汶川地震對(duì)冶勒大壩右岸抗?jié)B穩(wěn)定性的影響評(píng)價(jià)

鄭培溪，崔會(huì)東，劉俊林，趙 靜

（1.云南魯布革顧問有限公司，云南 昆明 650051；2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072）

0 前言

冶勒水電站位于四川省西部南椏河上游，地處四川省涼山州冕寧縣和雅安市石棉縣境內(nèi)，為南椏河流域梯級(jí)規(guī)劃 “一庫(kù)六級(jí)”的龍頭水庫(kù)電站。壩址位于安寧河活動(dòng)斷裂帶的北段，庫(kù)區(qū)距下游安寧河活動(dòng)斷裂西支約2 km，屬外圍強(qiáng)震波及區(qū)。庫(kù)壩區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度，設(shè)計(jì)烈度為9度，設(shè)計(jì)地震加速度值高達(dá)0.45 g。

冶勒水電站瀝青混凝土心墻堆石壩最大壩高124.5 m，為國(guó)內(nèi)外已建同類工程的第三高壩。壩頂高程2 654.50 m。大壩地質(zhì)條件特殊，左岸壩基為石英閃長(zhǎng)巖基礎(chǔ)，河床及右岸壩基為深厚覆蓋層基礎(chǔ)，最大厚度超過420 m，開高壩軟基礎(chǔ)之先例。左右岸基礎(chǔ)嚴(yán)重不對(duì)稱。左岸壩基采用 “混凝土防滲墻+灌漿帷幕”全封閉防滲；河床壩基采用深入相對(duì)隔水層5 m的懸掛式混凝土防滲墻防滲；右岸壩基采用 “混凝土防滲墻+灌漿帷幕”相結(jié)合的懸掛式防滲體系，最大防滲深度大于200 m。同時(shí)，右岸壩肩為單薄山體，沿壩軸線方向僅長(zhǎng)230 m左右，正常蓄水位高程寬約250～300 m，且山體內(nèi)地下水位較高。右岸基礎(chǔ)防滲處理難度 “國(guó)內(nèi)罕見，國(guó)際少有”[1]，給工程設(shè)計(jì)及施工帶來了挑戰(zhàn)。

冶勒大壩距 “5.12”汶川地震震中258 km，地震發(fā)生時(shí)，冶勒工程區(qū)有明顯震感。右岸抗?jié)B穩(wěn)定性關(guān)系到整個(gè)大壩的正常運(yùn)行性態(tài)。本文擬從滲流量及滲流場(chǎng)變化、壩基覆蓋層液化以及防滲墻地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果等3方面分析評(píng)價(jià)汶川地震對(duì)冶勒大壩右岸抗?jié)B穩(wěn)定性的影響。

1 滲流及強(qiáng)震監(jiān)測(cè)布置

冶勒大壩地質(zhì)條件復(fù)雜，特別是右岸為超深覆蓋層，山體單薄，滲流是監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)，為此設(shè)計(jì)布置了較為完善的滲流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在右岸施工排水廊道、右岸8號(hào)溝等不同部位共布置12個(gè)量水堰，用于監(jiān)測(cè)右岸的滲流量。在下游蓋重坡腳處布置量水堰監(jiān)測(cè)左岸及壩體壩基滲流量。整個(gè)大壩共布置量水堰13個(gè)。在右岸防滲墻前后以及山體內(nèi)共布置繞滲孔7個(gè)、地下水位觀測(cè)孔13個(gè)，用于監(jiān)測(cè)右岸的滲流場(chǎng)。

