壩發(fā)生局部損傷的情況時(shí)有發(fā)生［7］。2008年汶川8.0級(jí)地震中，紫坪鋪面板堆石壩發(fā)生明顯局部損傷，包括［9-12］：最大斷面下游壩坡坡頂附近發(fā)生近1 m 的震陷；大壩上游壩頂發(fā)生約20 cm 的向下游側(cè)的水平位移；壩頂路面及壩頂下游人行道開裂；面板間施工縫明顯錯(cuò)臺(tái)；面板結(jié)構(gòu)縫擠壓破壞；面板大面積脫空；面板周邊縫明顯變位；滲漏量一定程度的增加。考慮到汶川地震時(shí)該壩體上游庫區(qū)水位比正常蓄水位低48.35 m，正常蓄水情況下壩體的震損情況有可能更為嚴(yán)重。

針對(duì)面板堆石壩地震響應(yīng)研究主要基于數(shù)值模擬、普通（即1g條件下）振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)及離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)等方法。近年來，數(shù)值模擬中考慮的因素更為全面，包括基巖地震動(dòng)類型、地震動(dòng)沿“壩體-壩基”接觸面的空間分布、堆石料的應(yīng)力歷史等因素［13-16］，取得了良好的模擬效果，極大地提升了對(duì)面板堆石壩地震響應(yīng)的認(rèn)識(shí)水平。但是，鑒于確定合理的巖土材料本構(gòu)模型與相關(guān)參數(shù)的復(fù)雜性與挑戰(zhàn)性，一些數(shù)值模擬結(jié)果仍需在普通振動(dòng)臺(tái)模型及離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)中進(jìn)一步驗(yàn)證。普通振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究主要包括：（1）通過對(duì)比試驗(yàn)，分析庫水深度、地震動(dòng)方向和先期地震動(dòng)等因素對(duì)面板堆石壩地震響應(yīng)的影響［6，17-20］；（2）觀測壩體的破壞形態(tài)［17-18］。該方法在一定程度上能夠定性地模擬出實(shí)際壩體的動(dòng)力行為，但由于模型應(yīng)力水平與原型壩體差異極大，應(yīng)用普通振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)結(jié)果開展定量分析難度較大。利用離心力，離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)?zāi)軌虮ＷC模型與原型應(yīng)力水平和動(dòng)力特性的相似性，在研究地震破壞機(jī)理、工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)和對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行驗(yàn)證等方面具有一定的優(yōu)越性［21］。表1匯總了國內(nèi)外離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)參數(shù)。整體而言，基于離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)的研究較少，所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為有限，鑒于激勵(lì)波幅值、頻率、波形、持時(shí)及先期地震動(dòng)等因素對(duì)壩體動(dòng)力響應(yīng)的影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不足制約了對(duì)相關(guān)規(guī)律適用性的驗(yàn)證。王年香等［21］、程嵩等［22-23］、Kim等［24］探究了竣工期、蓄水期壩體的加速度放大效應(yīng)、加速度響應(yīng)的分布規(guī)律及變形模式。然而，以上試驗(yàn)針對(duì)地震過程中面板應(yīng)力演進(jìn)規(guī)律的研究較為不足，未給出面板內(nèi)、外表面應(yīng)力的演進(jìn)規(guī)律。為此，本文基于中國水利水電科學(xué)研究院離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)，開展一系列面板堆石壩地震響應(yīng)的模型試驗(yàn)，重點(diǎn)探究地震過程中面板應(yīng)力的演進(jìn)規(guī)律及破壞形態(tài)，試驗(yàn)研究竣工期、蓄水期兩種工況，輸入的激勵(lì)波波形包括規(guī)范波及長持時(shí)規(guī)范波，臺(tái)面原型水平峰值加速度（PGA）范圍為0.23g ～0.46g，原型Arias 強(qiáng)度范圍為1.3 ～13.8 m/s。研究成果將為完善面板堆石壩的抗震設(shè)計(jì)、優(yōu)化抗震加固措施提供一定的理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。

表1 國內(nèi)外基于離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)的面板堆石壩地震響應(yīng)試驗(yàn)匯總

