地震作用下水库高边坡动力响应模拟分析_陈士银.pdf

2023 年第 2 期水利技术监督建设与管理DOI:10.3969/j.issn.1008-1305.2023.02.035地震作用下水库高边坡动力响应模拟分析陈士银，曹宇(费县许家崖水库管理中心，山东 临沂 273400)摘要:分析高边坡在地震作用下的稳定性，对于边坡安全具有重要意义。文章以某水库高边坡为例，采用 FLAC3D 中的动力分析模块，对边坡加固效果进行模拟，分析加固后边坡 PGA 放大系数及动力响应特征。结果表明PGA 放大系数随斜坡高程增加而增大，在边坡同一高度，坡面 PGA 放大系数大于坡内 PGA 放大系数;坡体内最大剪应变随震动加速度增加而增大，两者满足一次函数关系 y=0.106x+0.045。研究结果揭示了边坡地震响应规律，可为类似工程抗震设计提供参考。关键词:地震;高边坡;峰值加速度;动力响应中图分类号:TV698.13文献标识码:A文章编号:1008-1305(2023)02-0136-03收稿日期:2022-10-17作者简介:陈士银(1976 年)，男，助理工程师。E-mail:高边坡在地震作用下的稳定性是铁路、公路、水利工程建设中经常遇到的问题，合理评价其稳定性对于基础工程的安全运营具有重要意义1。然而，如何评价高边坡的稳定性一直困扰着工程技术人员2。高边坡在地震动力下的响应规律较为复杂，传统的等效静力法没有考虑高边坡固有的动力特性，往往产生较大的误差，危害工程安全3-4。王飞等5 以深东高速深路堑边坡为研究对象，采用有限差分软件 FLAC3d 研究地震作用下高边坡开挖条件下的变形及动力响应规律，结果表明，地震作用下，坡体内会产生贯通剪切带;张卢明等6 采用有限差分动力分析法，对飞凤山滑坡进行抗震稳定性分析，结果表明，在 0.33g 的地震加速度作用下，该边坡加固效果较好，能维持稳定状态。以上研究均针对边坡坡面的动力响应规律，缺少对坡体内部的动力响应特征及位移规律缺少研究。本文以某高边坡为例，采用有限差分数值模拟软件 FLAC3d，对边坡在地震作用下的坡面及坡体内部响应规律，及坡体内部变形及位移特征进行分析，研究结果为相关工程抗震设计提供了参考依据。1工程概况该边坡位于某水库库岸，研究区地貌类型属于中高山地貌，平均海拔在 3100m 以上，地形高差较大。现场工程地质勘测表明，该公路路堑坡度30 50，坡面下部较陡，平均坡度达 45以上，坡顶部稍平缓，约 30 40，表面覆盖有植被层。边坡表层岩性主要为第四系全新统坡积的碎石土，碎石含量约 50%60%，碎石粒径在 2 10cm 范围内，并含有少量块石，块体强度较高，岩性主要为粉砂岩。下覆奥陶系下统变质砂岩，埋深较大，厚约 30 55m。岩体节理裂隙发育较好，粒径 5 10cm。边坡剖面图如图 1 所示。图 1边坡工程地质剖面图(单位:m)根据现场及室内岩土体力学测试，该边坡各岩土层物理力学参数见表 1。631建设与管理水利技术监督2023 年第 2 期表 1各岩土层物理力学参数岩性天然重度/(kN m3)黏聚力(天然)c/kPa内摩擦角(天然)/()黏聚力(饱和)c/kPa内摩擦角(饱和)/()饱和重度/(kN m3)碎石土19.822.53219.23422.1变质砂岩23.139.63925.84126.92边坡动力响应数值模拟2.1计算工况本文分析该高边坡采用锚墩式主动防护网加固后，在不同地震烈度条件下边坡的稳定性及动力响应特 征。研 究 区 地 震 动 峰 值 加 速 度(PGA)为0.10g，查表可知，相应地震烈度为级。根据JTG 22322019公路隧道抗震设计规范，地震烈度与水平地震系数对应关系见表 2。