高地震烈度区地震动力响应边坡高度效应研究

2022-11-10周驰词吴昊宇张秋霞

四川建筑 2022年5期

周驰词，吴昊宇，张秋霞

(四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川成都610041)

我国西南地区输电线路多从高地震烈度区穿过，主要在崇山峻岭中走线，塔位所处地形陡峻，地质构造复杂，地形地貌条件恶劣。2008年5月12日，川西北龙门山断裂带发生了震惊中外的“汶川8.0级特大地震”，地震震中烈度为11度。2013年4月20日，四川省雅安市芦山县发生7.0级地震，震中烈度为9度。2次地震均为高烈度地震，给该区电网工程造成了极大的破坏。

目前地震作用下边坡动力响应研究的方法最常用的是物理模拟方法和数值模拟方法。物理模拟方法有离心机振动台试验、震动台试验及爆破试验[1]，主要采用均质岩质边坡、层状边坡、基覆边坡、不同岩性组合边坡、不同形态边坡的模型[2-8]，改变坡高、坡度、坡向，通过输入不同地震波类型、频率和振幅，研究边坡的地震动力响应特征。而随着计算机技术的逐步发展，多数学者[9-11]对边坡动力反应的位移、速度、加速度三量分布规律进行了大量的数值模拟，研究了边坡动力反应三量在边坡剖面上的分布规律及影响因素，并对变形破坏机理进行了初步探讨[12-14]。

以往工作主要针对低烈度区采用水平地震波进行研究，得出边坡地震动峰值加速度放大系数顺坡面向上单调增大，但对强震区震害调查及地震剖面监测数据整理发现，地震动峰值加速度放大系数随坡高并不是单调增大，而是选择性地放大。本文基于汶川震区输电线路场地破坏调研成果，建立强震区陡坡地形带场地概化模型，考虑水平地震波和竖向地震波耦合作用的情况，进行场地地震效应的数值模拟，从剪应变增量和边坡动力峰值加速度放大系数2个方面探讨强震区地震动力响应边坡高度效应，并确定不同坡高的临界变化高度，用以指导输电线路路径选择及塔位选址。

1 边坡动力分析模型及参数选取

1.1 计算模型与边界条件

通过对汶川地震、芦山地震震害资料的收集，基础(以桩基础为主)的震害与场地震害相比相对较少，主要是由于桩基的震害破坏往往是受场地及地基形式的影响，其对周围环境比较敏感，尤其在西南高陡边坡，地震作用下，场地最容易出现失稳破坏，基础本身在地震中受到的损伤极少。根据地貌类型不同，震害主要发育在高中山斜坡中上部(占震害总体的33.33%)，坡度主要为26°～35°，占灾害发育总数46%。

综合上述调研成果，运用FLAC3D软件建立陡坡的概化模型。将基准方案中模型边界按照文献[15]建议进行建模。本构模型和屈服准则分别采用理想弹塑性本构模型和Mohr-Coulomb强度准则。首先假定坡体由同一种均质材料构成，坡度45°，地震波入射方向与坡面方向相同，改变坡高，了解坡高变化对边坡动力反应规律的影响。

然后针对西南地区常见边坡岩土体类型来改变坡体材料，重复上述坡高的变化过程，了解岩土体材料对边坡动力反应规律的影响。具体方案见表1。岩土体参数见表2。基准模型见图1。底部边界约束位移，顶部边界为自由边界；侧向边界设定水平向为位移约束；地震力作用时模型周围边界选取自由场边界，自由场网格的不平衡力施加到主体网格的边界上。

表1 模拟方案

为了便于表达，将加速度放大系数η定义为坡内任意一点E的动力反应加速度峰值与坡脚C点加速度峰值AC的比值，该点的加速度放大系数就可以表示为式(1)。

表2 物理力学参数

图1 基准模型示意

η=AE/AC

(1)

在模型中截面的坡面线上，从坡脚起，每隔一定距离高程设置一个监测点，50 m坡监测点见图2，100 m、200 m、300 m坡中h分别为10 m、20 m、30 m，根据具体情况可加密监测点。

图2 50m高边坡监测点布设

模型中加速度以与坐标轴正向一致为正，反之为负；应力以拉应力为正，压应力为负，剪应力正向的约定与弹性力学中一致，后续计算相同。

1.2 地震波确定

由于汶川地震发生在地形条件极为复杂的中、高山地区，地面振动响应极为强烈，本文主要研究高地震烈度区陡峻边坡场地的地震效应，根据中国地震烈度表(GB/T17742)[16]的相关内容，高地震烈度为Ⅵ-Ⅹ度，加速度峰值为0.45～14.1m/s2，速度峰值为0.06～1.41m/s，具体见表3。

因此，选取汶川卧龙台地震波作为动力加速度输入计算，且地震产生的垂向峰值加速度基本等于水平向峰值加速度，为此本次计算考虑水平地震波和竖向地震波耦合作用的情况，采用SeismoSignal对地震波进行滤波及截取处理。计算地震波截取地震作用历时25 s，单位时间步长0.02 s ，处理后时程波形见图3，滤波后水平/竖向地震波加速度在10.05 s时达到最大值6.08g。

