杨昕光，饶锡保，徐 晗，潘家军，左永振

（1.中国长江三峡集团有限公司，北京市 100038；2.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，湖北省武汉市 430010）

0 引言

在水电工程建设中，由于坝址地质条件的限制，往往需要在深厚覆盖层等地基条件上修建高土石坝[1，2]，而且受到经济、环境条件约束，不宜挖除覆盖层。如冶勒沥青混凝土心墙坝，最大坝高124.5m，覆盖层最大厚度达420m；瀑布沟心墙堆石坝，最大坝高186m，覆盖层厚度为78m；长河坝砾石土心墙堆石坝，最大坝高240m，覆盖层厚度为65～76.5m。

目前，深厚覆盖层上心墙堆石坝的防渗体系通常为心墙—廊道—防渗墙结构，但这种传统的结构型式容易造成防渗墙压力过大、施工周期长等困难[3]。考虑到缩短工期和方便运行期检修，提出了一种覆盖层上建心墙堆石坝的新型结构型式，即在坝基面处挖除表层部分覆盖层，浇筑混凝土盖板，在盖板内部设置廊道，以便在坝体填筑的同时进行防渗墙的施工和运行期的灌浆固结工作，可进一步提高坝基浅层处理质量与缩短工期以方便运行期检修，从而大为减少工程投资[3，4]。

这些建设在深厚覆盖层上的高土石坝一般位于我国水资源丰富的西部地区，同时，这一地区为地震高烈度区。所提的新型结构在大坝抗震安全设计等方面无成熟经验可借鉴，在设计、施工和运行中均存在极具挑战性的难题。因此，有必要通过动力有限元数值分析方法，研究深厚覆盖层上心墙堆石坝新型结构的动力响应特性，并分析其抗震安全性，以期为该类结构堆石坝的设计与施工提供参考和依据。

1 计算模型与参数

图1 大坝新型结构示意图Fig.1 Diagram for new structure of dam

研究依托我国西部拟建的某水电工程，大坝为砾石土心墙堆石坝，坝顶高程2108m，坝顶长1527m，坝顶宽18m，最大坝高238m。大坝上游坝坡为1∶2.25，在高程2020m设3m宽马道，在高程1936m（上游围堰顶高程）设10m宽马道，下游坝坡为1∶2，坡面上设“之”字形马道，马道宽12m，综合坡比1∶2.2。坝体主要由防渗心墙、反滤料、过渡料和坝壳堆石体组成。心墙顶高程2106m，顶宽7m，上、下游坡1∶0.2，最低建基面高程1885m，最大底宽95.4m。河床覆盖层为第四系冲积层，厚77～100m，主要为砂砾卵石和漂石，按地质年代、成因类型、物质组成及土体结构等特征，分为4个岩组，自上而下依次为Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ岩组。在河床覆盖层内设两道混凝土防渗墙，防渗墙厚1.2m，深入基岩1m。混凝土盖板位于覆盖层上半部，其上与心墙相连，最大高度15m，宽155.4m，由覆盖层中的防渗墙、混凝土盖板及以上的坝体形成完整的防渗体系，大坝新型结构示意图如图1所示。根据大坝设计剖面图建立三维有限元计算模型，采用8节点六面体单元或者6节点五面体单元进行网格剖分，局部采用4节点四面体单元，并在混凝土与土之间设置接触面，共剖分131547个单元，有限元计算网格见图2。

坝体和覆盖层的静力本构模型采用邓肯E-B模型[5，6]，计算参数见表1。动力本构模型采用等效线性黏弹性模型，最大动剪切模量Gmax可以表示为：

图2 有限元计算模型Fig.2 Finite element model

式中：σ0′为平均有效主应力，Pa为大气压，Gmax、σ0′、Pa采用同一量纲；km为系数，m1为指数，由试验测定，具体见表1。通过试验测得的动剪切模量比Gd/Gdmax与动剪应变γ，以及动阻尼比λ与动剪应变γ的关系见表2。坝体永久变形计算模型采用沈珠江计算模型[7]，具体参数见表3。计算中混凝土盖板与防渗墙均采用线弹性模型，密度取2.40g/cm3，弹性模量为30GPa，泊松比为0.18。

表1 E-B模型计算参数Tab. 1 Parameters of Duncan-Chang E-B model

表3 材料永久变形模型参数Tab. 3 Parameters for permanent deformation of rockfill materials

图3 地震波加速度时程(a)顺河向;(b)竖直向;(c)坝轴向Fig.3 Time history of seismic wave acceleration

静力计算中精确模拟了大坝的施工填筑过程和水库水位的蓄水过程，其中坝基初始应力场由自重应力构造。根据该大坝地形地质条件及地震安全性评价报告，选取P100=0.02的规范谱人工波，并将其反演为基岩地震输入波进行动力时程计算。通过反演后，水平向与坝轴向基岩地震波峰值为0.21g，竖直向基岩地震波峰值为0.14g。