同時(shí)，因冶勒大壩壩址位于高地震烈度區(qū)，壩基地質(zhì)條件差，壩體內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有必要建立強(qiáng)震監(jiān)測(cè)臺(tái)站以隨時(shí)記錄壩體地震動(dòng)力響應(yīng)，為大壩的抗震安全性[2]提供保障。按照大壩的強(qiáng)震儀布置原則[2]，冶勒大壩強(qiáng)震監(jiān)測(cè)臺(tái)陣的9臺(tái)強(qiáng)震儀基本沿大壩壩頂和最大斷面布置。其中6臺(tái)強(qiáng)震儀監(jiān)測(cè)主壩表面地震反應(yīng)；灌漿平洞強(qiáng)震儀監(jiān)測(cè)左岸基巖的地震情況；1臺(tái)監(jiān)測(cè)右岸副壩的地震反應(yīng)；由于大壩的瀝青混凝土心墻很薄，在監(jiān)測(cè)廊道內(nèi)的最大斷面位置布置1臺(tái)強(qiáng)震儀以監(jiān)測(cè)心墻附近的地震反應(yīng)情況。

2 地震影響分析

2.1 右岸滲流量及滲流場(chǎng)

2.1.1 滲流量

汶川地震前后大壩各部位的滲流量見表1。

從表1可以看出：

（1）大壩各部位的滲流量與庫(kù)水位基本呈正相關(guān)?？倽B流量在庫(kù)水位為最高水位 （2 650.45 m）時(shí)，為336.76 L/s，最低水位 （2 599.48 m）時(shí)，為78.71 L/s，量值偏大，但均小于設(shè)計(jì)滲流量控制指標(biāo)500 L/s[1]。

表1 地震前后冶勒大壩下游滲流量特征值統(tǒng)計(jì)

（2）右岸存在繞壩滲流現(xiàn)象。大壩右岸滲流量（右岸施工排水廊道與右岸8號(hào)溝之和）在最高水位及最低水位時(shí)分別占總滲流量的76.9%、52.2%，說明右岸存在繞壩滲流，這與冶勒大壩右岸為深厚覆蓋層的特殊地質(zhì)條件相一致，也與設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果吻合，屬較正?，F(xiàn)象。

（3）汶川地震前后，大壩各部位滲流量變化均較小。地震前 （5月11日）總滲流量為79.40 L/s，地震后 （5月12日）總滲流量為78.71 L/s，減少了0.69 L/s。后期隨庫(kù)水位上升有所增大。滲流量變化正常。

2.1.2 滲流場(chǎng)

地震前后右岸地下水位異常升高的14號(hào)長(zhǎng)觀孔（GC14）的特征值見表2，并繪出地震前后右岸滲流場(chǎng) （見圖 1、 2）。

表2 地震前后冶勒大壩右岸GC14地下水位特征值統(tǒng)計(jì)

由表2和圖1、2的監(jiān)測(cè)成果可知：

（1）位于大壩下游右岸山體內(nèi)的GC14，即圖1、2中水位最高點(diǎn)，在埋設(shè)初期穩(wěn)定水位即達(dá)2 654.31 m （2006年4月22日），后期最高水位為2 664.74 m （2007年7月18日），遠(yuǎn)高于庫(kù)水位，且隨庫(kù)水位升降而增減。工程勘察資料揭示，GC14孔底花管段基本處于覆蓋層第三巖組Q32-1（Ⅲ），該巖組為弱透水卵礫石層與極弱透水的粉質(zhì)壤土互層，具有弱透水層與局部隔水層相間的分布特點(diǎn)，為囊狀承壓水，且與下游水力聯(lián)系不緊密，以致該孔地下水壓力較大。

圖1 地震前 （2008-05-08，庫(kù)水位2 600.18 m）冶勒大壩右岸滲流場(chǎng)

圖2 地震后 （2008-05-17，庫(kù)水位2 602.06 m）冶勒大壩右岸滲流場(chǎng)