表3 中国地震烈度表(GB/T17742)(节选)

图3 地震波加速度时程曲线

2 剪应变增量云图

利用三维数值计算得出的剪应变增量，即考虑了土体内部的应力应变关系、边坡破坏的发生和发展过程和应力历史对边坡的影响。同时也可以通过最大剪应变增量找出坡体内薄弱部位，确定最危险滑动范围[19]。图4～图6不同边坡地震剪应变增量云图。

图4 岩质边坡

图5 薄覆盖层边坡

图6 厚覆盖层边坡

动力荷载的作用下，斜坡不同部位剪应变增量为：

(1)岩质边坡

坡肩处：300 m>200 m≈100 m≈50 m

坡表中部：300 m>200 m≈100 m≈50 m

坡脚处：300 m>200 m≈100 m≈50 m

(2)薄覆盖层边坡

坡肩处：200 m>100 m≈50 m

坡表中部：50 m>200 m>100 m

坡脚处：200 m>100 m≈50 m

(3)厚覆盖层边坡

坡肩处：200 m>100 m≈50 m

坡表中部：200 m>100 m≈50 m

坡脚处：200 m>100 m≈50 m

3 边坡动力峰值加速度

图7～图9不同边坡峰值加速度地震响应规律。

图7 岩质边坡

图8 薄覆盖层边坡

图9 厚覆盖层边坡

(1)岩质边坡：坡高50 m、100 m时，0～1/3坡高，坡面水平峰值加速度放大系数随坡高先放大后衰减再放大，律动性明显；1/3～2/3坡高衰减，在坡肩处又有所放大，水平峰值加速度放大系数为1.0～1.6。坡高200 m、300 m时，水平峰值加速度放大系数的分布形式发生了明显变化，顺坡面向上，在2/3坡高以下坡面水平峰值加速度放大系数随坡高几乎不变或略有衰减(坡高200 m时先小幅度增加)，在距离坡高50 m处开始陡增，直到坡肩，水平峰值加速度放大系数为0.8～1.0。竖向峰值加速度放大系数顺坡面向上的变化规律与水平峰值加速度放大规律相似，只是放大幅值不同，50 m时为1.0～1.5，100 m时为1.0～1.2，200 m时为0.9～1.2，200 m坡高时为0.8～1.2。

(2)薄覆盖层边坡：坡高50 m时，水平峰值加速度放大系数随坡高先放大后衰减再放大，1/3～2/3坡高衰减，在坡肩处又有所放大，水平峰值加速度放大系数为1.0～1.8。坡高100 m、200 m时，水平加速度放大系数随坡高变化并不存在明显的放大趋势，2/3坡高以下放大系数随坡高几乎不变，从2/3坡高处开始放大，坡肩处为最大值，水平峰值加速度放大系数为0.8～1.6。竖向峰值加速度放大系数顺坡面向上与水平峰值加速度放大规律相似，只是变化幅值不同，50 m时为1.0～1.5，100 m时为1.0～1.2，200 m坡高时时为0.9～1.2。

(3)厚覆盖层：坡高50 m、100 m、200 m，坡面水平峰值加速度放大系数随坡高在坡肩处放大，水平峰值加速度放大系数为0.8～1.4。竖向峰值加速度放大系数顺坡面向上与水平峰值加速度放大规律相似，只是变化幅值不同。

4 讨论

4.1 剪切应变增量云图

(1)动力高边坡剪切应变增量存在一个临界高度，即岩质边坡当坡高低于200 m时，坡肩、坡中、坡脚3处剪应变增量随坡高变化并不明显，但当坡高大于200 m后，坡体各部位剪应变增量较低坡高时增加近70%。

(2)覆盖层边坡同样存在一个临界高度，临界高度较岩质边坡要低。薄覆盖层边坡当坡高低于100 m时，坡肩、坡中、坡脚3处剪应变增量随坡高变化并不明显，但当坡高大于100 m后，坡体各部位剪应变增量较低坡高时增加近80%。

厚覆盖层边坡当坡高为50 m，坡度30°时，坡肩、坡中、坡脚3处剪应变增量大小即已达到薄覆盖层坡高200 m、坡度45°时剪应变增量大小，即可假定厚覆盖层临界高度低于50 m。

4.2 加速度峰值放大系数

坡高较低时，峰值加速度(水平、竖向)顺坡面向上呈明显的律动性，不是单纯意义上的线性增大，而是时而增大时而减小，增大和减小相间，形成一些极值区，在坡肩处则又重新放大。但是当边坡较高时，加速度放大系数的分布形式发生了变化，峰值加速度(水平、竖向)顺坡面向上，也不具明显的“垂向放大效应”，在距离坡肩50 m以下顺坡面加速度放大系数几乎不变，之后才增加。总体来说，峰值加速度放大系数随坡高具有选择性放大效应，可称之为加速度的边坡高度效应。

故高地震烈度区，岩质边坡地震动力响应的临界高度为200 m；薄覆盖层边坡动力响应的临界高度为100 m；厚覆盖层边坡动力响应的的临界高度小于50 m。