鄒德高，彭 俊，李俊超，陳 濤，劉京茂，王建全，陳 楷

（1.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧省大連市 116024；2.大連理工大學(xué)水利工程學(xué)院，遼寧省大連市 116024；3.浙江大學(xué) 軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江省杭州市 310058；4.四川華能瀘定水電有限公司，四川省成都市 610072；5.中電建鐵路建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，戰(zhàn)略與投資管理部，北京市 100070）

0 引言

抽水蓄能是當(dāng)前技術(shù)最成熟、經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)、最具大規(guī)模開(kāi)發(fā)條件的電力系統(tǒng)綠色低碳的靈活調(diào)節(jié)電源[1]。為此，我國(guó)近年大力推進(jìn)抽水蓄能電站建設(shè)。資料統(tǒng)計(jì)表明，截至2021年底，國(guó)內(nèi)處于運(yùn)行狀態(tài)的抽水蓄能電站有40座，且有48座電站正在施工建設(shè)，擬規(guī)劃有數(shù)十座[2]。其中，瀝青混凝土面板堆石壩具有防滲性能好、耐寒、地形適應(yīng)強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，成為建設(shè)中的優(yōu)選壩型（表1列舉了部分瀝青混凝土面板堆石壩建設(shè)情況）。

表1 我國(guó)部分瀝青混凝土面板堆石壩工程Table 1 Part of asphalt concrete face rockfill dam project in China

續(xù)表

隨水電開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略持續(xù)深入，強(qiáng)震區(qū)建抽水蓄能電站已難以避讓?zhuān)Y料統(tǒng)計(jì)表明，在建及規(guī)劃工程中，約50%以上位于強(qiáng)震區(qū)。電站建成后將長(zhǎng)期服役，期間遭遇極端地震威脅的可能性大[3]、[4]。目前對(duì)瀝青混凝土面板堆石壩強(qiáng)震變形模式和極限抗震能力的相關(guān)研究較少，嚴(yán)重滯后于抽水蓄能電站工程實(shí)踐。因此，開(kāi)展此類(lèi)工程強(qiáng)震下變形模式及安全評(píng)價(jià)研究具有重要的工程應(yīng)用意義。

土石壩極限抗震能力是評(píng)估土石壩抗震安全性的重要內(nèi)容。然而目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)規(guī)范明確規(guī)定土石壩極限抗震能力的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，已有的關(guān)于土石壩地震破壞評(píng)價(jià)要素及其指標(biāo)的研究成果尚不統(tǒng)一[5-8]，且存在不同要素指標(biāo)得到的安全裕度不協(xié)調(diào)的問(wèn)題。作者等人基于系統(tǒng)的高土石壩地震彈塑性整體變形和壩坡局部滑移量數(shù)值分析、全面的工程實(shí)測(cè)資料調(diào)研對(duì)比研究[9-12]，提出了確定高土石壩極限抗震能力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的4項(xiàng)原則[13]：嚴(yán)格依據(jù)實(shí)測(cè)土石壩震陷率和震害程度映射關(guān)系；保證極端地震時(shí)不潰壩；震陷率是關(guān)鍵控制指標(biāo)；確保震陷率、壩坡滑移量等評(píng)價(jià)要素的協(xié)調(diào)性。據(jù)此建議了地震條件下高面板壩和心墻壩的極限抗震能力的評(píng)價(jià)量化指標(biāo)：①震陷率，面板壩為1.1%、心墻壩為1.3%；②面板壩壩坡滑移量指標(biāo)為1.2m（滑弧穿過(guò)壩頂中點(diǎn)）、心墻壩壩坡滑移量指標(biāo)為1.4m（滑弧穿過(guò)過(guò)渡與心墻之間區(qū)域）；③建議止水的極限抗震能力指標(biāo)需要根據(jù)止水材料的性能、失效位置、面積以及面板損傷開(kāi)裂等因素結(jié)合滲流穩(wěn)定綜合考慮。該標(biāo)準(zhǔn)已應(yīng)用于RM心墻堆石壩（315m，在建世界最高）、兩河口心墻堆石壩（295m，已建國(guó)內(nèi)最高）、拉哇面板堆石壩（245m）等重大土石壩工程抗震安全評(píng)價(jià)。