2 離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)方案

2.1 離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)簡介采用中國水科院離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)開展試驗(yàn)，該離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)為世界上首臺(tái)可實(shí)現(xiàn)水平、垂直雙向振動(dòng)的離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)。配合中國水科院LXJ-4-450g-t土工離心機(jī)，該振動(dòng)臺(tái)能夠在最高50g的離心加速度下，對(duì)模型施加任意波形的激勵(lì)波，其主要技術(shù)指標(biāo)（模型尺度）為：最大振動(dòng)加速度30g（水平方向）/20g（垂直方向）；振動(dòng)頻率10 ～400 Hz；最長振動(dòng)持時(shí)3 s；最大振動(dòng)負(fù)載440 kg；最大振幅分別為±5 mm。其原理及詳細(xì)設(shè)備介紹可參閱［25-26］。

圖1 模型布置（單位：mm）

2.2 模型布置及量測設(shè)計(jì)如圖1所示，共制作2個(gè)壩體模型，模擬竣工期和蓄水期兩種工況。所用模型箱為剛性模型箱，其內(nèi)部空間尺寸為0.75 m（長）×0.2 m（寬）×0.4 m（高）。除上游庫區(qū)是否蓄水外，兩模型的其他布置均相同。壩體模型包括堆石區(qū)、墊層區(qū)、面板以及趾墻4部分，上、下游壩坡坡度分別為1∶1.6、1∶1.8，模型壩高Hm0為210 mm，在選用的40g離心加速度作用下，可模擬約8.4 m高的原型壩。受限于離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)負(fù)載、可承受的離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)加速度等設(shè)備能力，模型對(duì)應(yīng)的原型壩高遠(yuǎn)小于實(shí)際工程中常采用的壩高。對(duì)比表1相關(guān)數(shù)值，可知本文試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)應(yīng)的原型壩高與前人的試驗(yàn)壩高處于同一水平，本文試驗(yàn)成果可用來探討面板堆石壩地震響應(yīng)的一般規(guī)律。

在模型制作方面，首先安裝由PVC材料制成的趾墻模型，其后，采用分層擊實(shí)法制備210 mm厚的堆石層，控制干密度為1990 kg/m3，而后進(jìn)行削坡以制備堆石區(qū)。所用堆石料取自某在建面板堆石壩所用土料，受模型箱內(nèi)部空間尺寸限制，取模型料限制粒徑為10 mm，利用等量替代法確定模型料級(jí)配，保證小于5 mm粒組的質(zhì)量百分比與原型料接近。模型料由5 ～10 mm粒組及小于5 mm粒組構(gòu)成，所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為77%、23%。依據(jù)Seed 等［27］的試驗(yàn)結(jié)果，在相同應(yīng)力水平、孔隙比及應(yīng)變水平下，剪切模量隨土料顆粒尺寸的降低而變小，模型料的剛度與原材料相比偏低。前人的面板壩離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)中均對(duì)原型級(jí)配做了類似的調(diào)整［21，24］或直接選用標(biāo)準(zhǔn)砂［22-23］。另外，為便于擊實(shí)，堆石土料中摻入了少量水分，含水量約為7%。該含水量較低，能模擬實(shí)際面板壩中堆石料飽和度較低的狀態(tài)，保證在地震過程中超靜孔隙水壓力的累積較為微弱。堆石區(qū)制備完成后，在其上游表面采用福建平潭標(biāo)準(zhǔn)砂鋪設(shè)約5 mm 厚的墊層，再將面板置于墊層上，面板底部與趾墻斜面相抵。如圖1所示，模型面板由4條水泥板拼接而成，每條水泥板尺寸為330 mm（長）×50 mm（寬）×5 mm（厚）。該水泥面板的密度為2400 kg/m3，彈性模量為27.3 GPa，抗壓強(qiáng)度為43.8 MPa，與實(shí)際工程中所用混凝土面板材料性質(zhì)較為接近。鋪設(shè)完面板后，竣工期模型即制備完成。對(duì)于蓄水期模型，參照前人的試驗(yàn)方法［21-24］，為防止試驗(yàn)過程中庫水通過水泥板間縫隙及面板與模型箱壁間的縫隙滲入堆石區(qū)，在上游庫區(qū)鋪設(shè)一層橡膠薄膜后注水，庫水面位于0.93Hm0。