（2）汶川地震前后 （2008年5月8日～15日），庫(kù)水位在2 600.18～2 601.15 m之間變化，平均上升0.97 m，而GC14水位卻迅速上升，由2 639.24 m上升至2 645.56 m，上升幅度達(dá)6.32 m。從地震后的變化速率來看，5月12日～15日，庫(kù)水位變化速率分別為-0.35、-0.08、0.88 m/d，而GC14地下水位均為上升，上升速率分別為0.26、2.24、1.56 m/d。自5月16日起，GC14地下水位上升幅度及上升速率漸緩，到5月19日，GC14地下水位基本恢復(fù)正常。分析原因主要是GC14花管段所處地層結(jié)構(gòu)特殊，為囊狀承壓水，且與下游水力聯(lián)系不緊密，受地震影響，GC14花管段所在覆蓋層局部孔隙瞬間變密實(shí)或土體塌落堵塞下游通道，從而導(dǎo)致水位持續(xù)上升。

（3）雖然地震后冶勒大壩右岸局部地下水位有所升高，但滲流場(chǎng)未發(fā)生整體改變，說明右岸單薄山體的穩(wěn)定性并未受到實(shí)質(zhì)性影響。

2.2 壩基覆蓋層液化判別

目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的評(píng)定土石壩壩體及其壩基的地震液化可能性的方法就是抗液化剪應(yīng)力法[3]。冶勒大壩河床及右岸地基為深厚覆蓋層，在強(qiáng)震作用下存在液化的可能性。因此，根據(jù)汶川地震中強(qiáng)震儀所取得的地震資料，對(duì)冶勒大壩壩體材料及地基覆蓋層土體參數(shù)進(jìn)行反演，利用反演所得的動(dòng)力參數(shù)對(duì)大壩進(jìn)行三維非線性有限元?jiǎng)恿Ψ治?，從而獲得壩基覆蓋層動(dòng)剪應(yīng)力比，并據(jù)此判斷是否會(huì)發(fā)生液化。

2.2.1 動(dòng)力計(jì)算本構(gòu)模型

動(dòng)力計(jì)算采用哈丁雙曲線本構(gòu)模型[4]，把土體視為粘彈性體，采用等效彈性模量 （E或G）和等效阻尼比 （λ）這兩個(gè)參數(shù)來反映土體動(dòng)應(yīng)力—?jiǎng)討?yīng)變關(guān)系的非線性與滯后性，并且將模量與阻尼比均表示為動(dòng)應(yīng)變幅的函數(shù)， 即 Ed=Ed（εd）和 λ=λ（εd），或 Gd=Gd（γd）和 λ=λ（γd）， 同時(shí)考慮靜力固結(jié)平均主應(yīng)力的影響。哈丁等人根據(jù)試驗(yàn)資料綜合分析提出

式中，Gd為動(dòng)力剪切模量，σ0′為平均有效應(yīng)力，（K2）max為計(jì)算參數(shù)。

λ從應(yīng)力應(yīng)變滯回圈的幾何特征出發(fā)得到

式中，λmax可根據(jù)試驗(yàn)確定；γd為動(dòng)剪應(yīng)變；γf為參考應(yīng)變。

哈丁等又得出

式中，N為循環(huán)加載次數(shù)。

2.2.2 有限元模型

由于冶勒大壩壩址地形地質(zhì)條件極其復(fù)雜，為了比較合理地考慮深厚覆蓋層的影響，本次計(jì)算模型選取了大范圍的覆蓋層地基。有限元模型向上、下游方向取至距壩腳2倍壩高，右岸向右延伸3倍壩高，底部取至大壩建基面以下2倍壩高[5]。模型側(cè)邊取法向約束，底面取全約束。網(wǎng)格剖分時(shí)主要采用8節(jié)點(diǎn)6面體單元，單元總數(shù)共13 624個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)16 113個(gè)。

2.2.3 材料參數(shù)反演

反演分析是以現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)到的反映系統(tǒng)力學(xué)行為的物理信息量 （如位移、應(yīng)變、應(yīng)力等）為基礎(chǔ)，通過反演模型，反演推算得到該系統(tǒng)的各項(xiàng)或者部分初始參數(shù)。最終目的是建立一個(gè)更接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果的理論預(yù)測(cè)模型，以便能夠較正確地反映或者預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的某些力學(xué)行為[6]。

