高聚物用于土質(zhì)堤壩防滲的大壩整體地震響應(yīng)分析

季衛(wèi)星

(江蘇昌泰建設(shè)工程有限公司，江蘇 泰興 225400)

我國堤壩大部分采用了土質(zhì)結(jié)構(gòu)，且大都處于地震活躍地帶。為了對(duì)這些土質(zhì)堤壩進(jìn)行除險(xiǎn)加固，采取高聚物防滲墻技術(shù)[1- 10]，此項(xiàng)技術(shù)是專門針對(duì)土質(zhì)堤壩防滲加固而發(fā)明的新技術(shù)，其具有快捷、輕質(zhì)、高韌、耐久、微創(chuàng)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，已在土質(zhì)堤壩除險(xiǎn)加固領(lǐng)域大規(guī)模推廣。就目前來說，國內(nèi)外都在進(jìn)行有關(guān)高聚物注漿材料特性的研究，國外學(xué)者主要研究了聚氨酯高聚物材料的力學(xué)性能、在動(dòng)荷載和溫度影響下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能、應(yīng)變率、抗沖擊性能和溫度效應(yīng)等；國內(nèi)學(xué)者主要研究了聚氨酯高聚物的動(dòng)態(tài)壓縮性能、破壞機(jī)理、應(yīng)變率、溫度、振動(dòng)性能、靜態(tài)力學(xué)等，對(duì)采用高聚物注漿材料作為土質(zhì)堤壩的防滲體，堤壩及防滲體的整體抗震性能的研究尚缺乏實(shí)質(zhì)性的突破。因此對(duì)采用高聚物防滲體的土質(zhì)堤壩及防滲體的整體抗震性能進(jìn)行研究，分析其地震響應(yīng)，對(duì)于土質(zhì)堤壩搶險(xiǎn)加固和防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。本文通過ABAQUS軟件建立一個(gè)防滲墻土質(zhì)堤壩的數(shù)值模型，分析了高聚物防滲墻土質(zhì)堤壩地震作用下的響應(yīng)特點(diǎn)，并與相同條件下混凝土防滲墻土質(zhì)堤壩的相應(yīng)特點(diǎn)進(jìn)行比較，最終得出分析結(jié)果。

1 基于數(shù)值計(jì)算的基本假定

在建立防滲墻土質(zhì)堤壩的三維模型時(shí)，需要采用有限元分析法，同時(shí)還要考慮到多種因素，如高聚物的性能、壩體的結(jié)構(gòu)、地震波的輸入?yún)?shù)和混凝土防滲墻的參數(shù)及方位，需進(jìn)行以下假設(shè)。

(1)忽略開挖、注漿之前，土壩應(yīng)力的變化；假定壩體內(nèi)部的初始靜壓力為土體和靜水造成的壓力。

(2)假定地震波是以SV波的形式從壩體底邊向上垂直發(fā)散，入射輸入面在深15m的界面。

(3)忽略壩體和高聚物防滲墻體之間的連接厚度，將其接觸面假定為Goodman無厚度單元。

2 模型建立

在三維模型中，壩體地基的尺寸(長×寬×高)設(shè)為290m×100m×15m。壩體的橫截面形狀類似于梯形，其上頂面寬5.6m，底面寬89.6m，高度為15m，整個(gè)壩體長為100m。高聚物防滲墻的幾何尺寸為：厚度0.02m，高度17m，長度為100m；混凝土防滲墻的幾何尺寸為：厚度0.5m，高度17m，長度為100m。采用三維六面體細(xì)化網(wǎng)格的方法將三維模型的網(wǎng)格進(jìn)行劃分如圖1所示。劃分完成后整個(gè)防滲墻土質(zhì)堤壩的三維模型將被分為24480個(gè)單元，29040個(gè)節(jié)點(diǎn)。有關(guān)材料的參數(shù)見表1—2。

3 邊界條件及計(jì)算工況

在實(shí)際情況中，堤壩的上邊界無約束，其他邊界有一定的黏彈性約束且會(huì)對(duì)地震波有很小的反射，因此在數(shù)值模型中將其定義為自由邊界，而其他邊界可人為定義為無反射且具有一定黏彈性的邊界。將EL-Centro波數(shù)據(jù)等效力輸入到數(shù)值計(jì)算當(dāng)中。整個(gè)地震波按照SV波的方式擴(kuò)散，持續(xù)20s的時(shí)間，場地類別假定為II類，數(shù)值計(jì)算分4種工況，具體工況及參數(shù)見表3。

表1 靜力學(xué)參數(shù)

表2 動(dòng)力學(xué)參數(shù)

圖1 模型網(wǎng)格

表3 計(jì)算工況

4 地震響應(yīng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

考察堤壩抗震性能的一個(gè)重要指標(biāo)是壩體在地震波作用下的加速度大小，同時(shí)堤壩永久沉降的深度和堤壩動(dòng)土壓力都是體現(xiàn)堤壩抗震性能的重要指標(biāo)。高聚物防滲墻土質(zhì)堤壩的地震響應(yīng)主要從以下角度進(jìn)行分析。

4.1 壩體加速度

利用ABAQUS軟件建立的數(shù)值模型分別計(jì)算4種工況下各計(jì)算點(diǎn)的加速度。在測量高聚物防滲墻土質(zhì)堤壩加速度時(shí)，總共采集18個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，其中8個(gè)點(diǎn)分布在壩體軸線上，上游壩坡、下游壩坡平均布設(shè)5個(gè)點(diǎn)。壩體加速度計(jì)算點(diǎn)布置如圖2所示。壩軸線、上游坡及下游坡各加速度計(jì)算點(diǎn)的峰值加速度如圖3—5所示。土壩底為h/H=0處，土壩頂為h/H=1處。