在傳感器布置方面，如圖1所示，為量測壩體加速度響應(yīng)，在壩頂及下游壩坡中部布置微型加速度傳感器（Model 352A24，PCB Piezotronics，Inc.，USA），壩頂處傳感器編號(hào)為A1，所在高程為0.95Hm0，壩坡中部傳感器編號(hào)為A2，所在高程為0.5Hm0。為量測壩頂沉降，在壩頂附近安裝激光位移傳感器，編號(hào)為L1。為量測面板應(yīng)力，選取中部的兩塊水泥板，編號(hào)為CS1、CS2，在每一水泥板內(nèi)外表面4 個(gè)高程處布置應(yīng)變片，4 組應(yīng)變片的高程分別為0.90Hm0、0.69Hm0、0.49Hm0及0.28Hm0。CS1上每組應(yīng)變片的編號(hào)為SG1（5）、SG2（6）、SG3（7）、SG4（8），其中括號(hào)外的數(shù)字表示外表面應(yīng)變片編號(hào)，括號(hào)內(nèi)數(shù)字為內(nèi)表面編號(hào)。采用同樣的方式，CS2 上各組應(yīng)變片的編號(hào)為SG9（13）、SG10（14）、SG11（15）及SG12（16）。另外，設(shè)置2個(gè)攝像頭分別拍攝上游庫水與下游壩坡以定性分析振動(dòng)過程中庫水涌浪及壩坡變形情況。

2.3 輸入地震動(dòng)序列如表2所示，在40g的離心加速度下，分別對(duì)竣工期、蓄水期模型施加一系列順河向水平地震動(dòng)。根據(jù)試驗(yàn)相似率的要求，確定輸入地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線，模型峰值為原型的40倍，模型持時(shí)為原型的1/40。以下除特別說明外，各物理量均已換算至原型尺度。對(duì)于竣工期模型，采用持時(shí)為24 s 的規(guī)范地震波（圖2（a）），先后輸入5 次地震動(dòng)。前3 次地震動(dòng)編號(hào)為G1-T1-0.23g、G1-T2-0.26g、G1-T3-0.36g，峰值加速度PGA 依次逐漸增大，分別為0.23g、0.26g、0.36g，相應(yīng)的Arias強(qiáng)度為1.3、1.7和3.4 m/s，試驗(yàn)結(jié)果可反映PGA對(duì)面板應(yīng)力演進(jìn)規(guī)律的影響。后兩次振動(dòng)中輸入偏弱的地震動(dòng)，編號(hào)為G1-T4-0.24g-R1、G1-T5-0.28g-R2，PGA為0.24g、0.28g，Arias強(qiáng)度為1.5、3.0 m/s。第4、5次振動(dòng)試驗(yàn)（G1-T4-0.24g-R1、G1-T5-0.28g-R2）的PGA、Arias 強(qiáng)度與第1、2次振動(dòng)試驗(yàn)（G1-T1-0.23g、G1-T2-0.26g）相近。因此，對(duì)比第3次地震動(dòng)前后的振動(dòng)試驗(yàn)可探究先期地震動(dòng)的影響，需說明的是，此處研究的是先期地震動(dòng)（即G1-T3-0.36g）強(qiáng)于后續(xù)地震動(dòng)（即G1-T4-0.24g、G1-T5-0.28g）的情況。對(duì)于蓄水期模型，輸出長持時(shí)規(guī)范波，即連續(xù)輸入3個(gè)相同的規(guī)范波，該規(guī)范波取自圖2（a）中的前20 s，該組振動(dòng)總持時(shí)為60 s，PGA 為0.46g，Arias 強(qiáng)度為13.8 m/s。該組地震動(dòng)用以模擬實(shí)際地震中壩體連續(xù)承受多組地震動(dòng)的情況（比如“主震-余震”型地震）。作為初步的探索性試驗(yàn)研究，本文主要研究地震作用下面板內(nèi)、外表面應(yīng)力的總體演進(jìn)趨勢，鑒于輸入地震波波形對(duì)應(yīng)力演進(jìn)總體趨勢的影響較小，針對(duì)竣工期、蓄水期模型輸入了波形不同的地震波。面板的動(dòng)力響應(yīng)從竣工期到蓄水期的變化規(guī)律具有重要意義，將在后續(xù)工作中設(shè)計(jì)試驗(yàn)進(jìn)行探究。