本文依托某瀝青混凝土面板堆石壩，采用動(dòng)力彈塑性整體變形分析、局部滑移量分析方法[14-17]，闡明了強(qiáng)震下壩體頂部變形的漸進(jìn)發(fā)展規(guī)律；并基于作者等人提出的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則和指標(biāo)，探討了瀝青混凝土面板堆石壩的極限抗震能力。

1 工程概況

某抽水蓄能電站樞紐建筑物主要由上水庫(kù)、水道系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)和下水庫(kù)組成。工程等別為一等，規(guī)模屬大（1）型。工程場(chǎng)地的地震基本烈度為Ⅷ度，基巖超越概率P100=2%、P100=1%的水平向加速度峰值分別為0.45g和0.54g。

上水庫(kù)大壩采用瀝青混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)方案，正常蓄水位為1638.0m，死水位為1609.0m，最大壩高45.0m；大壩上下游坡比為1：1.75和1：1.70，筑壩材料主要分為墊層區(qū)、過(guò)渡區(qū)和堆石區(qū)；全庫(kù)盆采用瀝青混凝土面板作為防滲系統(tǒng)，面板厚度均為20.2cm，壩體典型斷面如圖1所示。

圖1 某瀝青混凝土面板堆石壩典型斷面Figure 1 Typical section of an asphalt concrete face rockfill dam

2 分析模型與計(jì)算參數(shù)

2.1 有限元分析模型

根據(jù)壩體典型斷面信息建立數(shù)值分析模型，為合理考慮無(wú)限地基與土石壩動(dòng)力相互作用，巖性地基上下游水平向截取長(zhǎng)度和豎向截取深度根據(jù)孔憲京等[18]給出的建議值選?。ū敬斡?jì)算取為1.2H）。有限元網(wǎng)格模型的單元數(shù)3025，節(jié)點(diǎn)數(shù)3112。瀝青混凝土面板與堆石體單元主要以四節(jié)點(diǎn)等參單元為主，兩者之間設(shè)置了接觸面單元[19]。圖2為有限元分析模型。

圖2 有限元分析模型Figure 2 Finite element analysis model

2.2 本構(gòu)模型及參數(shù)

基于非線性彈性理論的等效線性模型聯(lián)合應(yīng)變勢(shì)方法被廣泛用于土石壩動(dòng)力響應(yīng)和地震永久變形分析，相關(guān)研究表明該方法能較好地反映中、低強(qiáng)度地震下土石壩弱非線性動(dòng)力響應(yīng)特性[20]。在大壩極限抗震能力分析中，隨著地震強(qiáng)度增大，大壩將逐步進(jìn)入強(qiáng)非線性狀態(tài)，等效線性分析方法很難反映實(shí)際情況。為更真實(shí)地反映強(qiáng)震時(shí)大壩的強(qiáng)非線性特性，本次計(jì)算中堆石體、瀝青混凝土面板均采用鄒德高等人[14][21]發(fā)展的理論更嚴(yán)密的靜動(dòng)統(tǒng)一廣義塑性模型，計(jì)算參數(shù)通過(guò)筑壩材料三軸試驗(yàn)成果標(biāo)定獲得，列于表2中。此外，面板與墊層間接觸面采用劉京茂等[22]提出的廣義塑性接觸面模型，參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 筑壩料廣義塑性模型參數(shù)Table 2 Generalized plastic model parameters of dam materials

表3 面板與墊層接觸面廣義塑性模型參數(shù)Table 3 Parameters of generalized plastic interface model

