楊 貴， 陳轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)， 胡先鴻

（1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，南京 210024；2.河海大學(xué)安全與防災(zāi)工程研究所，南京 210024）

土石壩因結(jié)構(gòu)簡單、就地取材、施工方便等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于具有豐富水資源的西南地區(qū)［1］，而該地區(qū)多位于斷裂帶附近，地質(zhì)條件較差，存在大量的深厚覆蓋層場地且地震頻發(fā)，故加強土石壩的動力響應(yīng)分析尤為重要［2-4］.

已有研究表明深厚覆蓋層的存在對壩基壩體的加速度響應(yīng)有所影響. 如方火浪等［5］利用有效應(yīng)力法研究了強震作用下壩體和地基的加速度響應(yīng)情況；王翔南等［6］采用黏彈性模型-等效線性化方法對國內(nèi)某擬建的深厚覆蓋層土石壩進(jìn)行了加速度響應(yīng)分析；余挺和邵磊［7］、楊正權(quán)等［8］通過數(shù)值分析研究了深厚覆蓋層的存在對壩基加速度響應(yīng)的影響.

除此之外，在實際工程中土石壩可能會受地形條件的限制，不可避免地建設(shè)在距離斷層較近的區(qū)域. 如2008年汶川地震中近斷層地震動對結(jié)構(gòu)造成的嚴(yán)重破壞受到工程界和眾多學(xué)者的關(guān)注［9］. 近斷層一般表示斷層距小于20 km的區(qū)域范圍［10-13］. 在近斷層地震作用下，因其具有明顯的速度脈沖性、上盤效應(yīng)性以及方向性等特征［14］，使得構(gòu)建物受到了嚴(yán)重的破壞，其中比較有名的近斷層地震有Kobe地震和Chi-Chi地震等［15］.目前對近斷層波的判斷方法不一，大多數(shù)學(xué)者主要基于地震動的峰值速度（PGV）與峰值加速度（PGA）的比值不小于0.2進(jìn)行判斷［16］，且PGV/PGA越大，其速度脈沖效應(yīng)越大，特征周期越長［17］. 基于此，梅偉等［18］研究近斷層地震動對心墻堆石壩動力響應(yīng)的影響；鄒德高等［19］研究近斷層地震動對面板堆石壩變形和應(yīng)力的影響；張社榮等［20］研究了近斷層地震的方向性以及脈沖型對土質(zhì)邊坡動力響應(yīng)的影響. 然而這些研究都是基于基巖土石壩，并未考慮深厚覆蓋層對土石壩的影響，也沒有考慮不同地震波類型對其動力響應(yīng)的影響. 因此開展不同地震波作用、不同影響因素改變下深厚覆蓋層土石壩的動力響應(yīng)研究是十分必要的.

本文以新疆某地區(qū)距離斷層較近的深厚覆蓋層上擬建的土石壩為研究對象，分析近斷層地震動（NFM）和遠(yuǎn)斷層地震動（FFM）作用下覆蓋層和壩體加速度分布規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上研究加速度峰值、覆蓋層厚度、覆蓋層強度特性、軟弱夾層等因素對覆蓋層和壩體加速度響應(yīng)的影響.

1 數(shù)值模型及參數(shù)

擬建工程位于新疆阿克蘇地區(qū)，壩高28 m，壩頂寬8 m，上游壩坡1∶3，下游壩坡1∶2，正常蓄水位為27 m，壩基砂礫石覆蓋層厚度為100 m. 上游采用混凝土面板+復(fù)合土工膜，庫底采用復(fù)合土工膜防滲. 采用有限差分軟件FLAC3D建立單位寬度模型進(jìn)行分析. 為簡化模型，砂礫覆蓋層厚度取100 m，模型寬444 m. 為了消除邊界尺寸和波的反射影響，邊界為自由場，數(shù)值模型及監(jiān)測點位置（壩體測點豎向距離為7 m/個，覆蓋層則為20 m/個；上游測點U，下游測點D，壩軸線測點A）如圖1所示. 單元數(shù)為2320，節(jié)點數(shù)為4896. 堆石和覆蓋層土體采用摩爾庫倫模型，具體參數(shù)如表1示. 分析過程中未考慮混凝土面板，復(fù)合土工膜采用土工格柵結(jié)構(gòu)模擬，彈性模量為3.6×108Pa，泊松比為0.25. 動力計算中地震波從模型底部輸入，采用局部阻尼，阻尼比取5%.