圖2 高聚物防滲墻土質(zhì)堤壩壩體加速度計(jì)算點(diǎn)布置

圖3 堤壩軸線處峰值加速度

圖4 堤壩上游壩坡峰值加速度

圖5 堤壩下游壩坡峰值加速度

從圖中可以明顯看出，4種工況下，壩體的峰值加速度正比于輸入地震的強(qiáng)度，而且壩體的高度越高，壩體加速度峰值的分布點(diǎn)越靠近于壩頂。此外，分析數(shù)據(jù)可以看出，壩體峰值加速度增長的速率在壩體軸線4/5處突然增大，形成“鞭梢”效應(yīng)，這表明壩頂對(duì)于地震波具有放大的作用，在設(shè)計(jì)建造時(shí)尤其需要注意，加強(qiáng)防范措施。

在工況1(0.05g)和工況4(0.4g)的條件下，2種堤壩水平峰值加速度的等值線如圖6—7所示。對(duì)圖6—7進(jìn)行分析可得：在同等地震波的作用下，高聚物防滲墻壩體的加速度反應(yīng)比混凝土防滲墻土質(zhì)堤壩更大，而且集中體現(xiàn)在壩體軸線附近，這表示地震波對(duì)高聚物防滲墻壩體的影響更大。對(duì)于混凝土防滲墻土質(zhì)堤壩而言，其加速度反應(yīng)會(huì)隨著地震波強(qiáng)度的增大而減小，這是因?yàn)榛炷练罎B墻和高聚物防滲墻均處于壩體軸線處，但混凝土防滲墻無論幾何尺寸還是質(zhì)量和剛度都遠(yuǎn)大于高聚物防滲墻，其存在于土質(zhì)堤壩內(nèi)就好比一個(gè)“吸能裝置”，能夠緩沖地震波的力量，使得較大的地震波輸入能量被混凝土防滲墻所吸收，從而減少了土壩吸收的地震波輸入能量。

圖6 不同防滲墻堤壩水平0.05g等值線圖

圖7 不同防滲墻堤壩水平0.40g等值線圖

4.2 壩體動(dòng)土壓力

在工況1(0.05g)和工況4(0.4g)的條件下，高聚物防滲墻土質(zhì)堤壩及混凝土防滲墻土質(zhì)堤壩的最大水平土壓力和最大豎向土壓力分布如圖8—9所示。從圖8—9可以看出，2種堤壩的最大土壓力和輸入地震波的強(qiáng)度均呈正相關(guān)關(guān)系，與壩高呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且最大豎向土壓力大于最大水平土壓力。

圖8 不同防滲墻堤壩0.05g時(shí)最大土壓力等值線圖

圖9 不同防滲墻堤壩0.40g時(shí)最大土壓力等值線圖

與混凝土防滲墻土質(zhì)堤壩相比，高聚物防滲墻土質(zhì)堤壩的最大水平土壓力、最大豎向土壓力都比混凝土防滲墻土質(zhì)堤壩要小。這是由于高聚物防滲墻的幾何尺寸較小，而且質(zhì)量較輕，與土體動(dòng)模量相近等特點(diǎn)，地震發(fā)生時(shí)其墻體與壩體能協(xié)調(diào)變形，避免相互擠壓，故其水平土壓力和豎向土壓力增加較小。而混凝土防滲墻幾何尺寸大、質(zhì)量和剛度大，不能在地震發(fā)生時(shí)與壩體協(xié)調(diào)變形，從而相互擠壓，導(dǎo)致其水平土壓力和豎向土壓力較大。

4.3 壩頂永久沉降

模型的壩體高度為15m，可簡化為不考慮地震作用下壩體土的固結(jié)作用，而只考慮地震作用下壩頂?shù)挠谰贸两?。分析結(jié)果顯示，在4種工況下，高聚物防滲墻土質(zhì)堤壩所產(chǎn)生的永久沉降分別為0.12、0.15、0.34、2.34cm，沉降值和壩體高度的比值分別為0.008%、0.01%、0.02%和0.16%，與混凝土防滲墻土質(zhì)堤壩相比，高聚物防滲墻土質(zhì)堤壩永久沉降值分別降低了89%、87%、82%和47%。由此可見，相比于混凝土防滲墻土質(zhì)堤壩，高聚物防滲墻土質(zhì)堤壩的沉降受地震的影響較小。國內(nèi)外的多種試驗(yàn)結(jié)果表明，地震引起的土石壩的壩頂沉降率介于0.4～1.0之間，而且壩體結(jié)構(gòu)并沒有遭到破壞。所以說，在地震作用下，高聚物防滲墻土質(zhì)堤壩壩頂沉降受地震影響較小，沉降值是合理、可接受的。

5 結(jié)論

(1)高聚物土質(zhì)堤壩峰值加速度與輸入地震動(dòng)強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系，而且壩高增加，其峰值加速度也隨之增加，加速度峰值的位置一般位于壩頂，同時(shí)在壩體軸線4/5處，峰值加速度增加的速率會(huì)突然加快，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)尤其注意。

(2)相比于混凝土防滲墻，在相同強(qiáng)度的地震下，高聚物防滲墻土質(zhì)堤壩的峰值加速度增加速率更快，而且主要集中于壩體軸線附近，但其加速度的增長速率會(huì)隨著地震波輸入強(qiáng)度的增加而逐漸減小。高聚物防滲墻土質(zhì)堤壩的最大水平土壓力、最大豎向土壓力都小于混凝土防滲墻土質(zhì)堤壩，采用高聚物防滲墻對(duì)土質(zhì)堤壩進(jìn)行處理優(yōu)于采用混凝土防滲墻。

(3)高聚物防滲墻土質(zhì)堤壩壩頂沉降受地震影響較小，沉降值是合理、可接受的。