2.3 地震動(dòng)輸入

由于該工程場(chǎng)地的地震基本烈度為Ⅷ度，永久性主要建筑物為1級(jí)建筑物，且壩址位于近場(chǎng)源地震區(qū)。根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 51247—2018）第5.1.2節(jié)規(guī)定[23]，豎向加速度峰值與水平向取值相同。本文采用地震波動(dòng)輸入方法[18，24-27]，以更合理地反映地震過(guò)程中大壩-無(wú)限地基的相互作用。

圖3為根據(jù)設(shè)定場(chǎng)地相關(guān)譜合成的地震動(dòng)時(shí)程曲線。為了研究大壩的極限抗震能力，地震水平峰值加速度包括0.45g（設(shè)計(jì)地震）、0.54g（校核地震）、0.60g、0.70g、0.80g、0.90g。

圖3 設(shè)計(jì)地震加速度時(shí)程曲線Figure 3 The acceleration history curves of design ground motion

3 有限元數(shù)值分析

本文計(jì)算采用作者等人自主研發(fā)的大型巖土工程有限元高性能分析軟件系統(tǒng)GEODYNA7.0[28]。下面將根據(jù)不同強(qiáng)度地震下大壩的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，從三個(gè)方面探討大壩的強(qiáng)震變形模式和極限抗震能力。

3.1 地震變形模式

圖4給出了加速度峰值為0.90g時(shí)壩體及防滲體震后變形模式示意圖。強(qiáng)震條件下瀝青混凝土面板堆石壩變形模式表現(xiàn)為：①壩頂發(fā)生豎向沉降且量值最大；②壩頂水平向偏下游變形；③壩體上部輪廓整體向內(nèi)收縮；④下游壩腳發(fā)生輕微鼓脹；⑤瀝青混凝土面板與上游壩坡變形整體協(xié)調(diào)，頂部面板與堆石間沿順坡向出現(xiàn)了較小錯(cuò)動(dòng)，量值為5.6cm。本文分析成果與土石壩實(shí)際震害[3][4]、振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)[29]定性規(guī)律基本一致。

圖4 上水庫(kù)地震后變形模式示意圖（變形放大10倍）Figure 4 Post-earthquake deformation pattern of the upper reservoir （ ten-fold magnification ）

3.2 壩頂震陷率

圖5給出了加速度峰值為0.90g時(shí)壩體震后變形分布規(guī)律，最大震陷變形出現(xiàn)在壩頂偏下游側(cè)附近的堆石體，最大值為51.0cm，相應(yīng)的震陷率為1.13%。表4統(tǒng)計(jì)了不同加速度峰值條件下大壩頂部堆石體的震陷極值，圖6給出了不同加速度峰值與震陷率的增長(zhǎng)關(guān)系曲線，可以看出：隨加速度峰值逐漸增加，壩頂堆石體震陷變形亦逐步增大，但增加的程度呈逐級(jí)減小的趨勢(shì)，這主要由于地震等外界荷載作用過(guò)程中，壩體內(nèi)部堆石料間的孔隙收縮、顆粒破損滑移等引起的壩體變形將逐步趨于穩(wěn)定，相關(guān)研究成果亦給出了類(lèi)似的觀點(diǎn)[20]。

圖5 壩體震陷分布規(guī)律（加速度峰值為0.90g）Figure 5 Distribution of dam earthquake subsidence（ peak acceleration is 0.90g ）

圖6 壩頂震陷量與地震加速度峰值的關(guān)系Figure 6 Relationship between dam earthquake subsidence and seismic acceleration peak

壩頂震陷是誘發(fā)大壩出現(xiàn)庫(kù)水漫頂、壩頂開(kāi)裂等破壞的主要原因，壩頂震陷率是評(píng)估高土石壩極限抗震能力的關(guān)鍵指標(biāo)，鄒德高等人[13]建議面板堆石壩的震陷率應(yīng)控制在1.1%以?xún)?nèi)。鑒于瀝青混凝土面板堆石壩的規(guī)模、庫(kù)容等一般不大，其潰壩風(fēng)險(xiǎn)及潰壩后的影響等相對(duì)于高面板堆石壩較?。磺覟r青混凝土面板的地形適應(yīng)性及柔韌性較好。因此，文獻(xiàn)[13]建議的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)用于確定瀝青混凝土面板堆石壩的極限抗震能力是合適的。本文基于該標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)表4給出的計(jì)算成果，確定出該瀝青混凝土面板堆石壩的極限抗震能力為0.80g～0.90g。