表1 土體參數(shù)Tab.1 Soil parameters

圖1 計算模型和測點位置Fig.1 Calculation model and measuring point locations

本文選取一條近斷層波（NFM）和一條遠(yuǎn)斷層波（FFM）進(jìn)行分析. FFM取自1952年Taft地震，震中距為41.45 km，PGV/PGA=0.058；NFM 取自1979 年Imperial Valley 地震，震中距為7.31 km，PGV/PGA=0.267；地震波時間間隔為0.02 s，震動持續(xù)時長為15 s. 由于該工程處于八度設(shè)防烈度場地，因此地震動峰值加速度為0.2g（g為重力加速度，下同），此時對應(yīng)的波形及加速度放大系數(shù)（典型周期的加速度與加速度峰值0.2g的比值）反應(yīng)譜如圖2和圖3所示. 從圖3可以看出近斷層地震動的反應(yīng)譜有較寬的加速度敏感段，可能會引起大壩較高的加速度響應(yīng).

圖2 地震動加速度時程Fig.2 Time histories of ground motion accelerations

圖3 地震動加速度放大系數(shù)反應(yīng)譜Fig.3 Response spectrum of ground motion acceleration magnification

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 加速度峰值影響

加速度峰值對壩體的動力響應(yīng)有顯著影響. 圖4 和圖5給出了加速度峰值為0.2g時壩軸線處頂點A1和建基面A5的加速度和速度響應(yīng). 由圖4可知FFM作用下測點加速度和速度響應(yīng)的最大值均出現(xiàn)在壩頂，其中測點A1和A5 加速度極值相差0.11g，速度極值相差0.08 m/s. 此時速度響應(yīng)持續(xù)增加周期段為3.27～3.56 s，持時0.29 s；在圖5中NFM作用下測點的加速度和速度響應(yīng)也表現(xiàn)出此規(guī)律，且數(shù)值均大于FFM，其中測點A1 和A5 對應(yīng)差值分別為0.12g 和0.25 m/s，速度響應(yīng)持續(xù)增加周期段為9.75～11.41 s，周期段響應(yīng)持續(xù)增加，持時1.66 s. 這是由于NFM具有較強的速度持續(xù)脈沖效應(yīng)導(dǎo)致的.

圖4 FFM作用下測點加速度和速度的響應(yīng)Fig.4 Responses of accelerations and velocities of measure points under the action of FFM

圖5 NFM作用下測點加速度和速度響應(yīng)Fig.5 Responses of accelerations and velocities of measure points under the action of NFM

圖6給出了加速度峰值為0.2g時覆蓋層不同位置處的加速度響應(yīng)情況（h1為覆蓋層厚度，z為對應(yīng)測點的坐標(biāo)）. 從中可以看出不同地震動作用下覆蓋層的加速度響應(yīng)趨勢存在不同. FFM作用下上下游的加速度響應(yīng)總體是隨著高程的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，而壩軸線處則一直減小，在建基面處的放大系數(shù)β（建基面的加速度與輸入值的比值）均小于1，即出現(xiàn)衰減現(xiàn)象. NFM作用下不同位置處的加速度響應(yīng)整體來說是隨著高程的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，在建基面處的放大系數(shù)β大于1. 出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是覆蓋層的存在對以高頻為主的FFM 的濾波能力較強導(dǎo)致的. 在振動過程中，不同地震動作用下上游、壩軸線和下游的加速度響應(yīng)規(guī)律有所區(qū)別. 其中FFM作用下上下游加速度響應(yīng)程度類似，壩軸線處加速度響應(yīng)最小；NFM作用下下游處加速度響應(yīng)最大，上游處次之，壩軸線處最小（如0.1g NFM作用下的上、下游及壩軸線處的加速度響應(yīng)值分別為0.178g、0.153g和0.125g）. 這是由于覆蓋層對FFM的吸收強于NFM導(dǎo)致其建基面處的加速度響應(yīng)情況受其上部荷載的影響很小，而NFM受上部荷載的影響較大，即上部荷載的存在限制了壩基地震作用下的響應(yīng)程度：模型中下游處不存在荷載，上游僅有水荷載，而壩軸線處除了水荷載的作用還存在壩體的自重. 且可以注意到FFM作用下不同位置處的響應(yīng)從-80 m后出現(xiàn)不同，而NFM則從底部輸入后就出現(xiàn)不同程度的差距.

圖6 0.2g下壩基不同位置處加速度分布Fig.6 Acceleration distributions of different locations of dam foundation under 0.2g

當(dāng)考慮地震動下不同加速度峰值時（加速度a取0.1g、0.2g和0.3g），壩基的加速度響應(yīng)變化規(guī)律與0.2g規(guī)律相同，但數(shù)值有所變化. 總體來說，地震動加速度峰值越大，壩軸線建基面處的β越?。é耡=0.1g 為0.1g作用下建基面的加速度放大系數(shù). 其中FFM 作用下βa=0.1g=0.22、βa=0.2g=0.22 和βa=0.3g=0.21，NFM 作用下βa=0.1g=1.25、βa=0.2g=1.20和βa=0.3g=1.15）. 該結(jié)論與余挺得出的結(jié)論一致［7］.