2 大坝抗震安全性分析

2.1 大坝加速度与动位移响应

在P100=0.02规范谱人工波作用下，大坝最大加速度及动位移响应计算结果如表4所示，大坝最大横剖面顺河向最大加速度与东位移即分布图分别如图4和图5所示。由计算结果可知，大坝最大顺河向、坝轴向及竖直向加速度分别为0.34g、0.25g和0.23g，均位于坝顶，对应放大系数分别为1.2、0.9和1.2。大坝顺河向、坝轴向及竖直向动位移最大值分别为13.0、8.8cm及4.3cm，且各方向的动位移均随着坝体高程的增加而增大，在坝顶达到最值。图6为坝体最大剖面中轴线上绝对反应加速度沿坝高的分布趋势图，其中虚线所示为坝基面与覆盖层的交界处。由此看出，反应加速度在覆盖层部位有明显的衰减现象。这是由于本工程坝基覆盖层较为深厚，阻尼比较大，致使自由场地表（即坝体与坝基交界面处）的反应加速度小于基岩处的加速度，因而坝体内加速度反应较小。

图4 大坝最大横剖面顺河向最大加速度分布图（单位：g）Fig.4 The maximum acceleration in transverse（unit：g）

图5 大坝最大横剖面顺河向最大动位移分布图（单位：cm）Fig.5 The maximum dynamic displacement in transverse（unit：cm）

图6 坝体中轴线处最大加速度沿坝高分布趋势图Fig.6 The maximum acceleration along axial line of dam

表4 大坝最大加速度与动位移响应Tab.4 The maximum acceleration and dynamic displacement of the dam

2.2 混凝土防渗墙与盖板的动应力响应

作为大坝新型结构防渗体系的一部分，混凝土防渗墙与盖板如在地震动的作用下，其应力超过强度允许值，将引起大坝防渗体系失效，危及大坝的整体安全性。因此，有必要分析在地震工况下防渗墙与盖板的动应力响应。图7为防渗墙竖直向最大动应力变化云图。由此可知，防渗墙竖直向最大动压应力为1.42MPa，最大动拉应力为1.41MPa。从防渗墙应力分布情况来看，地震过程中，竖直向最大瞬时动拉应力基本出现在其中部位置，该部位在震前为压应力区域，且混凝土动态抗拉强度的标准值可较其静态标准值提高20%[8]，因此动静叠加后，防渗墙拉应力不会超过其强度允许值。盖板竖直向最大动压应力为2.62MPa，最大动拉应力为1.20MPa，限于篇幅，本文没有给出盖板最大动应力的分布图。同理，动静叠加后，盖板应力在强度允许值范围之内，因此，分析认为混凝土防渗墙和盖板在地震工况下均具有足够的安全性。

图7 防渗墙竖直向动应力变化云图(a)最大动压应力;(b)最大动拉应力Fig.7 Contour plot for vertical dynamic stresses of diaphragm wall

图9 坝坡抗滑稳定安全系数时程曲线(a)上游坝坡;(b)下游坝坡Fig.9 Time history of stability safety factors of dam slopes

2.3 大坝地震永久变形

图8为大坝地震永久变形示意图。由图可见，大坝以沉陷变形为主，且坝体轮廓是向内部收缩，这主要是因为堆石料在高围压下及地震荷载联合作用下发生颗粒破碎及重组，产生了塑性体积变形，这符合土石坝震后变形的实测规律。根据计算结果，坝体沉陷在坝顶部靠上游面达到最大，最大值为81.2cm，约为坝高的0.34%。同时，大坝向下游水平永久变形也很显著，最大值为49.7cm。根据土石坝实际震害调查[9，10]，一般认为最大震陷超过坝高的1%时可产生明显震害，并可能导致严重后果。因此，分析认为上述地震不足以产生使坝体难以承受的变形。

图8 大坝地震永久变形示意图（变形放大50倍）Fig.8 The permanent deformation of the dam

2.4 大坝坝坡地震稳定性

采用动力有限元法[11，12]对大坝坝坡的地震稳定性进行了计算分析，图9给出了上、下游坝坡稳定系数的时程曲线。由计算结果可见，在地震过程中，上、下游坝坡的最小安全系数分别为1.16与1.10，最小安全系数均大于1.0。可见上、下游坝坡在地震过程中是稳定的。

3 结论

依托我国西部拟建的某水电工程，对提出的深厚覆盖层上心墙堆石坝新型结构进行了有限元动力分析，并对其抗震安全性进行了评价，主要得到以下几点结论：

（1）大坝顺河向最大顺河向、坝轴向及竖直向加速度分别为0.34g、0.25g和0.23g，均位于坝顶，对应放大系数分别为1.2、0.9和1.2；最大动位移分别为13.0cm、8.8cm及4.3cm。

（2）地震过程中，防渗墙竖直向最大动压应力为1.42MPa，最大动拉应力为1.41MPa；盖板竖直向最大动压应力为2.62MPa，最大动拉应力为1.20MPa，由于混凝土动态强度较静态强度有一定的提高，因此分析认为，动静叠加后，防渗墙和盖板应力在强度允许值范围之内，具有足够的抗震安全性。

（3）地震作用后，大坝整体发生了震陷与向下游的水平永久变形，且坝体轮廓是向内部收缩的。由计算结果可知，坝顶最大震陷量为81.2cm，约占坝高的0.34%，设计时应预留足够的地震附加沉降。

（4）大坝坝坡抗震稳定性分析表明，在地震过程中，上下游坝坡的最小安全系数均大于1.0，可认为坝坡在地震过程中是处于稳定状态的。

（5）综上，可认为深厚覆盖层上高心墙堆石坝新型结构在P100=0.02的规范谱人工地震波作用下具有足够的抗震安全性，其在受力性能、施工组织上是较为积极的处理方式，具有一定的应用前景。

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