黃萬江，王漢武，任佳麗

（1.安慶市水利局工程質(zhì)量監(jiān)督站，安徽 安慶 246003；2.長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430010）

蓄滯洪區(qū)是長江水系防洪的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，沿江堤防涉及多個省份，部分地區(qū)為高烈度地震區(qū)域，地震潛在災(zāi)害風(fēng)險較大。蓄滯洪區(qū)老堤防年久失修，已無法滿足當(dāng)前抗洪設(shè)計要求，需要通過在老堤內(nèi)側(cè)加培的方式形成新的堤防。然而，新老堤接合部位存在接合面接觸不充分的問題，在堤壩水位高度較高且遭遇強(qiáng)震作用時，易出現(xiàn)裂隙并引起堤防滲透，嚴(yán)重威脅堤防運(yùn)行安全，極易引發(fā)潰堤險情。

因地震引起的堤防破壞及次生災(zāi)害的報道屢見不鮮［1］。1995年阪神地震引起的海嘯使堤防破壞，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。2008年汶川地震造成了四川部分堤壩水庫出現(xiàn)險情，對堤防抗震設(shè)計提出了更高要求。地震對堤防造成的直接或間接災(zāi)害逐漸被學(xué)者和工程師重視。李建宇［1］對堤防地基土的地震液化特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)液化土堤基危害不可忽視，提出了堤防地基土地震液化判別方法。陳育民等［2］采用FLIP程序研究了青草沙水庫堤防的地震液化變形問題，發(fā)現(xiàn)水庫水位較高時易引發(fā)潰堤災(zāi)害。方火浪等［3］利用Biot多孔介質(zhì)理論及FLIP軟件分析了深厚砂質(zhì)覆蓋層土壩的動力反應(yīng)。王銳［4］對黃河堤防砂性土液化問題進(jìn)行研究，分析了砂土液化的主要因素并給出了相關(guān)堤段的液化概率。李存柱等［5］對拋石堤防進(jìn)行了顆粒流離散元數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)地震作用下拋石堤防變形規(guī)律與經(jīng)典破壞模式吻合。李靜［6］對吹填島礁堤防進(jìn)行了地震動力響應(yīng)分析，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)震作用下海堤易出現(xiàn)破壞失穩(wěn)。李文斌等［7］探討了不同填料條件下海堤加速度、震后位移、液化等方面的動力響應(yīng)。這些研究主要針對堤防工程中不良地基地震液化及穩(wěn)定性，目前關(guān)于堤防工程的動力響應(yīng)研究多以大壩堤防等為主，針對蓄滯洪區(qū)老堤加培堤防的地震響應(yīng)研究較少。

為防止老堤加培堤防出現(xiàn)地震災(zāi)害險情，本文以華陽河蓄滯洪區(qū)建設(shè)工程擬建老堤加培堤防工程為例，建立老堤加培堤防的三維有限元模型，分析不同強(qiáng)度地震作用下堤防加速度、位移、新老堤接合部位差異變形等動力響應(yīng)特征，為老堤加培堤防抗震設(shè)計及工程除險地基加固提供指導(dǎo)。

1 工程概況

華陽河蓄滯洪區(qū)建設(shè)工程新建堤防擬采取在老堤堤身加培（一側(cè)內(nèi)培）方式，擬建堤頂高程為18.2 m，頂寬為6 m，加培第一級高為2.0 m，第二級高為4.0 m，新建堤防斷面及地層剖層如圖1所示。根據(jù)項目地質(zhì)勘察報告及軟基處理專題報告［8］，蓄滯洪區(qū)建設(shè)工程擬建堤線全長137 km，其中有85 km堤基存在軟土層，蓄滯洪區(qū)加培老堤軟土地基土層主要有：粉質(zhì)黏土③－2b、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土③－3b、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土③－5b、含淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土③－6b、含礫粉土③－4b。堤基為軟弱河湖沉積層，老堤堤基軟土經(jīng)多年固結(jié)，其軟土力學(xué)性質(zhì)較弱，均具有中、高壓縮性。

