郭丽娜，曹学兴，陈 豪

(1.云南工商学院， 云南 昆明 651701；2.华能澜沧江水电股份有限公司， 云南 昆明 650214)

白河土坝、石门水库土坝、陡河水库土坝，Van Norman Dam、Lower San Fernando Dam和Upper San Fernando Dam等[1-7]国内外多座土石坝工程都出现了震损破坏，其中石门水库土坝的滑坡[8]，Lower San Fernando Dam和Upper San Fernando Dam大规模的坍滑[9]，均出现在振动停止后。因此考虑振动孔隙水压力的有效应力法才能准确计算和评价土石坝的抗震性能，本文研究提出了一个超孔隙水压力计算模型，并编制相应的计算程序应用到某高心墙堆石坝工程中，得到了地震作用下坝体超孔隙水压力的演变分布规律。

1 超孔压计算模型及验证

目前，针对高心墙堆石坝掺砾土料和砂砾石料振动孔隙水压力的演变规律仍研究较少。张茹等[10]通过试验得出：心墙防渗黏性土和坝基砂砾石动孔压增长的规律与砂土有明显的不同，会随振动周数、强度的增加而增加，黏性土不会出现液化现象，砾石土取决于固结比等试验条件。因此在高土石坝的计算中，动孔压的计算不宜采用根据砂土试验得出的Seed等动孔压计算模型。

1.1 超孔压计算模型

根据多座土石坝工程掺砾黏土，砾石土等土料动孔压增长的一般规律，提出超孔压计算模型：

(1)

式中：a、b、c为试验曲线拟合参数。

其中：

(2)

(3)

(4)

式中：a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3均为试验曲线拟合参数。

1.2 超孔压模型的合理性验证

某高心墙堆石坝在工程设计时，开展了筑坝材料动力特性试验，试验得到不同剪应力比条件下，随振次的增加动孔压的增长情况[11]，如图1所示，通过图1可以看到，提出的超孔压模型可以非常好拟合该工程孔压增长试验情况。心墙料和反滤料拟合系数均在0.99以上。超孔压模型可以用于高心墙堆石坝抗震计算分析，以研究超孔隙水压力的演变分布规律。

2 高心墙堆石坝超孔压演变规律分析

Hardin-Drnevich模型不能较好的反映围压效应，结合改进的材料动力模型及超孔压模型[12]编制相应的程序，并应用于设防烈度为9°，某高240 m的高土石坝。

2.1 有限元模型及计算参数

有限元计算模型选取了部分基岩、坝基覆盖层及大坝整体，如图2所示。

图1 某高心墙堆石坝筑坝材料动孔压

图2 有限元计算模型图

首先进行静力计算作为初始状态，静力计算考虑了填筑及蓄水过程，坝体与覆盖层采用邓肯E-μ双曲线模型。动力计算分时段进行，材料动力特性和超孔隙水压力计算参数见文献[12]和文献[6]，等效振动次数根据Martin等[13]的研究成果确定。

2.2 地震波

通过SHAKE91程序反演后，坝基水平向基岩地震波峰值为0.29g，地震计算时长30 s。各方向地震波时程如图3所示。

图3 三向地震时程

2.3 地震过程中超孔隙水压力增长情况

图4给出了震中不同时刻坝体内部超孔隙水压力的分布情况。在地震发生不同时刻超孔隙水压力分布规律基本一致，孔压值从上到下不断增大，上游反滤层超孔压值小于心墙内部，心墙底部靠上游侧超孔压值最大。由于没有考虑排水效应，超孔隙水压力随振动时间的增长不断积累，地震停止前超孔压值最大为1 482.5 kPa。

图5给出了地震过程中5个特征点超孔隙水压力增长过程线。上游反滤层顶部附近动剪应力比较大，短时间内，超孔隙水压力会有显著增长，之后超孔隙水压力基本稳定。其他部位地震过程中超孔隙水压力呈不断增大趋势，地震振幅较大时超孔隙水压力增幅较大，地震振幅较小时孔压值增长幅度较为平缓。

图6给出了心墙和上游反滤层动孔压比分布情况。随着地震时间的累积，超孔压比呈现不断增大的趋势。在5 s时，超孔压比较小，基本在0.3以下，在15 s时，心墙顶部超孔压比达到0.5以上，上游反滤层顶部超孔压比达到0.7以上；之后地震振幅变小，超孔压比的增长随着超孔隙水压力增长变缓也变缓，地震结束前上游反滤层顶部超孔压比达到0.8，工程设计中应适当改善上游反滤层顶部材料特性，提高抗液化性能。

图4 心墙和上游反滤料超孔隙水压力(单位：kPa)

图5 超孔隙水压力在地震过程中的增长过程

图6 心墙和上游反滤层超孔压比

2.4 震后超孔隙水压力消散和扩散

图7为地震发生后48 h内大坝超孔隙水压力分布情况。地震结束后，超孔隙水压力整体表现为随着时间的延长孔压值减小，超孔压整体处在消散趋势中，孔压值减小的幅度与坝体材料渗透系数关系密切，心墙上部渗透系数较小其超孔隙水压力消散较慢，震后48 h超孔隙水压力仍有250 kPa。

超孔隙水压力的消散伴随着扩散现象，导致部分区域孔压先增长后降低。地震停止初期，上下游靠排水边界处，超孔隙水压不断降低，心墙内部孔压出现了增大的现象，当超孔压在心墙内部达到最高之后超孔压的演变将以消散为主导。对于这种现象的机理，党发宁等[14]进行了阐释。当心墙内部超孔压最大时，收缩作用达到顶峰，之后消散占主导，心墙内部超孔隙水压力也将不断下降。工程算例中，心墙上部和下部采用了两种不同渗透系数的材料，地震后1 h，在渗透系数较高的心墙底部超孔压值达到最大，之后孔压最大值向渗透系数小的上部移动，地震后6 h，心墙上部孔压值达到最大。

图7 震后大坝超动孔隙水压力(单位：kPa)

3 结 论

传统的超孔压模型多根据砂土提出，与高心墙堆石坝坝料孔压增长规律不符。本文提出了一种计算黏性土、砂砾石土等超孔压的新模型，并应用于高土石坝动力响应的计算分析中。计算得到高心墙堆石坝坝体孔隙水压力在地震过程中及震后演变分布规律：

(1) 地震过程中，坝内超孔隙水压力和超孔压比不断增大，增长的幅度与地震振幅密切相关，超孔压值最大的部位一般在上游反滤层顶部，是土石坝抗震薄弱部位，工程设计中应采取一定工程措施。

(2) 地震结束后，超孔隙水压力整体表现为随着时间的延长孔压值减小，超孔压整体处在消散趋势中，孔压值减小的幅度与坝体材料渗透系数关系密切，但超孔隙水压力在消散中还伴随着扩散现象，导致部分区域孔压先增长后降低，也解释了有些工程在地震后发生破坏的原因。