需說明的是，輸入地震動(dòng)的間隔時(shí)間約為5 min（模型尺度）以保證各次地震動(dòng)引起的壩體變形趨于穩(wěn)定。另外，PGA、Arias強(qiáng)度等值均根據(jù)實(shí)測臺(tái)面加速度響應(yīng)計(jì)算而得，Arias強(qiáng)度Ia計(jì)算公式為其中T為持時(shí)，a（t）為t時(shí)刻實(shí)測臺(tái)面加速度。

表2 離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)振動(dòng)方案

圖2 離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)輸入地震波波形

3 竣工期模型試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 加速度響應(yīng)及壩體沉降如前所述，對(duì)竣工期模型先后輸入了5次地震動(dòng)，根據(jù)實(shí)測加速度數(shù)據(jù)，5次地震動(dòng)中壩坡中部高程處的加速度放大系數(shù)為1.40 ～1.62，壩頂放大系數(shù)為2.02 ～2.31，與實(shí)測壩頂放大系數(shù)（2 ～3）［28］大致相同。加速度放大系數(shù)隨高程增加而增大，符合實(shí)際壩體加速度響應(yīng)的一般規(guī)律。具體而言，PGA 分別為0.23g、0.26g 和0.36g 的前3次地震動(dòng)作用下，壩頂放大系數(shù)分別為2.08、2.02 和2.19，PGA 分別為0.24g、0.28g 的后2 次地震動(dòng)，壩頂放大系數(shù)分別為2.06 和2.31。整體而言，壩頂放大系數(shù)隨輸入PGA逐漸增大，該結(jié)果與Kim等［24］的試驗(yàn)結(jié)果一致。另外，雖然第5次地震動(dòng)輸入PGA 居于第2、3次之間，但其壩頂放大系數(shù)高于第3 次地震動(dòng)。其原因可能在于，先期地震動(dòng)中堆石料內(nèi)部某些薄弱區(qū)域的顆粒重排布、顆粒間力重分布，堆石料阻尼比降低，輸入地震波傳播到壩頂?shù)倪^程中能量損耗變小，進(jìn)而導(dǎo)致較大的加速度放大系數(shù)。

由壩頂沉降實(shí)測數(shù)據(jù)可得，對(duì)于前3 次地震動(dòng)，由單一某次地震動(dòng)引起的壩頂沉降分別為初始?jí)胃撸摧斎朐摯蔚卣饎?dòng)前的壩高）的0.04%、0.05%和0.14%，后兩次地震動(dòng)引起的壩頂沉降接近于零?？梢姡恳淮蔚卣饎?dòng)引起的壩體變形均較小，下游壩坡破壞主要體現(xiàn)在淺層滑動(dòng)。這與Kim 等［24］的試驗(yàn)中壩體變形情況相近，在其試驗(yàn)中，對(duì)于PGA值不超過0.35g的激勵(lì)地震波，壩頂沉降不超過0.21%。以上對(duì)比表明，在加速度響應(yīng)、壩體變形等方面，本文試驗(yàn)成果與實(shí)際工程及相關(guān)離心模型試驗(yàn)的結(jié)果較為一致，可進(jìn)一步探討面板應(yīng)力的演進(jìn)規(guī)律。