圖1 新建堤防斷面及地層剖面

2 工程數(shù)值建模分析

2.1 有限元模型建立

為研究蓄滯洪區(qū)老堤加培堤防地震響應(yīng)特征，采用ABAQUS有限元分析軟件作為主要研究手段，建立考慮新老堤接合缺陷的加培老堤堤防三維數(shù)值模型。新堤在老堤一側(cè)通過加培方式構(gòu)建，老堤與新堤接合部界面通過接觸方式連接，建立了3個面的介質(zhì)接觸對，通過接觸算法求解接觸方程得到老堤與新堤之間界面接觸的力學(xué)關(guān)系。在ABAQUS中接觸分為擠壓、滑動、分離等相互作用行為，接觸面切向接觸摩擦因子為0.38，法向接觸為硬接觸。為提高計算效率，對數(shù)值模型中地層信息進(jìn)行適當(dāng)簡化，重點(diǎn)關(guān)注不同地震條件下老堤加培堤防和新老堤接合面薄弱位置的地震響應(yīng)特征，因此在堤身部位進(jìn)行網(wǎng)格加密。為減小模型邊界效應(yīng)，建立的土體幾何模型尺寸橫斷面地震激振方向選取長度為95 m。由于不考慮堤防縱斷面地震效應(yīng)影響，故模型縱斷面方向選取長度為50 m。老堤加培三維數(shù)值模型及土體分層情況如圖2所示。根據(jù)地勘資料并對數(shù)值模型土層進(jìn)行適當(dāng)簡化，設(shè)定土體各層物理力學(xué)計算參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模型土體計算參數(shù)

圖2 老堤加培三維數(shù)值模型

模型地基采用摩爾－庫侖本構(gòu)模型，將模型底部和側(cè)邊界設(shè)置為黏性邊界。根據(jù)地層力學(xué)參數(shù)設(shè)置模型剛度和阻尼。老堤堤防模型與老堤加培堤防模型的網(wǎng)格劃分形式如圖3所示。模型地基土為采用三維8節(jié)點(diǎn)縮減積分單元的C3D8R單元。其中，老堤模型共計節(jié)點(diǎn)總數(shù)為121 635，單元總數(shù)為112 950；加培堤防模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)為137 802，單元總數(shù)為126 350。設(shè)置模型邊界條件為地應(yīng)力平衡分析步中約束模型底部2個方向的位移，以及地震激勵方向左右兩側(cè)位移。在動力分析步中刪去左右側(cè)邊界約束。土體阻尼比按通常經(jīng)驗(yàn)取值為5%。老堤堤防模型、老堤加培堤防模型的加速度監(jiān)測點(diǎn)分別記為M1～M7和M1～M9，加培堤防模型的新老堤接合面接縫位移監(jiān)測點(diǎn)記為D1～D4（見圖3）。

圖3 老堤堤防模型與老堤加培堤防模型網(wǎng)格劃分

初始應(yīng)力狀態(tài)是否正確直接決定動力時程分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，模型豎向總應(yīng)力分布云圖如圖4所示。老堤地面應(yīng)力分布均勻，受堤防重力影響應(yīng)力分布呈現(xiàn)沿堤身高度逐漸變化，老堤加培堤防應(yīng)力受加培區(qū)新地基土影響，應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了改變，整體應(yīng)力水平略有提高，淺層地基應(yīng)力水平顯著高于老堤，初始應(yīng)力狀態(tài)與堤基力學(xué)行為相符。由此可見，建立的數(shù)值模型較為合理，滿足分析研究的要求。加培老堤改變了堤基初始應(yīng)力狀態(tài)，加培老堤模型的新老堤結(jié)合面處更易受到不平衡應(yīng)力場影響，可能造成潛在裂縫形成。因此，在相關(guān)工程中應(yīng)重視堤防初始應(yīng)力場的變化規(guī)律。

圖4 老堤堤防模型與老堤加培堤防模型地應(yīng)力平衡狀態(tài)