表4 不同加速度峰值下壩頂震陷率統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of dam earthquake subsidence rate under different acceleration peaks

3.3 壩坡累計(jì)滑移量

考慮阻滑鋼筋加固，采用滑移變形分析方法[17]，開(kāi)展了地震作用下壩坡穩(wěn)定分析。本次分析的壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果列于表5，可以看出：當(dāng)加速度峰值為0.90g時(shí)，壩坡累計(jì)滑移量為13.11cm，遠(yuǎn)小于面板堆石壩極限滑移量建議值1.2m[13]，故壩坡出現(xiàn)失穩(wěn)滑動(dòng)破壞的可能性很小。

表5 壩坡最小安全系數(shù)及累計(jì)滑移量Table 5 Minimum safety factor and cumulative slip of dam slope

3.4 瀝青混凝土面板拉應(yīng)變

相較于鋼筋混凝土面板，瀝青混凝土面板具有更好的柔韌性，大壩運(yùn)行過(guò)程中瀝青混凝土面板的受力性態(tài)相對(duì)較好。本文以瀝青混凝土面板的拉伸應(yīng)變作為評(píng)判防滲系統(tǒng)整體安全性態(tài)的主要指標(biāo)。表6給出了不同地震強(qiáng)度時(shí)地震后面板順坡向拉應(yīng)變極值，可以看出：當(dāng)輸入加速度峰值為0.90g時(shí)，瀝青面板的最大拉應(yīng)變?yōu)?.79%，小于材料的極限抗拉應(yīng)變（該工程采用的瀝青混凝土極限抗拉應(yīng)變值為2.41%），可以認(rèn)為防滲面板出現(xiàn)滲漏破壞的風(fēng)險(xiǎn)很低。

表6 地震后面板應(yīng)變極值Table 6 Extreme values of panel strain after earthquake

4 結(jié)論

本文基于考慮大壩—無(wú)限地基動(dòng)力相互作用的彈塑性整體變形分析、局部滑移量分析，開(kāi)展了強(qiáng)震作用下某瀝青混凝土面板堆石壩地震變形模式和極限抗震能力研究，主要結(jié)論包括：

（1）強(qiáng)震條件下瀝青混凝土面板堆石壩變形模式表現(xiàn)為：壩頂發(fā)生豎向沉降明顯、壩頂水平變形偏向下游、壩體上部輪廓整體向內(nèi)收縮、下游壩腳發(fā)生輕微鼓脹、瀝青混凝土面板與上游壩坡變形整體協(xié)調(diào)。隨著加速度峰值逐漸增加，壩頂堆石體震陷變形亦逐步增大，但增加的程度呈逐級(jí)減小的趨勢(shì)。

（2）基于作者等人提出的面板堆石壩極限抗震能力評(píng)判指標(biāo)，結(jié)合瀝青混凝土面板堆石壩受力特性，綜合基于壩頂震陷率、壩坡滑移量、面板拉應(yīng)變3項(xiàng)指標(biāo)確定了某瀝青混凝土面板堆石壩的極限抗震能力為0.80g～0.90g。同時(shí)計(jì)算表明，壩頂震陷率是瀝青混凝土面板壩極限抗震能力的主控指標(biāo)。

（3）廣義彈塑性模型可以較好地描述筑壩材料強(qiáng)震時(shí)非線性特性，實(shí)現(xiàn)了靜、動(dòng)力全過(guò)程統(tǒng)一分析，計(jì)算的大壩地震變形與實(shí)際震害規(guī)律一致，可為同類(lèi)瀝青混凝土面板堆石壩變形模式及極限抗震能力評(píng)價(jià)研究提供參考。