3.2 面板應(yīng)力演進(jìn)規(guī)律盡管未蓄水時(shí)面板應(yīng)力較為有限，但考慮到實(shí)際地震中面板施工縫的錯(cuò)臺(tái)、結(jié)構(gòu)縫的擠壓破壞在庫水位高程以上部分較為嚴(yán)重［9］，竣工期面板應(yīng)力演進(jìn)規(guī)律有一定的參考價(jià)值。本文采用地震動(dòng)引起的應(yīng)力增量Δσ表征面板應(yīng)力的演進(jìn)規(guī)律。對(duì)于每次地震動(dòng)，利用震動(dòng)過程中某時(shí)刻的應(yīng)力值減去震動(dòng)開始時(shí)的初始值，即可獲得該時(shí)刻的應(yīng)力增量Δσ，正值表示壓應(yīng)力增量，負(fù)值表示拉應(yīng)力增量，參見圖3。

圖3 竣工期模型前3次振動(dòng)面板應(yīng)力演進(jìn)規(guī)律

如圖3所示，對(duì)于竣工期前3次地震動(dòng)，震動(dòng)過程中Δσ的波動(dòng)較大，但其總體趨勢是較為明確的，即外表面壓應(yīng)力增量隨時(shí)間逐漸增大，而內(nèi)表面則表現(xiàn)為拉應(yīng)力增量的逐步發(fā)展，這一趨勢在PGA最大的第3次地震動(dòng)中表現(xiàn)得尤為明顯，后2次地震動(dòng)將于3.3節(jié)進(jìn)行探討。該研究結(jié)果可解釋實(shí)際地震中面板堆石壩面板的破壞形態(tài)，如前所述，在2008年汶川8.0級(jí)地震中，紫坪鋪面板堆石壩發(fā)生了面板結(jié)構(gòu)縫的擠壓破壞。根據(jù)本文研究試驗(yàn)結(jié)果，該種擠壓破壞是由于地震過程中面板外表面壓應(yīng)力增量逐步累積，累積到一定程度后在其薄弱部位即結(jié)構(gòu)縫處發(fā)生擠壓破壞。該試驗(yàn)結(jié)果也表明，地震過程中面板的擠壓破碎易從其外表面開始，而拉裂縫易開始于其內(nèi)表面。在提高面板材料的抗震性能方面，既要考慮其抗拉強(qiáng)度，又要考慮其抗壓性能。需說明的是，面板CS1上應(yīng)力演進(jìn)規(guī)律與以上分析的面板CS2的規(guī)律相同，受篇幅所限在此不予討論。

為進(jìn)一步探究PGA 對(duì)面板應(yīng)力增量的影響，對(duì)每次地震動(dòng)的各測點(diǎn)，選取外表面壓應(yīng)力增量、內(nèi)表面拉應(yīng)力增量的最大值，即應(yīng)力增量峰值Δσpeak。圖4對(duì)比了不同PGA的激勵(lì)波作用下面板各測點(diǎn)處的應(yīng)力增量峰值Δσpeak。面板應(yīng)力增量峰值隨PGA的變化規(guī)律與測點(diǎn)的高程相關(guān)。對(duì)于外表面壓應(yīng)力增量，在面板下部（應(yīng)變片編號(hào)：SG11），壓應(yīng)力增量峰值Δσpeak隨PGA的變化較小，說明地震動(dòng)強(qiáng)度的增加對(duì)面板下部外表面的壓應(yīng)力增量峰值的影響較小，通過增大PGA的方法較難在面板下部外表面引發(fā)擠壓破壞；而在其上部（應(yīng)變片編號(hào)：SG9、SG10），壓應(yīng)力增量峰值Δσpeak隨PGA的增大逐漸增大，說明隨著PGA的增大，面板上部外表面產(chǎn)生擠壓破壞的概率增高。對(duì)于內(nèi)表面拉應(yīng)力增量，在各測點(diǎn)處，拉應(yīng)力增量峰值Δσpeak隨PGA 的增加逐漸增大，且面板上部（應(yīng)變片編號(hào)：SG13、SG14）比下部（應(yīng)變片編號(hào)：SG15、SG16）增幅大，說明隨著PGA的增大，面板所有高程處內(nèi)表面發(fā)生拉裂縫的概率逐漸提高。以上PGA對(duì)面板應(yīng)力增量的影響與堆石料變形有關(guān)，PGA較大時(shí)，地震動(dòng)引起的堆石料的變形相對(duì)較大，尤其是在壩頂附近堆石料的變形更為顯著，因此，面板上部內(nèi)、外表面發(fā)生較大的拉、壓應(yīng)力增量峰值，面臨更嚴(yán)峻的擠壓破壞或拉裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 竣工期模型應(yīng)力增量峰值Δσpeak隨PGA的變化趨勢