2.2 地震荷載施加

根據(jù)中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖［9］，華陽河蓄滯洪區(qū)堤防工程所在地區(qū)的地震烈度為V度，其Ⅱ類場地地震峰值加速度為0.05g。本文選用的EL－Centro地震波為人類首次完整記錄的地震波數(shù)據(jù)［10］。為分析強(qiáng)震作用下堤防失效破壞模式，設(shè)置峰值加速度分別為0.15g、0.3g，分別記為E1和E2。原始波時程25 s，壓縮持續(xù)時間至20 s，其地震波加速度時程曲線如圖5所示。

圖5 EL－Centro地震波加速度時程曲線

3 結(jié)果分析

3.1 加速度響應(yīng)分析

本文選取了M2（堤基底部）、M5（地表面）、M7（堤頂）3個典型加速度監(jiān)測點(diǎn)，EL－Centro地震波E1地震強(qiáng)度作用下老堤和老堤加培模型的峰值加速度時程曲線如圖6、圖7所示。堤基及上部堤防自下至上加速度響應(yīng)逐漸增大，老堤堤頂峰值加速度為0.200g，加培堤防堤頂峰值加速度為0.170g，堤身加速度較下部堤基加速度幅值進(jìn)一步放大，整體加速度呈現(xiàn)非線性放大趨勢，主要是因?yàn)榈躺砉逃蓄l率更小，剪切波速也更小。注意到堤身峰值加速度相對于堤基整體更大，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注新老堤接合面加速度響應(yīng)差異。

圖6 EL－Centro波E1地震強(qiáng)度作用下老堤模型加速度時程曲線

圖7 EL－Centro波E1地震強(qiáng)度作用下老堤加培模型加速度時程曲線

將測點(diǎn)位置峰值加速度與輸入波峰值加速度的比值定義為加速度放大系數(shù)，EL－Centro波E1、E2地震強(qiáng)度作用下老堤模型（M1～M7）和老堤加培模型（M1～M9）各測點(diǎn)峰值加速度放大系數(shù)如圖8所示。通過不同等級地震加速度放大系數(shù)發(fā)現(xiàn)，地震峰值加速度越大，堤頂峰值加速度越大，加速度放大效應(yīng)越明顯。對比老堤與加培堤防模型可以看出，加培后堤防整體加速度放大系數(shù)小于老堤。此外，老堤加培模型堤頂平臺位置（M8、M9）加速度放大效應(yīng)不明顯，且隨著地震等級增大，堤基、堤身及堤頂?shù)募铀俣确糯笙禂?shù)抑制現(xiàn)象均越明顯。由此可見，盡管堤防結(jié)構(gòu)加速度被放大，加培堤防對于改善堤防上部因質(zhì)量變化差異導(dǎo)致的鞭梢效應(yīng)被抑制，老堤加培新堤抑制了加速度放大趨勢，且隨著地震等級增大，加速度放大系數(shù)抑制現(xiàn)象越明顯，這有利于堤防整體的抗震性能提升。因此，對于堤防動力問題分析，應(yīng)將堤基和堤防作為整體進(jìn)行分析和抗震設(shè)計。

圖8 EL－Centro波地震作用下老堤和老堤加培模型峰值加速度響應(yīng)

3.2 位移云圖分析

選取地震作用下堤防模型典型時刻（老堤選取t＝0.5 s，1.4 s，3.6 s；老堤加培堤防t＝0.5 s，2.4 s，3.0 s）位移云圖進(jìn)行機(jī)理分析，E1強(qiáng)度地震激勵作用下老堤和老堤加培堤防模型的不同時刻位移云圖如圖9所示。地震作用隨著時間推移位移由下至上逐漸傳遞，堤頂位移最遲達(dá)到最大峰值。老堤堤防水平位移響應(yīng)與加速度響應(yīng)類似，加速度響應(yīng)越大時水平位移響應(yīng)也越大。新老堤接合面存在差異水平位移和沉降變形，這將導(dǎo)致堤防交接部位產(chǎn)生裂隙，在高水位運(yùn)行條件下極易引發(fā)滲透破壞，需要引起重視。在堤防抗震設(shè)計時應(yīng)注意在新老堤接合面采取措施，避免地震作用下的差異變形。