本文針對(duì)強(qiáng)震儀所測(cè)得的某次地震情況下的加速度進(jìn)行材料參數(shù)反演分析，選用直接法，利用ADINA（Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis）有限元軟件完成正算過程，以最小二乘法[7]作為控制迭代精度的工具。針對(duì)每個(gè)變量進(jìn)行反演的流程見圖3。

圖3 反演分析流程

由于目前冶勒大壩強(qiáng)震監(jiān)測(cè)資料有限，本次計(jì)算共反演4個(gè)參數(shù)，分別為壩體和覆蓋層的（K2）max和λmax。采用上文所述有限元模型，以冶勒大壩地震監(jiān)測(cè)臺(tái)陣記錄的2007年10月23日18:05:32發(fā)生的震中距小于20 km的2.6級(jí)地震為樣本值進(jìn)行反演分析，得到動(dòng)力計(jì)算的材料參數(shù)見表3。

表3 動(dòng)力計(jì)算哈丁模型計(jì)算參數(shù)

2.2.4 地震波確定

以平洞位置記錄的汶川地震主震作為冶勒大壩基巖地震輸入波進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程計(jì)算。地震輸入波三向加速度時(shí)程變化見圖4，順河向、橫河向、豎直向峰值加速度分別為-1.1968×10-2g、 1.0250×10-2g、7.170×10-3g。 持續(xù)時(shí)間為 124.4 s。

圖4 基巖地震輸入波三向加速度時(shí)程變化

2.2.5 壩基覆蓋層液化分析

液化判別的關(guān)鍵在于正確地確定出地震剪應(yīng)力（τe） 和抗液化剪應(yīng)力 （τd）。 整理計(jì)算壩基動(dòng)剪應(yīng)力比（τmax/σ0′）值，由τe=0.65τmax可得實(shí)際的地震剪應(yīng)力（τe/σ0′）。參照實(shí)驗(yàn)室土樣液化試驗(yàn)，求得土樣的抗液化剪應(yīng)力（τd/σ0′），τd為試驗(yàn)中產(chǎn)生液化需要施加于破壞面上的往返剪應(yīng)力幅值 （指循環(huán)過程中的剪應(yīng)力幅值）。如果τd/σ0′大于τe/σ0′，則該處無液化的可能性，否則，將會(huì)引起液化[8]。

本文通過有限元?jiǎng)恿τ?jì)算，求得冶勒大壩河床最大斷面 （0+220.00 m）及右岸斷面 （0+320.00 m）壩基覆蓋層在汶川地震主震中的動(dòng)剪應(yīng)力比情況（見圖 5、 6）。

圖5 河床0+220 m斷面覆蓋層動(dòng)剪應(yīng)力比等值線

圖6 右岸0+320 m斷面覆蓋層動(dòng)剪應(yīng)力比等值線

從圖5、6中可以看出，在汶川地震主震作用下，河床及右岸壩基覆蓋層動(dòng)剪應(yīng)力比等值線基本呈水平分布，并在壩基附近很小范圍內(nèi)均出現(xiàn)數(shù)值相對(duì)較大的區(qū)域。但是總體上較小，小于0.5。參照冶勒水電站設(shè)計(jì)報(bào)告，冶勒大壩壩基粉質(zhì)壤土層抗液化剪應(yīng)力比（τd/σ0′）為0.830，大于計(jì)算所得動(dòng)剪應(yīng)力比，因此不會(huì)發(fā)生液化。

2.3 防滲墻地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)分析

為檢測(cè)大壩右岸防滲墻是否受汶川地震影響而出現(xiàn)裂縫及滲漏通道，在汶川地震后，對(duì)右岸防滲墻進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)，分別在防滲墻施工廊道（壩0+310 m至0+610 m段）沿廊道的拱頂、上游腰線、防滲墻軸線及下游拱角與腰線間平行洞軸方向布置4條雷達(dá)檢測(cè)線。

