鄭銳

（臨汾市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山西臨汾041000）

0 引言

土石壩是一種極為常用的水工擋水建筑物，該類型壩體具備投資低、工期快等優(yōu)勢(shì)，但對(duì)土體顆粒級(jí)配和壓實(shí)度要求較高。在我國(guó)，早期修建的土石壩中，有很大一部分施工質(zhì)量較低，不能滿足防滲需求，同時(shí)，在地震工況下，易出現(xiàn)液化等現(xiàn)象[1-3]。目前，針對(duì)土石壩液化分析的方法主要為數(shù)值模擬法，下文結(jié)合淮河流域某土石壩工程，采用數(shù)值模擬方法分析其地震液化響應(yīng)特征[4,5]。

該水庫(kù)位于淮河流域，是一座大（2）型水庫(kù)。水庫(kù)控制流域面積1782km2，現(xiàn)狀總庫(kù)容5.28億m3。擋水建筑物全長(zhǎng)2216m，最大壩高33.65m。水庫(kù)灌溉面積325km2，壩后電站總裝機(jī)容量5640kW。

1 液化評(píng)價(jià)方法及參數(shù)選取

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)貫試驗(yàn)及相對(duì)密度分析，大壩上游表層砂殼及下游壩基砂存在液化的可能。為了解液化范圍及液化程度，為工程加固提供參考，根據(jù)室內(nèi)靜三軸及動(dòng)三軸試驗(yàn)資料，進(jìn)行有限元液化分析。

1.1 地震波的選取

根據(jù)GB18306-2001《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》確定水庫(kù)場(chǎng)址區(qū)的地震動(dòng)峰值加速度為0.20g，相應(yīng)地震基本烈度Ⅷ度，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40s。依據(jù)SL203-97《水工建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中的場(chǎng)地類別劃分，水庫(kù)場(chǎng)地土類型為中硬場(chǎng)地，場(chǎng)地類別為Ⅰ類；依據(jù)GB50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)計(jì)地震分組標(biāo)準(zhǔn)，水庫(kù)屬第一組。根據(jù)地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、場(chǎng)地類別及設(shè)計(jì)地震分組，選取典型地震波如圖1。

圖1 地震波加速度圖

1.2 液化判別標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)循環(huán)動(dòng)三軸試驗(yàn)?zāi)M地基飽和砂層在地震波水平循環(huán)剪切作用下的液化判別方式，也是實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)常采用的一種液化判別方法，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室做出的正常固結(jié)狀態(tài)下砂層的液化循環(huán)剪應(yīng)力比值的大小作為模型判斷液化的標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)試驗(yàn)成果，在正常固結(jié)狀況下上游砂殼、下游砂殼、壩基砂液化剪應(yīng)力比值分別為0.28，0.29，0.27。地震振動(dòng)時(shí)液化應(yīng)力比超過(guò)上述值即判斷為液化，反之不液化。

1.3 液化分析方法

液化分析計(jì)算采用GeoStudio中的Quake模塊進(jìn)行初始靜力及動(dòng)力分析。首先分析大壩在正常蓄水位下的應(yīng)力狀態(tài)，然后計(jì)算在此狀態(tài)下遭遇8度地震（ah=0.2g）時(shí)壩體的液化狀態(tài)。

有限元靜力分析中土的本構(gòu)模型采用目前較成熟的Duncan-Chang非線性彈性(E～μ)模型進(jìn)行初始應(yīng)力狀態(tài)分析。

切線彈性模量：

切線泊松比：

式中：σ1，σ3——大/小主應(yīng)力，kPa；C——土的凝聚力，kPa；φ——內(nèi)摩擦角，（°）；K，n——土的模量系數(shù)和模量指數(shù)；Rf——破壞比；G，D，F(xiàn)——泊松比參數(shù)；Pa——大氣壓力，kPa。

動(dòng)力分析采用土體的等效線型分析，計(jì)算時(shí)考慮拉裂和剪壞的修正，及固結(jié)壓力作用歷史和卸荷影響。其中水壓荷載直接采用穩(wěn)定滲流期計(jì)算出的壩內(nèi)流網(wǎng)所得出的滲透力。

在動(dòng)力計(jì)算中，視土體為粘彈性體，采用粘彈性模式，其動(dòng)力平衡方程如下：

總阻尼陣由各單元阻尼陣組成，單元i的阻尼陣定義為[c]i=i[m]i+i[k]i

式中：[m]i，[c]i，[k]i——分別為單元i的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣。