3.3 先期地震動(dòng)的影響圖5 給出了經(jīng)歷G1-T3-0.36g 后的兩次地震動(dòng)過程中面板應(yīng)力的演進(jìn)規(guī)律。其中，內(nèi)表面應(yīng)力增量的演進(jìn)趨勢與前2次試驗(yàn)的結(jié)果較為一致，呈現(xiàn)出拉應(yīng)力增量Δσ隨時(shí)間逐漸增大的趨勢，但是，外表面壓應(yīng)力的演進(jìn)趨勢與前2次試驗(yàn)的結(jié)果差異較大。在第4、5次地震動(dòng)中，面板外表面應(yīng)力增量僅在零值上下波動(dòng)，未發(fā)生壓應(yīng)力增量逐漸發(fā)展的總體趨勢。以上對(duì)比體現(xiàn)了先期地震動(dòng)對(duì)面板演進(jìn)規(guī)律的影響，說明經(jīng)歷較強(qiáng)的地震動(dòng)后，后期發(fā)生強(qiáng)度小于之前的地震時(shí)，面板的壓應(yīng)力不會(huì)發(fā)生明顯的增加。

先期地震動(dòng)對(duì)面板應(yīng)力演進(jìn)規(guī)律的影響與堆石料微觀結(jié)構(gòu)的變化相關(guān)。在先期地震動(dòng)（G1-T3-0.36g）過程中，雖然堆石區(qū)整體密度改變較為微弱（壩頂沉降僅為0.14%），堆石料內(nèi)部某些薄弱區(qū)域的顆粒重排布、顆粒間力重分布，由此導(dǎo)致堆石抵抗動(dòng)剪切變形的能力提高。因此，第4、5次地震動(dòng)中壩頂沉降率約為零，即對(duì)比第1、2次地震動(dòng)堆石塑性變形有所降低。而堆石區(qū)變形的降低又進(jìn)一步影響了面板應(yīng)力的演進(jìn)規(guī)律。該機(jī)理與先期地震動(dòng)對(duì)飽和砂土場地抗液化能力的影響機(jī)制相似，一般程度的先期地震動(dòng)（即不致引發(fā)液化）對(duì)飽和砂土場地的密度改變較小，而能提高砂土場地的抗液化能力［29］。此結(jié)果表明，對(duì)于實(shí)際工程，在分析其地震過程中面板應(yīng)力的演進(jìn)規(guī)律時(shí)，要注意考察面板壩歷史上經(jīng)歷的地震動(dòng)以期得到合理的面板應(yīng)力演進(jìn)趨勢；對(duì)于面板堆石壩的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，要最大限度地模擬原型壩的地震歷史以準(zhǔn)確反映原型變化規(guī)律，當(dāng)前，在進(jìn)行相關(guān)模型試驗(yàn)時(shí)，為增加試驗(yàn)效率，對(duì)一個(gè)模型往往施加多次地震動(dòng)荷載，在分析其試驗(yàn)數(shù)據(jù)的過程中要格外注意先期地震動(dòng)的影響。