表 2地震基本烈度与水平地震系数对应表地震基本烈度6789水平地震系数0.050.100.200.402.2边界条件设置根据该边坡的实际工况，考虑二维边坡剖面数值模型，模型顶部及临空面设置为自由边界条件，底部及后部设置为固定约束。边坡边界条件示意图如图 2 所示。图 2边坡边界条件设置2.3边坡的动力响应影响因素分析边坡内部任一点加速度峰值(PGA)与坡脚处峰值加速度(PGA)比值即为 PGA 放大系数，能反映边坡对地震加速度的响应规律。本节研究加速度放大系数随高程的变化规律。首先在坡体内及坡面不同位置设置若干加速度传感器作为监测点，并记录该点处加速度随时间变化情况。其中监测点 A1，A2，A3，A4，A5沿着坡面自上至下分布，监测点B1，B2，B3，B4，B5沿坡体左侧自上至下分布，监测点分布如图 3 所示。图 3边坡加速度监测点设置(单位:m)为研究不同震动加速度的边坡响应规律，选取峰值加速度分别为 0.05g、0.1g、0.15g 及 0.2g 条件下的 4 种加速度，输入路堑边坡数值模型中，结果如图 4 所示。由图 4(a)可知，当震动持续时间不变时，随着震动峰值加速度(PGA)从0.05g 增大到0.2g，坡面不同监测点的 PGA 放大系数均减小，两者之间呈负相关。对于同一监测点，PGA 放大系数首先随高程增加而减小，在达到坡高 1/2 处时，PGA 放大系数随高程增加而增大，两者之间呈现明显的线性关系。推测分析此种现象是由于坡脚处剪应变较大，导致土体抗剪强度降低，并且阻尼增大导致的7-8。由图 4(b)可知，随着震动峰值加速度(PGA)从 0.05g 增大到 0.2g，坡内不同监测点的 PGA 放大系数同样有所下降。但坡内 PGA 放大系数随高程增加而增大，且近似呈一次函数关系。对比图 4(a)和(b)可以看出，对于同一高程，坡面 PGA 放大系数均大于坡内 PGA 放大系数，说明坡面岩土体对于地震的响应更加敏感。不同地震振幅条件下，边坡最大位移随地震动加速度变化情况如图 5 所示。由图 5 可以看出，地震动加速度从 0.5g 增加到 2.0g 时，坡面最大水平位移从 32mm 增加到7312023 年第 2 期水利技术监督建设与管理图 4不同震动条件下坡面及坡内PGA 放大系数变化情况图 5坡面最大位移随地震加速度变化规律125mm，增加了 291%，最大竖向位移从 61mm增加到 187mm，增加了 206%。说明震动加速度会导致坡面产生较大的位移，对边坡稳定性产生一定的影响。水平位移和竖向位移与地震动加速度分别满足一次函数关系:y=47.2x+23.5(2=0.98)，y=68x 27.5(2=0.99)。坡内最大剪应变增量随地震动加速度变化规律如图 6 所示。图 6坡内最大剪应变增量随地震动加速度变化规律由图 6 可 知，地 震 加 速 度 从 0.5g 增 加 到2.0g 时，坡 体 内 最 大 剪 应 变 从 0.1 增 加 到0.27，增加了 170%，两者之间近似呈一次函数关系 y=0.106x+0.045(2=0.99)，说明震动加速度对坡体内剪应变影响较大，导致边坡发生剪切应变。由图 56 可以看出，随着地震动加速度的增加，坡体最大剪应变及总位移明显增大，说明在地震波持续产生的震动作用下，碎石土路堑高边坡单元发生累积损伤作用，并形成潜在滑动面，对边坡稳定性产生了较大影响，应重点进行加固。不同地震持续时间下坡面和坡体 PGA 放大系数如图 7 所示。由图 7(a)可知，15、20 和 25s 的地震波持续时长下，边坡坡面 PGA 放大系数差别较小，说明地震波时长与 PGA 放大系数关系不大。由图 7(b)同样可以看出，地震波持续时长对 PGA 放大系数影响较小，由于斜坡临空面放大效应与高程变化呈正相关，因此坡体内部 PGA 放大系数受地震持续时间影响更小。