土石料地動(dòng)應(yīng)力應(yīng)變考慮到材料的非線性，采用Seed等人提出的等效線性處理方法。材料的動(dòng)剪切模量G和阻尼比λd均為剪應(yīng)變?chǔ)舤的函數(shù)。用小應(yīng)變時(shí)的動(dòng)剪切模量Gmax及模量衰減曲線G/Gmax～、阻尼曲線λd～描述土石料的動(dòng)力性質(zhì)。G/Gmax～和λd～關(guān)系曲線根據(jù)試驗(yàn)和工程類比法來(lái)確定。Gmax按下式確定：

式中：σ′m——平均有效初始主應(yīng)力，kPa。

考慮到材料的非線性動(dòng)力特性，動(dòng)力分析中動(dòng)剪切模量G與阻尼比λd隨動(dòng)剪應(yīng)變?chǔ)枚?，同時(shí)體系的基本頻率ω也與γ有關(guān)。因此，對(duì)每一時(shí)間間隔△t進(jìn)行迭代，即用前一時(shí)刻求得的剪應(yīng)變?chǔ)酶鶕?jù)G/Gmax～與λd～關(guān)系計(jì)算出相應(yīng)的G與λd。據(jù)此算出各單元的剛度矩陣[K]與阻尼矩陣[λd]，再用威爾遜－θ法與插值求出此時(shí)的Y¨()t，由此求得新的G與λd，如此反復(fù)迭代，直至前后兩次迭代求出的G，λd值之差在一定精度控制范圍為止。

1.4 計(jì)算參數(shù)選取

液化分析選取主壩典型斷面0+890，初始靜力狀態(tài)下的E～μ參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 大壩分區(qū)土料E～μ參數(shù)表

大壩樁號(hào)0+890斷面壩基砂及上、下游砂殼循環(huán)數(shù)～剪應(yīng)力比如圖2所示。

2 計(jì)算成果及分析

大壩液化分析初始應(yīng)力狀態(tài)總應(yīng)力及有效應(yīng)力，8度地震下大壩液化分析示意如圖3所示。液化分析可見(jiàn)：大壩上游砂殼170.00～176.00m及164.00～166.30m高程范圍地震液化可能性較大，液化最大深度為3.48m；上、下游壩腳壓重體外壩基礫質(zhì)粗砂存在液化可能。

圖38 度地震下大壩液化分析示意圖（Y方向應(yīng)力/kPa）

圖2 大壩樁號(hào)0+890斷面上下游

水庫(kù)主壩壩基礫質(zhì)粗砂及上游砂殼均為可液化土；大壩樁號(hào)0+889及1+089現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)貫入判別上游砂殼深5.50m內(nèi)的礫質(zhì)粗砂具有液化可能；現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行相對(duì)密度試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，表層（樁號(hào)0+889深1.30m以上，1+089深2.00～2.50m）砂殼相對(duì)密度小于0.75，存在液化可能；根據(jù)確保安全加固質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定情況，發(fā)現(xiàn)大壩167.65，167.00，173.60m高程處取樣的相對(duì)密度小于0.75（最小Dr=0.71），孔隙比大于0.47，壩體遭遇8度地震時(shí)可能液化。

綜合現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)、保安全加固質(zhì)量評(píng)定結(jié)果及有限元液化分析情況可發(fā)現(xiàn)，大壩正常蓄水遭遇8度地震時(shí)，上游砂殼及壩腳礫質(zhì)粗砂存在液化可能；1998年保安全加固時(shí)，對(duì)上、下游壩腳進(jìn)行了壓重加固，使壩基液化區(qū)域已遠(yuǎn)離土壩壩腳，壩基液化對(duì)壩體產(chǎn)生危害的可能性較??；各種方法判定上游砂殼液化范圍及深度基本一致，164.00～176.00m高程尤其是坡度變化處易液化，深度一般不超過(guò)3.50m。上游砂殼液化產(chǎn)生的原因主要由于局部砂殼相對(duì)密度偏低、孔隙率偏大以及變坡處土體側(cè)向應(yīng)力突變?cè)斐傻?。從目前的資料分析來(lái)看，大壩上游砂殼地震液化范圍及深度影響不致引起大壩上游坡的深層滑動(dòng)。

3 結(jié)論

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)獲取淮河流域某土石壩工程的地震液化計(jì)算參數(shù)，使用Geo-Studio軟件建立不同水位下的計(jì)算模型。計(jì)算結(jié)果表明：大壩上游砂殼170.00～176.00m及164.00～166.30m高程范圍地震液化可能性較大，液化最大深度為3.48m。其主要原因是：局部砂殼相對(duì)密度偏低、孔隙率偏大以及變坡處土體側(cè)向應(yīng)力突變。該土石壩在地震條件下液化風(fēng)險(xiǎn)較大，建議采取相關(guān)的除險(xiǎn)加固措施。