不同加速度峰值下，壩軸線處加速度放大系數(shù)α（壩軸線上測點加速度與建基面處加速度比值）的分布規(guī)律如圖7所示（h為壩高，z為測點坐標(biāo)）. 從中可知不同地震動作用下壩軸線處加速度放大系數(shù)變化規(guī)律相似，即隨著高程的增大而增大. 且NFM作用下的放大系數(shù)小于FFM，主要是因為覆蓋層的“消減”作用導(dǎo)致的. 另外隨著加速度峰值的增大，覆蓋層與壩體的非線性特性增強，阻尼也就越大，即壩頂處的α呈現(xiàn)出整體下降的趨勢［1］. 其中在NFM 作用下壩頂?shù)摩帘纫?guī)范［21］建議值小（αa=0.1g=1.46、αa=0.2g=1.43 和αa=0.3g=1.42）；FFM作用下α則比規(guī)范建議值大（αa=0.1g=3.56、αa=0.2g=3.51和αa=0.3g=3.46）.

圖7 不同加速度峰值下壩體軸線放大系數(shù)分布Fig.7 Distributions of magnification factors of dam axis under different peak accelerations

2.2 覆蓋層厚度影響

當(dāng)覆蓋層厚度（覆蓋層厚度hf取50 m、100 m和150 m）增大時，土層累計的阻尼變大，地震吸收的能量增多從而造成FFM和NFM作用下壩軸線建基面處β表現(xiàn)出非線性減小(βhf=50為覆蓋層厚度為50 m時建基面處加速度放大系數(shù). 其中FFM 作用下βhf=50=0.50、βhf=100=0.22 和βhf=150=0.15；NFM 作用下βhf=50=2.25、βhf=100=1.20和βhf=150=1.19）；但壩頂處的α值卻表現(xiàn)出逐漸增大的規(guī)律，這是由于覆蓋層厚度的增加對建基面處加速度響應(yīng)的弱化程度較明顯導(dǎo)致的，即雖然壩體頂部的加速度也是隨著厚度的增大而減小，但這種弱化的程度并不強烈從而造成了壩頂?shù)摩脸尸F(xiàn)出增大的現(xiàn)象. 此外，覆蓋層厚度的改變并不影響壩基壩軸線及壩體加速度響應(yīng)與高程的關(guān)系：FFM作用下壩基壩軸線的加速度響應(yīng)仍然是隨著高程的增大而減小，NFM 作用下則是隨著高程的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，且土石壩壩體的加速度響應(yīng)也同樣是隨著壩體高程的增大而增大.

圖8 給出了不同覆蓋層厚度下建基面測點A5 和 壩 頂 測 點A1 的PGV/PGA 放大系數(shù)情況（壩頂放大系數(shù)等于壩頂?shù)腜GV/PGA 與建基面的PGV/PGA的比值）. 從中可以看出不同地震波作用下建基面和壩頂處的PGV/PGA變化規(guī)律類似，即隨著覆蓋層厚度的增加，PGV/PGA放大系數(shù)呈現(xiàn)出非線性增長的趨勢. 另外可以注意到由于FFM在輸入時具有較小的PGV/PGA 導(dǎo)致其建基面處放大系數(shù)擬合線的斜率大于NFM 作用下的斜率，此時放大系數(shù)數(shù)值均大于1；由于壩體材料對以低頻為主的FFM 吸收強于NFM 導(dǎo)致其壩頂處的放大系數(shù)擬合線斜率同樣也大于NFM作用下的斜率，此時放大系數(shù)數(shù)值均小于1.

圖8 不同覆蓋層厚度下測點的PGV/PGAFig.8 PGV/PGA of measure points under different overburden thickness

2.3 覆蓋層土層參數(shù)影響

當(dāng)覆蓋層彈性模量（彈性模量E取30、40、50 MPa）增大時，壩基的剛度有所提升，覆蓋層對地震波能量的“吸收”程度降低從而使壩軸線建基面處的加速度響應(yīng)表現(xiàn)為逐漸增大的趨勢（βE=30為彈性模量為30 MPa時建基面的加速度放大系數(shù). FFM 作用下βE=30=0.20、βE=40=0.22 和βE=50=0.28；NFM 作用下βE=30=1.16、βE=40=1.23和βE=50=1.56）；但壩頂放大系數(shù)α逐漸減弱，這是因為彈性模量的增加導(dǎo)致建基面處加速度響應(yīng)強于壩頂?shù)募铀俣软憫?yīng)；此時對應(yīng)建基面和壩頂處PGV/PGA放大系數(shù)呈現(xiàn)出非線性降低的趨勢，且NFM作用下建基面和壩頂處放大系數(shù)及其擬合線斜率仍然小于FFM作用下的數(shù)值.

