近断层脉冲型地震动对重力坝深层抗滑稳定性的影响

马 力，顾 冬，罗 坤，崔 笑，贾玉豪

(1.南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏南京 210000；2.河海大学水利水电学院，江苏南京 210098；3.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024；4.上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335)

近几十年来，国内外发生的近断层脉冲型地震，如1994 年美国Northridge 地震、1995 日本Kobe 地震、1999 年台湾Chi-Chi 以及2003 年伊朗Bam 地震等均具有明显的破裂方向性效应和速度脉冲特征。与常规地震相比，近断层脉冲型地震对工程结构产生更为严重的破坏，也引起了越来越多的学者对此类地震动的关注。

近断层地震动携带的速度脉冲可使结构产生较大的位移反应，临近结构在其作用下有更高的强度和延性需求[1-3]。迄今为止，针对近断层脉冲型地震动对水工建筑物的影响主要集中在土石坝动力响应及重力坝损伤累积破坏方面。如邹德高等[4-5]研究发现，速度脉冲对大坝的变形和抗渗性均有较大影响，脉冲型地震对大坝安全更为不利；韩慧超等[6]研究发现，脉冲型地震动可使坝体在极短时间内产生较大变形；梅伟等[7]研究发现，脉冲波作用下土石坝的动力响应明显大于非脉冲波作用的结果，液化区域较非脉冲波作用时更为广泛；张社荣等[8]研究发现，近断层地震动方向性效应包含的速度大脉冲对大坝损伤累积破坏具有显著影响，大速度脉冲作用导致较大的损伤累积破坏；刘琳等[9]研究发现，近断层地震动脉冲对沥青混凝土心墙、坝体竖向及水平向响应影响显著；梅贤丞等[10]研究发现，近断层脉冲型地震动导致隧道结构发生更为严重破坏的可能性更大；崔臻等[11]研究发现，速度脉冲是导致近断层地震动具有较大破坏能力的根本原因。

以上研究表明，近断层脉冲型地震动对大坝的抗震安全有较大威胁，应在设计中考虑。但少有学者研究近断层脉冲型地震动对重力坝深层抗滑稳定性的影响。鉴于此，以我国西南某重力坝溢流坝段为研究对象，采用非线性有限元分析软件ADINA 建立能反映实际坝体-坝基-库水动力相互作用及坝基滑裂面接触的三维有限元模型，分析近断层脉冲型地震动对重力坝深层抗滑稳定性的影响，以期为大坝的抗震设计提供参考。

1 地震动的选取

为研究近断层脉冲型地震动对重力坝深层抗滑稳定性的影响，从3 次重大地震事件中，即Chi-Chi，Kobe，Loma中各选取一条脉冲波和非脉冲波，如表1。

表1 脉冲型/非脉冲型地震记录Tab.1 Pulse/non-pulse seismic records

所选地震动均来自PEER[12]强震数据库，将所选地震波统一调幅为4.65 m/s2，对于Chi-Chi 地震，取其中的20～58 s作为地震动输入；对于Kobe和Loma地震，取其中的0～20 s作为地震动输入。以Chi-Chi地震波为例，其脉冲(TCU051-EW)和非脉冲(TCU07-EW)地震波的加速度、速度和位移时程曲线如图1，2。由图1，2可看出，与TCU071-EW波相比，TCU051-EW波具有明显的速度和位移脉冲。

图1 TCU051-EW地震波时程曲线Fig.1 Time history curves of TCU051-EW seismic wave

图2 TCU071-EW地震波时程曲线Fig.2 Time history curves of TCU071-EW seismic wave

2 重力坝有限元模型的建立

以我国西南某重力坝的溢流坝段为研究对象，坝段坝底高程2 319.00 m，坝顶高程2 481.00 m，坝高162.00 m；坝宽137.20 m，坝段厚17.00 m。采用非线性有限元分析软件ADINA建立重力坝有限元分析模型，坝体与基岩均采用3D-Solid单元，根据混凝土材料将坝体分区划分成4个分区。在划分坝基网格时，充分考虑岩基的倾斜夹层特性和岩体材料分区，根据岩层走向分层建模。上、下游方向地基及其深度均取1 倍坝高。如图3，坝基有一滑裂面，设置接触单元范围为从坝踵拉裂沿裂隙面从坝趾滑出。采用摩擦接触算法模拟滑裂面的黏结强度c和摩擦系数f，本工程滑裂面属于岩块岩屑型，抗剪断参数f=0.5，c=0.15 MPa。本文重点研究近断层脉冲型地震动对重力坝抗滑稳定性的影响，考虑到坝体的局部破坏会导致程序收敛性较差，对于坝体、坝基，分别采用线弹性材料和Mohr-Coulomb材料，材料分区如图4。计算采用的材料参数见表2。