檢測(cè)結(jié)果表明：

（1）防滲墻雷達(dá)圖像清晰度明顯高于廊道拱頂，電磁波呈弱反射，表明防滲墻測(cè)試范圍內(nèi)混凝土基本密實(shí)。

（2）廊道上游腰線、下游拱角與腰線間測(cè)線主要是含水較多，雷達(dá)圖像上有大面積白色強(qiáng)反射。拱頂、下游拱角與腰線間兩測(cè)線含水較多的樁號(hào)段基本一致，表明滲水有一定的聯(lián)通性。這與施工開挖揭示的右岸地下水豐富的實(shí)際情況基本吻合。上游腰線反應(yīng)的含水區(qū)域較多，由于其處在迎水面，屬較正常現(xiàn)象。

（3）地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)防滲墻存在橫向貫穿性滲漏裂縫，說明防滲墻防滲性能良好。

3 地震影響評(píng)價(jià)

（1）汶川地震前后，冶勒大壩各部位滲流量變化較小。滲流量由震前 （5月11日）的79.40 L/s，變?yōu)檎鸷?（5月12日）的78.71 L/s，僅減少了0.69 L/s，后期隨庫(kù)水位上升逐漸增大。同時(shí)，右岸花管段位于囊狀承壓水中的地下水位觀測(cè)孔GC14受地震影響，局部孔隙瞬間變密實(shí)或土體塌落堵塞下游通道，導(dǎo)致水位短期內(nèi)迅速上升，至5月19日基本恢復(fù)正常，而其余部位地下水位并未發(fā)現(xiàn)異常。說明地震對(duì)右岸局部地層確有輕微影響，但未對(duì)右岸滲流場(chǎng)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響。

（2）有限元?jiǎng)恿τ?jì)算結(jié)果表明，汶川地震主震作用下，冶勒大壩壩基覆蓋層動(dòng)剪應(yīng)力比最大值為0.5，小于抗液化剪應(yīng)力比0.83，不會(huì)發(fā)生液化。

（3）右岸防滲墻地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)防滲墻存在橫向貫穿性滲漏裂縫。說明在汶川地震后，作為大壩防滲系統(tǒng)重要一環(huán)的右岸防滲墻，保持了完整性，防滲性能良好。

（4）總體來看，由于汶川地震時(shí)，冶勒水庫(kù)蓄水位較低 （2 599.48 m，低于死水位2 600.00 m），同時(shí)冶勒大壩處于汶川地震Ⅵ度區(qū) （低于設(shè)計(jì)烈度9度），因此地震未對(duì)冶勒大壩右岸整體抗?jié)B穩(wěn)定性產(chǎn)生明顯的不利影響。

［1］ 郝元麟，何順賓.冶勒瀝青混凝土心墻堆石壩設(shè)計(jì)［C］//賈金生，陳洪斌.中國(guó)大壩技術(shù)發(fā)展水平與工程實(shí)例.北京：中國(guó)水利水電出版社，2007.

［2］ Darbre G R.Strong-motion instrumentation of dams［J］.Earthquake engineering and structure dynamics:1995（24）:1101-1111.

［3］ 倪漢根，金崇磐.大壩抗震特性與抗震計(jì)算［M］.大連：大連理工大學(xué)出版社，1994.

［4］ Hardin B O,Drnevich P V.Shear Modulus and Damping in Soils Design Equations and Curves［J］.Journal of Soil Mechanics and Foundations Division,1972（7）:667-691.

［5］ 冀春樓，夏頌佑，鄧德生.深覆蓋層上瀝青混凝土心墻堆石壩動(dòng)力分析［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)， 1995， 23（5）:74-80.

［6］ 楊林德.巖土工程問題的反演理論與工程實(shí)踐［M］.北京：科學(xué)出版社，1999.

［7］ 李守巨，劉迎曦，王登剛，等.混凝土重力壩材料參數(shù)識(shí)別的正則化最小二乘法［J］.計(jì)算物理， 2000， 17（6）:702-706.

［8］ 肖偉，李泰來，黃臣虎.堆石壩地震響應(yīng)和地基液化分析［J］.巖土力學(xué)，2008，29（增刊）:155-160.