2.4 軟弱夾層影響

軟弱夾層因其力學(xué)參數(shù)明顯小于周圍土體參數(shù)從而導(dǎo)致構(gòu)建物的反應(yīng)規(guī)律有所變化，因此有必要研究軟弱土層的存在對土石壩以及壩基加速度的影響. 圖9給出了加速度峰值0.2g，不同軟弱夾層厚度（軟弱夾層厚度hs取無軟弱夾層厚0 m、-40～-50 m處10 m厚和-40～-60 m處20 m厚）壩基覆蓋層壩軸線測點A5～A10的加速度響應(yīng)情況. 可以看到FFM作用下壩基建基面處的加速度響應(yīng)隨著高程的增大而減小，NFM則整體呈現(xiàn)出先減小再增大的趨勢. 隨著軟弱夾層厚度的增大，壩基建基面處放大系數(shù)β逐漸降低(βhs=0為無軟弱夾層時建基面的加速度放大系數(shù). FFM作用下βhs=0=0.22，βhs=10=0.20，βhs=20=0.18；NFM作用下βhs=0=1.20，βhs=10=1.14，βhs=20=1.09)，這是因為軟弱夾層力學(xué)性質(zhì)更差，吸收更多的地震能量起到“隔震”作用，從而使得壩基的加速度呈現(xiàn)出下降的規(guī)律. 且可以看到當(dāng)軟弱夾層存在時，其深度附近的加速度出現(xiàn)不同程度的衰減，其中當(dāng)軟弱夾層厚度為20 m時，NFM 作用下壩軸線軟弱夾層處的加速度響應(yīng)從0.094g減少至0.049g，衰減了47.8%，進(jìn)一步說明了軟弱夾層的存在對地震波的“隔震”作用更明顯.

圖9 不同軟弱夾層厚度下壩基壩軸線加速度分布Fig.9 Acceleration distributions of dam foundation axis under different thickness of weak intercalations

為了研究軟弱夾層（軟弱夾層厚度均取為20 m 厚，位 置 分 別 為-20～-40 m、-40～-60 m、-60～-80 m 和-80～-100 m）位置對覆蓋層壩基加速度響應(yīng)的影響，以壩基壩軸線10 m 為一測點進(jìn)行分析，各測點的加速度響應(yīng)情況如圖10 所示. 總體來說，F(xiàn)FM作用和NFM 作用下壩基建基面處的加速度響應(yīng)均是隨著軟弱夾層高程的增大而增大，其中FFM作用下壩基建基面處的加速度響應(yīng)受軟弱夾層厚度的影響較小，最大差值僅為0.003g，接近于0；而NFM作用下則受位置影響較為明顯，此時測點加速度最大差值為0.041g. 這是由于覆蓋層對FFM地震動的“消減”較強導(dǎo)致的.

圖10 軟弱夾層不同位置下壩基壩軸線的加速度分布Fig.10 Acceleration distributions of dam foundation at different locations of weak intercalations

3 結(jié)論

本文以新疆某地區(qū)深厚覆蓋層近斷層土石壩為例，考慮不同地震動作用下（FFM和NFM），不同因素改變對壩體和壩基覆蓋層加速度響應(yīng)特性的影響，得出如下主要結(jié)論：

1）NFM較大的速度脈沖特性使壩基和壩體的加速度、PGV/PGA和速度脈沖持時均大于FFM作用下的數(shù)值. 且隨著加速度峰值增大，建基面放大系數(shù)β、壩頂放大系數(shù)α越小.

2）隨著覆蓋層厚度的減小、彈性模量的增大，建基面處的加速度放大系數(shù)β增大，壩頂處放大系數(shù)α和PGV/PGA的放大系數(shù)減小，且FFM作用下PGV/PGA放大系數(shù)的變化斜率均大于NFM作用下的數(shù)值.

3）隨著覆蓋層中軟弱夾層厚度的增大，建基面處的加速度放大系數(shù)β變小，壩頂處放大系數(shù)α增大；軟弱夾層位置的改變對FFM作用下壩基建基面處的加速度響應(yīng)影響較小，而對NFM影響較大. 建基面處的加速度響應(yīng)總體表現(xiàn)為隨著軟弱夾層高程的增大而增大的規(guī)律.