图3 重力坝接触面示意图Fig.3 Schematic diagram of the contact surface of gravity dam

图4 重力坝材料分区Fig.4 Division map of gravity dam materials

表2 材料力学性能Tab.2 Material mechanical properties

静力荷载包括坝体自重、上下游静水压力、坝基扬压力及淤沙压力等，其中上下游水头分别为158，78.41 m；按规范[13]要求选取坝基面扬压力；混凝土动态弹性模量E在静力弹模的基础上提高50%。采用黏弹性人工边界模拟远域地基辐射阻尼对重力坝产生的影响[14]。

3 地震动影响的模拟结果与分析

3.1 坝基塑性区分布

图5为Chi-Chi，Kobe，Loma 3次地震时间中脉冲型、非脉冲型地震动作用后的坝基塑性区分布。由图5可看出：坝基塑性区主要产生于软弱夹层及滑裂面附近，随地震作用效果增强，坝基塑性区从坝踵位置沿滑裂面向坝趾位置延伸；脉冲型地震动作用后的坝基塑性区范围明显大于非脉冲型地震动作用后的结果，说明脉冲型地震作用后大坝更易产生滑动失稳。

图5 地震动作用后坝基塑性区分布Fig.5 Distribution of plastic zone of dam foundation after ground motion

3.2 接触面状态

在大坝可能滑动的位置设置sticking(黏结)、slipping(滑动)、closed(闭合)、open(张开)、dead(失效)5 种接触。在滑裂面黏结强度尚未破坏时，接触面表现为sticking(黏结)状态。随着地震动作用强度不断增加，滑裂面状态由sticking(黏结)逐渐变为slipping(滑动)，表现为接触面上黏结区域不断缩小，滑动区域逐渐扩大，直至整个接触面全部滑动、张开[15]。图6为脉冲型与非脉冲型地震动作用后接触面状态示意图。

图6 地震动作用后接触面状态示意图Fig.6 Schematic diagram of contact surface state after ground motion

由图6 可看出，脉冲型地震动作用后的滑裂面处于sticking(黏结)状态的范围明显小于非脉冲型地震动作用后的结果，其有更大的范围处于slipping(滑动)状态，说明脉冲型地震动作用后大坝的滑动状态明显大于非脉冲型地震动作用后的结果。

3.3 坝踵关键点滑移量

地震荷载在持续时间内是处于往复变化状态的，重力坝位移随时间也会发生往复变化。因此，仅观察地震持续时间内某时刻的位移不足以评判重力坝的滑动状态，震后残余位移仍可表征重力坝的滑动状态[16]。图7 为地震作用后的坝踵关键点时程曲线。从图7 可看出：近断层脉冲型地震动作用后，坝踵关键点的震后水平向残余位移分别为5.75，6.32，4.76 cm；非脉冲型地震动作用后，坝踵关键点的震后水平向残余位移分别为4.83，4.17，3.88 cm。脉冲型地震动作用后大坝的震后残余位移明显大于非脉冲型地震动作用后的大坝震后残余位移，说明脉冲型地震动更易使大坝产生滑动失稳。

图7 地震动作用后坝踵关键点位移时程曲线Fig.7 Displacement time-history curves of key points of dam heel after ground motion

4 结论

以我国西南某重力坝溢流坝段为研究对象，从坝基塑性区分布、接触面状态以及关键点滑移量3个方面对比分析脉冲型与非脉冲型地震动对重力坝深层抗滑稳定性的影响，得到如下主要结论：

1)近断层脉冲型地震动对重力坝深层抗滑稳定性有显著影响。相比于非脉冲型地震动，脉冲型地震动作用后，坝基塑性区范围更大，滑裂面有更大的范围处于slipping(滑动)和open(张开)状态；坝踵关键点产生更大的残余位移，更易使大坝产生滑动失稳。在抗震设计中应重视近断层脉冲型地震动对重力坝深层抗滑稳定的影响。

2)需要说明的是，断层断距、断层角度对坝体的稳定性具有重要的影响，但本文并未进行深入分析，后续将围绕上述问题及断层的“近”和“脉冲地震波”两个方向进行研究。