边坡和大坝的地震稳定性(Seismic Stability of Slopes and Dams)

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1 引言

迄今为止，2023年2月6日土耳其发生的M7.8级地震【土耳其M7.4级地震后的岩土地震工程研究回顾(Kocaeli, Turkey, 1999)】已经造成超过46,000人死亡，而2月21日又发生了M6.3级地震。卫星图像显示本次地震后地面已经产生了两条延绵数百公里的大裂缝。地裂是震级大于M7.0地震后产生的特有现象【青海玛多地震M7.3后续---道路与桥梁损坏】，液化都能造成建筑物的损坏，更不用说地裂。小的地震可能导致边坡、堤坝和大坝发生损伤，大的地震将会直接导致边坡发生滑坡和坝体结构发生重大破坏，具体的表现形式为滑坡、坍塌、出现裂缝以及永久变形。

2 Ataturk大坝

这次土耳其强震发生后，位于土耳其东南部的阿塔图尔克大坝(Ataturk Dam)出现了裂缝，该大坝是土耳其的第三大坝，拥有超过800平方千米的水库面积，估计储水量近50立方千米。如果大坝破裂，将对大坝附近约30平方公里的区域造成破坏。此外，叙利亚北部的米丹基湖大坝(Lake Midanki Dam)也受到了影响。

3 地震影响的机理

下面简要讨论地震影响的机理(Mechanisms of Seismic Effects)。边坡或大坝的稳定性受到许多因素的影响，一个完整的边坡稳定性评估必须考虑到每个因素的影响，包括地质、水文、几何和材料特性，需要可靠地进行静态和地震边坡稳定性分析【地震载荷作用下的边坡稳定性分析(Seismic Loading)】。

边坡的地震稳定性受其静态稳定性的影响很大，因为在静态条件下安全系数低的边坡需要较低的附加动态应力来达到屈服。因此任何边坡在静态条件下的安全系数必须大于1.0以适应地震需求。安全系数的可接受值取决于用于分析的模型的不确定性、岩土参数、地震的震级和持续时间以及边坡破坏的潜在后果，工程设计通常使用的安全系数范围在1.2~1.5之间。

边坡的地震稳定性分析必须考虑地震震动引起的动态应力的影响以及由于地震载荷引起的边坡材料的强度和应力-应变行为的变化，这些影响可能会导致由于惯性或弱化效应而产生的屈服和塑性变形。当地震引起的动态应力达到土的抗剪强度时，会产生惯性效应(inertial effects)，从而引起边坡变形，FLAC3D对此有详细的讨论。当土由于地震荷载而被削弱(液化或软化)，并不能在地震引起的应力下保持稳定时，就会出现削弱效应。当土的抗剪强度小于维持平衡所需的静态抗剪应力时，就会发生流动破坏；当土的剪切强度降低到低于地震引起的动态剪切应力时，就会发生变形破坏。

4 分析过程

在一个典型的分析中，按照下面的地震边坡稳定性评价过程(Evaluation of Seismic Slope Stability)进行评价：

(1) 在潜在破坏面的所有点上计算液化势【基于经验方法的地震液化判别；2022 Seed 讲座---液化影响评价(Evaluating the Effects of Liquefaction)】；

(2) 如果抗液化的安全系数小于1，那么破坏面的部分设置为残余强度；

(3) 如果抗液化的安全系数大于1，那么强度值是基于地震结束时的有效应力；

(4) 使用这些强度值，进行常规的极限平衡稳定性分析，计算抗流滑(flow sliding)的总体安全系数；如果总体安全系数小于1，则可能会出现流滑(flow sliding)。

5 结束语

对于震级小的地震，我们可以使用伪静态方法检查边坡或堤坝的稳定性，并确定地震力产生的变形。但对于大的孔隙压力或由于地震震动而显示出15%以上的强度下降的土来说，使用伪静态分析得出的结果不可靠。过去的经验显示，虽然一些大坝使用伪静态分析得出的安全系数大于1，但在地震中还是发生了破坏，这些案例说明了伪静态分析很难评估边坡或大坝的抗震稳定性。由于在分配适当的伪静态系数方面存在一定困难，目前已经逐渐减少使用这种方法，地震边坡稳定性分析正越来越多地使用基于永久变形的评估方法。

2022年8月，美国大坝协会(USSD, United States Society on Dams)发布了一份《堤坝地震变形分析》(Analysis of Seismic Deformation of Embankment Dams)报告【堤坝地震变形分析(Seismic Deformations of Embankment Dams)】，强调了数值模拟在边坡和大坝地震稳定性分析中的重要性。

需要指出的是，上述讨论基于普遍的边坡地震稳定性分析原理，特别是基于加拿大的岩土工程实践，不一定完全适合国内规范限定的评估步骤。

来源：计算岩土力学