地震强度对堆石坝变形的影响分析

王翦

摘 要：地震强度对于堆石壩变形的影响作用比较明显，采用科学的方法控制堆石体位移，提升大坝的安全性。在加筋和不加筋条件下，不同强度的地震动作用下的大坝竖向变形程度不同。在实地测量中，根据堆石坝的几何尺寸与堆石体的密度，计算出堆石体剪切模量，有利于将堆石坝变形程度控制在合理范围内。本文从地震强度对堆石坝变形的角度进行分析，提出几点有利于提升堆石坝稳定性的可行性建议。

关键词：地震强度；堆石坝；变形设计；具体影响

一、地震强度对堆石坝变形分析技术原理的介绍

地震对于堆石坝变形影响比较大，当地震强度增大时，堆石体有效凝聚力下降。对堆石坝变形程度进行分析时，可以采用刚体极限平衡法、有限元极限平衡法和有限元强度折减法，对大坝整体结构的拟静力数值大小进行分析。

对每个加速度循环变化情况进行分析，当a（t）﹥ay时，根据积分求出滑动体滑移速度并且进行累加，计算出不同地震强度下堆石坝变形的大致数值。当堆石坝体滑移速度V滑﹥0时，大坝整体结构稳定状态发生改变。根据积分求抵抗滑动的速度V抗并且进行累加系数的计算。在地震作用效力最强时，判别V滑与V抗的接近程度是否满足大坝结构稳定的要求，根据现场勘测点实测的情况进行分析，求出滑动体的永久位移数值并且进行累加。在加速度循环分析计算中，考虑坝体液化失稳的数据，得出更加准确的变形记录。在堆石坝抗震设计中，技术人员需要考虑堆石体的有效凝聚力和有效摩擦角，对堆石体的阻力比与位移速度进行相似常数计算。

二、实测环境下地震强度对堆石坝变形的影响分析

（一）不同地震强度下堆石坝液化效应失稳分析

在不同地震强度下堆石坝变形状态分析中，技术人员需要对坝体因液化效应发生失稳问题进行单元统计，对堆石坝的加固方法进行探讨。我们发现地震强度50年超越概率为10%时，堆石坝液化单元个数为286个左右，大坝常规竖向体液化单元比例小于0.65%，此时的液化区埋深应该控制在不低于5m的水平。

地震强度50年超越概率为5%时，堆石坝液化单元个数为910个左右，大坝常规竖向体液化单元比例小于2.06%，此时的液化区埋深应该控制在不低于15m的水平。堆石坝液化单位个数较多的，区域地震活动比较多发，在抗震形式比较严峻的区域，可以使用剪力墙钢筋四排配筋的方法，开展坝体防竖向变形的加固工作，分别在水平和竖直的方向均匀分布筋体。使用拉筋方法需要将其与各排分布筋绑扎的方式，增加四排配筋方法的整体密度。地震强度50年超越概率为2%时，堆石坝液化单元个数为3186个左右，大坝常规竖向体液化单元比例小于7.22%，此时的液化区埋深应该控制在不低于2m的水平。

（二）刚体极限平衡填筑参数分析法介绍

在刚体极限平衡分析中，一般采用常规竖向条法进行大坝整体结构的拟静力数值计算，不能考虑高程变化的地震动态分布系数，而是以堆石体加筋的强度为重要参考标准。在不同地震强度状态下，采用有限元极限平衡法分析堆石坝变形状态，一般给定滑动破坏面形式后，搜索堆石坝变形数值至Fn最小值，可以考虑土体受力变形的具体特性对于大坝整体结构的影响。

各种工程堆石料的具体特性不同，其填筑参数也不一样。砂岩的干密度为2.05g/cm3，其孔隙率不低于23.2%，最大粒径不超过600mm。凝灰岩的干密度为2.09g/cm3，其孔隙率不低于23.0%，最大粒径不超过600mm。灰岩的干密度为2.15g/cm3，其孔隙率不低于21.0%，最大粒径不超过1000mm。流纹岩的干密度为2.23g/cm3，其孔隙率不低于19.5%，最大粒径不超过800mm。使用有限元极限平衡法对不同工程的抗震性能进行分析时，根据填充料的堆石料参数进行坝体强度判定，我们发现各工程的设计填筑指标一般比较相近。采用不同的加筋方法，能够有效抵抗地震对于坝体安全性的影响。在有限元极限平衡分析法中，考虑坝顶上游侧最大位移和坝顶下游测最大位移的距离变化，找准坝体液化位移的变化规律。

（三）堆石坝拟静力有限元强度折减分析法介绍

在地震强度对堆石坝变形影响分析中，采用有限元强度折减法进行分析，考虑地震动峰值加速度的变化情况，得到坝体的拟静力分析数据。大坝整体结构滑动破坏面形式由计算自动得到，不需要事先人为假定和搜索，可以合理反映沿高程方向变化的大坝地震安全系数的动态分布情况。

但是，在目前的堆石坝变形状态分析过程中，缺乏统一而可靠的土体动力破坏判断标准。我们一般在地震过程中假定折减系数保持不变，而不能考虑安全系数的时间变化影响情况。地震动输入方式为整体顺河向模式时，地震动峰值加速度不小于0.288g，地震动反应谱为100a超越概率2%。地震动输入方式为部分顺河向且坝顶区面板为竖向模式时，地震动峰值加速度不小于0.345g，地震动反应谱为100a超越概率1%。在堆石坝抗震加筋设计中，含有漂（块）卵（碎）砂砾石层的填充层为底部应力支撑区。提升大坝垫层的平整程度，使用大型机械设备对主堆石进行特别碾压。在大坝中层坡度处铺填砾石土和粉煤灰，加装钢筋混凝土面板。

三、结束语

在不同地震强度下堆石坝变形状况分析活动中，使用计算机软件工具对填石坝变形状态进行分析，有利于提升分析准确性。在信息化分析模式中，输入地震加速度，得到堆石坝承压状态分析图。对基层输入加速度放大得出地震加速度沿坝高的分布情况，采用堆石坝平衡分析法进行地震强度影响判定，技术人员需要预先假定滑动体，并且计算出该滑动体的屈服加速度ay以及有效平均加速度a（t）。

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