圖5 竣工期模型第4、5次振動(dòng)面板應(yīng)力演進(jìn)規(guī)律

4 蓄水期試驗(yàn)結(jié)果

長持時(shí)規(guī)范波引起的壩頂沉降為壩高的0.98%，與前述竣工期模型相比沉降較大，但是，下游壩坡破壞形態(tài)并未改變，依然以淺層滑動(dòng)為主。圖6給出了G2-T1-0.46g地震動(dòng)過程中面板應(yīng)力的變化情況。由圖6可以看出，外表面壓應(yīng)力增量與內(nèi)表面的拉應(yīng)力增量均隨時(shí)間逐漸增大，且增幅在面板上部（應(yīng)變片編號(hào)為：SG9、SG10）較大。該結(jié)果與竣工期前3次地震動(dòng)中面板應(yīng)力的總體演進(jìn)趨勢一致，均表現(xiàn)為外表面壓應(yīng)力增量、內(nèi)表面拉應(yīng)力增量的發(fā)展，蓄水期面板上部面臨外表面擠壓破壞與內(nèi)表面拉裂的風(fēng)險(xiǎn)較大。另外，地震動(dòng)作用下面板應(yīng)力的具體演進(jìn)過程與波形的關(guān)系較大。在輸入規(guī)范地震波時(shí)（圖3），應(yīng)力增量的增長主要體現(xiàn)在第3—14 s，其后，面板應(yīng)力僅沿某一穩(wěn)定值上下波動(dòng)。這是由于在相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)輸入激勵(lì)波的波動(dòng)較強(qiáng)，Arias強(qiáng)度增長較大，輸入能量的積累較快。在連續(xù)輸入3個(gè)規(guī)范波時(shí)（圖6），面板應(yīng)力的演進(jìn)呈階梯狀，內(nèi)表面拉應(yīng)力增量Δσ經(jīng)歷初期的快速增長后趨于平穩(wěn)，其后經(jīng)歷了第2次、第3次的“增長-趨穩(wěn)”的過程。面板應(yīng)力的增長與相應(yīng)的波形（圖2（b））一致。先期地震動(dòng)對(duì)面板應(yīng)力的影響在此也有所體現(xiàn)，后輸入的20 s規(guī)范波引起的面板應(yīng)力的增長與先前輸入20 s規(guī)范波時(shí)相比，壓應(yīng)力與拉應(yīng)力增長的幅值均有所降低。

圖6 蓄水期模型G2-T1-0.46g振動(dòng)應(yīng)力演進(jìn)曲線

5 結(jié)論

針對(duì)混凝土面板堆石壩，開展了竣工期、蓄水期面板堆石壩地震響應(yīng)的一系列離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，重點(diǎn)探究了地震過程中面板應(yīng)力的演進(jìn)規(guī)律及破壞模式。主要的研究結(jié)論包括以下幾個(gè)方面：（1）面板應(yīng)力的演進(jìn)規(guī)律與面板堆石壩的地震動(dòng)歷史有關(guān)。當(dāng)作用于壩體的地震動(dòng)峰值或Arias強(qiáng)度高于其所經(jīng)歷的地震動(dòng)時(shí)，無論在竣工期還是蓄水期，面板外表面壓應(yīng)力增量隨時(shí)間逐漸增大，而內(nèi)表面拉應(yīng)力增量逐漸發(fā)展。該演進(jìn)規(guī)律表明，地震過程中面板的擠壓破碎易從其外表面開始，而拉裂縫易開始于其內(nèi)表面。當(dāng)作用于壩體的地震動(dòng)峰值與其經(jīng)歷的最大地震動(dòng)相比較弱時(shí)，面板應(yīng)力總體變化趨勢主要體現(xiàn)在內(nèi)表面拉應(yīng)力增量的發(fā)展，而其外表面壓應(yīng)力增量的發(fā)展較為微弱。就影響機(jī)制而言，先期地震動(dòng)引起堆石料微觀結(jié)構(gòu)的改變，動(dòng)剪切模量、阻尼比等堆石料參數(shù)及沿壩體的分布均發(fā)生一定的改變，此類改變進(jìn)一步影響堆石料的變形特征，從而影響面板應(yīng)力的演進(jìn)規(guī)律。（2）就面板應(yīng)力響應(yīng)沿其高程的分布而言，面板頂部附近面板應(yīng)力響應(yīng)較大，與壩頂附近堆石料變形更為顯著相一致。另外，同一高程處的面板應(yīng)力響應(yīng)隨地震動(dòng)峰值或Arias強(qiáng)度而增大，與地震動(dòng)峰值或Arias強(qiáng)度對(duì)堆石區(qū)變形的影響相一致。（3）地震過程中壩坡的破壞模式主要表現(xiàn)為淺層滑動(dòng)。