蓄滯洪區老堤加培堤防地震響應數值模擬分析

黃萬江，王漢武，任佳麗

（1.安慶市水利局工程質量監督站，安徽 安慶 246003；2.長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，湖北 武漢 430010）

蓄滯洪區是長江水系防洪的關鍵基礎設施，沿江堤防涉及多個省份，部分地區為高烈度地震區域，地震潛在災害風險較大。蓄滯洪區老堤防年久失修，已無法滿足當前抗洪設計要求，需要通過在老堤內側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震作用時，易出現裂隙并引起堤防滲透，嚴重威脅堤防運行安全，極易引發潰堤險情。

因地震引起的堤防破壞及次生災害的報道屢見不鮮［1］。1995年阪神地震引起的海嘯使堤防破壞，造成嚴重經濟損失。2008年汶川地震造成了四川部分堤壩水庫出現險情，對堤防抗震設計提出了更高要求。地震對堤防造成的直接或間接災害逐漸被學者和工程師重視。李建宇［1］對堤防地基土的地震液化特性進行分析，發現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，發現水庫水位較高時易引發潰堤災害。方火浪等［3］利用Biot多孔介質理論及FLIP軟件分析了深厚砂質覆蓋層土壩的動力反應。王銳［4］對黃河堤防砂性土液化問題進行研究，分析了砂土液化的主要因素并給出了相關堤段的液化概率。李存柱等［5］對拋石堤防進行了顆粒流離散元數值模擬，發現地震作用下拋石堤防變形規律與經典破壞模式吻合。李靜［6］對吹填島礁堤防進行了地震動力響應分析，發現強震作用下海堤易出現破壞失穩。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。這些研究主要針對堤防工程中不良地基地震液化及穩定性，目前關于堤防工程的動力響應研究多以大壩堤防等為主，針對蓄滯洪區老堤加培堤防的地震響應研究較少。

為防止老堤加培堤防出現地震災害險情，本文以華陽河蓄滯洪區建設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特征，為老堤加培堤防抗震設計及工程除險地基加固提供指導。

1 工程概況

華陽河蓄滯洪區建設工程新建堤防擬采取在老堤堤身加培（一側內培）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。根據項目地質勘察報告及軟基處理專題報告［8］，蓄滯洪區建設工程擬建堤線全長137 km，其中有85 km堤基存在軟土層，蓄滯洪區加培老堤軟土地基土層主要有：粉質黏土③－2b、淤泥質粉質黏土③－3b、淤泥質粉質黏土③－5b、含淤泥質粉質黏土③－6b、含礫粉土③－4b。堤基為軟弱河湖沉積層，老堤堤基軟土經多年固結，其軟土力學性質較弱，均具有中、高壓縮性。

圖1 新建堤防斷面及地層剖面

2 工程數值建模分析

2.1 有限元模型建立

為研究蓄滯洪區老堤加培堤防地震響應特征，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值模型。新堤在老堤一側通過加培方式構建，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關系。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，對數值模型中地層信息進行適當簡化，重點關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特征，因此在堤身部位進行網格加密。為減小模型邊界效應，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影響，故模型縱斷面方向選取長度為50 m。老堤加培三維數值模型及土體分層情況如圖2所示。根據地勘資料并對數值模型土層進行適當簡化，設定土體各層物理力學計算參數見表1。

表1 數值模型土體計算參數

圖2 老堤加培三維數值模型

模型地基采用摩爾－庫侖本構模型，將模型底部和側邊界設置為黏性邊界。根據地層力學參數設置模型剛度和阻尼。老堤堤防模型與老堤加培堤防模型的網格劃分形式如圖3所示。模型地基土為采用三維8節點縮減積分單元的C3D8R單元。其中，老堤模型共計節點總數為121 635，單元總數為112 950；加培堤防模型節點總數為137 802，單元總數為126 350。設置模型邊界條件為地應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位移。在動力分析步中刪去左右側邊界約束。土體阻尼比按通常經驗取值為5%。老堤堤防模型、老堤加培堤防模型的加速度監測點分別記為M1～M7和M1～M9，加培堤防模型的新老堤接合面接縫位移監測點記為D1～D4（見圖3）。