3结论在对边坡进行调查的基础上，建立二维力学数值模型，并输入不同强度的地震波，通过改变地震波强度及输入时间，模拟高边坡在地震作用下的动力响应规律及变形特征。结果显示震动峰值加速度(PGA)从 0.05g 增大到 0.2g 时，坡面在 1/2 坡高下，各监测点 PGA 放大系数随(下转第 198 页)8312023 年第 2 期水利技术监督理论研究选取影响灌水小区控制面积大小的因素的取值，以保证设计方案最优。(2)本文通过计算得出的影响因素组合特例:即在 L毛=60m，Se=0.8m，Sd=0.3m，qd=2L/h时，Q支LN，该结论能较简便的完成同类种植模式对应的灌水小区管网布置形式设计工作前期方案的比选工作(亩均投资的高低直接决定设计方案)，计算结果较为准确，可以提高项目设计初期的工作效率，可供设计工作者和建设单位相关人员在实践中参考。参考文献 1鞠学良，吴普特，Weckler Paul，等 均匀坡微灌毛管适宜布置形式优选 J 农业机械学报，2016，47(5):123-128 2张志新 滴灌工程规划设计原理与应用M 北京:中国水利水电出版社，2007:242-265 3李援农，朱锋 基于最大控制面积和最低费用的微灌小区管网优化 J 农业工程学报，2015，31(23):80-87 4海英 滴灌灌水小区水力计算程序设计及应用D 新疆农业大学，2018 5梁华锋 滴灌灌水小区水力特性分析与灌水器性能试验研究D 中国农业科学院，2014 6史皓男 灌溉管网中变径管水力特性研究J 水利规划与设计，2016(5):66-68 7张国祥，申亮 微灌灌水小区水力设计的经验系数法J 节水灌溉，2005(6):20-23 8武朝阳 农田节水灌溉小管出流灌溉模式及投资概算分析J 水利技术监督，2021(12):54-55，191 9王玉，吕珂 PE 管的工程性能分析J 水利技术监督，2021(11):114-116，156(上接第 138 页)图 7不同地震持续时间下坡面和坡体 PGA 放大系数PGA 增大而降低;在坡高 1/2 以上，PGA 放大系数随高程增加而增大，两者之间呈现明显的线性关系。且在边坡同一高度下，坡面 PGA 放大系数均大于坡内 PGA 放大系数。坡面最大水平位移增加了 291%，最大竖直位移增加了 206%，震动加速度对坡体位移影响较大。坡体内最大剪应变与震动加速度之间近似呈一次函数关系 y=0.106x+0.045(2=0.99)。研究结果揭示了边坡的动力响应规律，对于相关工程设计有一定的参考价值。因边坡地质构造的复杂性，相关课题还需要进一步研究。参考文献 1陈玲玲，陈敏中，钱胜国 岩质陡高边坡地震动力稳定分析J 长江科学院院报，2014，21(1):31-44 2王环玲，徐卫亚 高烈度区水电工程岩石高边坡三维地震动力响应 分 析J 岩 石 力 学 与 工 程 学 报，2015，24(S2):5890-5895 3魏建兵 武广高铁红黏土高边坡地震动力稳定性分析J 城乡建设，2013，37(5):121-133 4夏栋舟，刘建华，何忠明 强震作用下岩质高边坡动力特性J 中南大学学报:自然科学版，2012，43(6):77-89 5王飞，吴红刚，郭春香 碎石土路堑高边坡地震动力响应过程分析J 中国地质灾害与防治学报，2020，31(1):231-243 6张卢明，周勇，岳建国，等 粉砂质页岩高边坡滑坡动力稳定性分析及防治效果评价J 湖南科技大学学报:自然科学版，2021，36(3):229-240 7余政兴，孙宁 引发某近坝库岸滑坡失稳临界蓄水位研究J 水利技术监督，2021(11):157-163 8陈金辉，范涛，纪鹏 库岸滑坡成因分析及治理方案J 水利技术监督，2021(6):166-170891