圖9 EL－Centro波E1地震強(qiáng)度作用下老堤和老堤加培模型不同時刻位移云圖

3.3 接合部殘余位移分析

地震下老堤和老堤加培模型殘余位移云圖如圖10所示。新老堤接合面處由于土體強(qiáng)度、剛度等力學(xué)特性不同，接合部在地震作用下表現(xiàn)出應(yīng)力不均勻現(xiàn)象，在接合部處產(chǎn)生應(yīng)力釋放，導(dǎo)致裂縫逐漸產(chǎn)生。堤防殘余變形主要發(fā)生于堤腳、新老堤接合面，在堤防下部堤基一定范圍存在滑動勢區(qū)。隨著地震峰值加速度增大，堤防堤腳地基土隆起現(xiàn)象越明顯，而新老堤裂縫張拉越顯著。在臨水側(cè)堤身表面有明顯的震陷。這主要是因?yàn)榕R水側(cè)新老堤接合面受力以新堤堆壓老堤，且在加培界面易形成超孔隙水壓力，在孔隙水壓力釋放過程中將進(jìn)一步導(dǎo)致裂隙擴(kuò)展。建議在堤防抗震設(shè)計和工程施工中對新老堤薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行加固處理。

圖10 EL－Centro波E1地震強(qiáng)度作用下老堤和老堤加培模型殘余位移云圖

進(jìn)一步對比堤身不同位置處位移幅值時間歷程曲線，如圖11所示。老堤加培模型堤頂上下接觸面位置（D1）存在明顯的差異位移，差異位移主要發(fā)生在輸入峰值加速度幅值較大的前4 s內(nèi)，堤頂上接觸面位移幅值達(dá)到2 cm，下接觸面位移幅值達(dá)到1 cm，最大差異位移在1 cm左右，隨著地震激勵衰減，新老堤接合面堤頂差異位移逐漸減小。對比發(fā)現(xiàn)，堤身處臨近接觸界面（D2）差異位移較小，堤腳處接觸界面（D3）存在較小的差異位移。對比老堤堤頂和新堤堤頂位移幅值（D1、D4）可以發(fā)現(xiàn)，新堤位移由于具有更高的高度，受地震加速度放大效應(yīng)更為顯著，其最大位移幅值也更大。

圖11 EL－Centro波E1地震強(qiáng)度作用下堤身不同位置處位移幅值時間歷程曲線

4 結(jié)論

基于數(shù)值模擬分析結(jié)果，得出主要結(jié)論如下：

（1）地震作用下堤基及堤身加速度響應(yīng)特征呈現(xiàn)自下至上逐漸增大，堤身結(jié)構(gòu)存在顯著的加速度放大效應(yīng)，整體加速度呈現(xiàn)非線性放大趨勢。堤身峰值加速度相對于堤基整體更大，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注新老堤接合面加速度響應(yīng)差異。

（2）加培堤防對于改善堤防上部因質(zhì)量變化差異導(dǎo)致的鞭梢效應(yīng)被抑制，老堤加培新堤抑制了加速度放大趨勢，且隨著地震強(qiáng)度增大，加速度放大系數(shù)抑制現(xiàn)象越明顯。因此，應(yīng)對堤防動力問題時，應(yīng)將堤基和堤防作為整體進(jìn)行分析和抗震設(shè)計。

（3）新老堤接合面存在差異水平位移和沉降變形，新老堤堤頂在地震作用下存在差異沉降問題，堤防殘余變形主要發(fā)生于新老堤接合面的老堤堤頂、老堤堤腳，在堤防下部堤基一定范圍存在滑動勢區(qū)。隨著地震峰值加速度增大，堤防堤腳地基土隆起現(xiàn)象越明顯，而新老堤裂縫張拉越顯著。建議通過老堤加培方式對結(jié)構(gòu)部薄弱位置進(jìn)行抗震加固設(shè)計，堤防抗震設(shè)計時在新老堤接合面處建議采取措施，避免地震作用下的差異變形。