圖3 老堤堤防模型與老堤加培堤防模型網格劃分

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

圖4 老堤堤防模型與老堤加培堤防模型地應力平衡狀態

2.2 地震荷載施加

根據中國地震動參數區劃圖［9］，華陽河蓄滯洪區堤防工程所在地區的地震烈度為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據［10］。為分析強震作用下堤防失效破壞模式，設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 結果分析

3.1 加速度響應分析

本文選取了M2（堤基底部）、M5（地表面）、M7（堤頂）3個典型加速度監測點，EL－Centro地震波E1地震強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一步放大，整體加速度呈現非線性放大趨勢，主要是因為堤身固有頻率更小，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，應重點關注新老堤接合面加速度響應差異。

圖6 EL－Centro波E1地震強度作用下老堤模型加速度時程曲線

圖7 EL－Centro波E1地震強度作用下老堤加培模型加速度時程曲線

將測點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，EL－Centro波E1、E2地震強度作用下老堤模型（M1～M7）和老堤加培模型（M1～M9）各測點峰值加速度放大系數如圖8所示。通過不同等級地震加速度放大系數發現，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）加速度放大效應不明顯，且隨著地震等級增大，堤基、堤身及堤頂的加速度放大系數抑制現象均越明顯。由此可見，盡管堤防結構加速度被放大，加培堤防對于改善堤防上部因質量變化差異導致的鞭梢效應被抑制，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，加速度放大系數抑制現象越明顯，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，應將堤基和堤防作為整體進行分析和抗震設計。

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

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）位移云圖進行機理分析，E1強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，堤頂位移最遲達到最大峰值。老堤堤防水平位移響應與加速度響應類似，加速度響應越大時水平位移響應也越大。新老堤接合面存在差異水平位移和沉降變形，這將導致堤防交接部位產生裂隙，在高水位運行條件下極易引發滲透破壞，需要引起重視。在堤防抗震設計時應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度、剛度等力學特性不同，接合部在地震作用下表現出應力不均勻現象，在接合部處產生應力釋放，導致裂縫逐漸產生。堤防殘余變形主要發生于堤腳、新老堤接合面，在堤防下部堤基一定范圍存在滑動勢區。隨著地震峰值加速度增大，堤防堤腳地基土隆起現象越明顯，而新老堤裂縫張拉越顯著。在臨水側堤身表面有明顯的震陷。這主要是因為臨水側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一步導致裂隙擴展。建議在堤防抗震設計和工程施工中對新老堤薄弱環節進行加固處理。

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

進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，差異位移主要發生在輸入峰值加速度幅值較大的前4 s內，堤頂上接觸面位移幅值達到2 cm，下接觸面位移幅值達到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。對比發現，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）可以發現，新堤位移由于具有更高的高度，受地震加速度放大效應更為顯著，其最大位移幅值也更大。

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

4 結論

基于數值模擬分析結果，得出主要結論如下：

（1）地震作用下堤基及堤身加速度響應特征呈現自下至上逐漸增大，堤身結構存在顯著的加速度放大效應，整體加速度呈現非線性放大趨勢。堤身峰值加速度相對于堤基整體更大，應重點關注新老堤接合面加速度響應差異。

（2）加培堤防對于改善堤防上部因質量變化差異導致的鞭梢效應被抑制，老堤加培新堤抑制了加速度放大趨勢，且隨著地震強度增大，加速度放大系數抑制現象越明顯。因此，應對堤防動力問題時，應將堤基和堤防作為整體進行分析和抗震設計。

（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。隨著地震峰值加速度增大，堤防堤腳地基土隆起現象越明顯，而新老堤裂縫張拉越顯著。建議通過老堤加培方式對結構部薄弱位置進行抗震加固設計，堤防抗震設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。