岑威鈞,袁麗娜,張自齊,周 濤,楊宏昆,盧培燦

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京210098 2.水利部土石壩破壞機(jī)理與防控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京210098;3.四川省清源工程咨詢有限公司,四川成都610072)

覆蓋層上高面板堆石壩地震反應(yīng)特性研究

岑威鈞1,2,袁麗娜1,2,張自齊1,2,周 濤3,楊宏昆3,盧培燦3

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京210098 2.水利部土石壩破壞機(jī)理與防控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京210098;3.四川省清源工程咨詢有限公司,四川成都610072)

對西南強(qiáng)震區(qū)某擬建覆蓋層上高面板堆石壩進(jìn)行不同超越概率地震波作用下的地震反應(yīng)計(jì)算分析，重氛研究大壩在強(qiáng)震作用下動(dòng)位移、加速度、面板動(dòng)應(yīng)力及壩基覆蓋層液化等地震反應(yīng)特性.研究表明:隨著輸入地震波峰值的增大，大壩動(dòng)位移和加速度、面板動(dòng)應(yīng)力、覆蓋層動(dòng)孔壓和液化度等反應(yīng)均逐漸增大，但加速度放大倍數(shù)逐漸減小.在100年超越概率2%的校核地震作用下，大壩的抗震安全性依然在合理范圍之內(nèi)，大壩的抗震設(shè)計(jì)是合理的.

高面板堆石壩;地震反應(yīng);加速度;面板動(dòng)應(yīng)力;動(dòng)孔壓

0 引言

混凝土面板堆石壩以其安全性、經(jīng)濟(jì)性及對地基條件的廣泛適應(yīng)性得到了壩工界的普遍認(rèn)同.隨著筑壩技術(shù)的迅速發(fā)展,面板壩筑壩高度不斷攀升,筑壩條件也越發(fā)復(fù)雜.國內(nèi)外相繼建造了一批壩高大于100 m的高面板堆石壩,其中一些面板壩坐落在強(qiáng)震區(qū)和覆蓋層上［1］.“5.12”漢川大地震后,高面板壩抗震安全性的研究得到了很大重視,同時(shí)也注重面板壩震害資料的收集及抗震效果的后評價(jià).其中,受漢川大地震影響的高156 m的紫坪鋪面板堆石壩的抗震安全性和加固措施備受關(guān)注［2-3］.

我國西南地區(qū)某擬建混凝土面板堆石壩,最大壩高138 m,壩頂高程2 925 m,壩頂寬10 m、長292 m,上下游壩坡均為1∶1.4,趾板基礎(chǔ)固結(jié)灌漿深10 m,壩基帷幕灌漿最大深度約75 m.壩基僅河床部位約有20 m厚的覆蓋層.大壩最大剖面見圖1.

圖1 大壩典型剖面圖Fig.1 Typical section of the dam

1 面板壩地震反應(yīng)計(jì)算理論

1.1 地震反應(yīng)計(jì)算過程

首先對大壩進(jìn)行靜力非線性計(jì)算,求出震前每一單元的靜應(yīng)力,作為動(dòng)力計(jì)算的初始應(yīng)力場.動(dòng)力計(jì)算根據(jù)地震加速度時(shí)程曲線幅值大小來劃分若干計(jì)算時(shí)段,每一時(shí)段假定各單元的動(dòng)參數(shù)剪切模量G和阻尼比λ保持不變.根據(jù)靜力初始應(yīng)力場和土石料的動(dòng)力本構(gòu)模型計(jì)算各單元的G和λ,供迭代之用.用W ilson-θ法求解動(dòng)力控制方程,計(jì)算時(shí)間步長Δt取0.01～0.02 s,得到各單元的動(dòng)剪應(yīng)變?chǔ)眠^程,取該時(shí)段最大剪應(yīng)變?chǔ)胢ax的0.65倍作為該單元在該時(shí)段的平均剪應(yīng)變?chǔ)?.從土石料動(dòng)本構(gòu)模型確定G和λ,再計(jì)算剪應(yīng)變過程線,迭代幾次直到各單元的剪切模量和阻尼比達(dá)到精度要求.將此剪切模量和阻尼比作為下一時(shí)段的起始模量Gi+1和阻尼比λi+1,并更新大壩的基頻以作下一時(shí)段迭代之用.重復(fù)上述步驟,求得所需動(dòng)力反應(yīng)量,直至地震結(jié)束為止.

1.2 堆石料和覆蓋層的動(dòng)力本構(gòu)模型

地震作用下,筑壩堆石料和覆蓋層土石料的動(dòng)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系具有明顯的非線性和滯后性等動(dòng)力特性.由于Hardin-Drnevich模型［4］應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)較為豐富,計(jì)算成果較為合理,因此本文選用該模型進(jìn)行計(jì)算.Hardin-Drnevich模型采用與動(dòng)剪應(yīng)變?chǔ)胐相適應(yīng)的動(dòng)剪切模量G和阻尼比λ兩個(gè)參數(shù)來反映土體動(dòng)力非線性和滯后性,計(jì)算公式為

動(dòng)模量:

阻尼比:

最大剪切模量:

式中:γd為動(dòng)剪應(yīng)變;γr為參考剪應(yīng)變;σ′m為平均有效應(yīng)力;Pa為大氣壓力;K2和n為試驗(yàn)參數(shù).

式(1)～式(3)給出的Hardin-Drnevich模型僅在計(jì)算最大動(dòng)剪切模量時(shí)考慮了圍壓的影響,而試驗(yàn)資料表明,動(dòng)剪切模量G和阻尼比λ對圍壓亦有較強(qiáng)的依賴性,原模型不能很好地體現(xiàn)圍壓的作用.根據(jù)動(dòng)力試驗(yàn)資料,將剪切模量的計(jì)算式修正為

式中:α和m為修正系數(shù),可根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到;γr也可與圍壓建立聯(lián)系.

類似地,等效阻尼比的計(jì)算用α(γd/γr)m代替原式(2)中的γd/γr.這樣在高面板壩的抗震計(jì)算中,動(dòng)本構(gòu)模型可以較好地體現(xiàn)圍壓的影響,而不是簡單地取某一圍壓下的參數(shù)值.參數(shù)γr和m等處理成關(guān)于圍壓的函數(shù),根據(jù)動(dòng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合,詳細(xì)過程可參考文獻(xiàn)［5］.

1.3 壩基覆蓋層動(dòng)孔隙水壓力增長特性

壩基覆蓋層動(dòng)孔隙水壓力對大壩抗震安全性的影響至關(guān)重要,其增長、擴(kuò)散和耗散是一個(gè)非常復(fù)雜的過程,影響因素眾多.雖然國內(nèi)外不少學(xué)者［7-10］提出或改進(jìn)了各類動(dòng)孔壓計(jì)算模型,但是,這些計(jì)算型只能考慮部分影響因素,而且,很難采用一個(gè)計(jì)算式對土體液化過程中的各種因素進(jìn)行綜合考慮.1981年,顧淦臣教授基于動(dòng)三軸試驗(yàn)得到動(dòng)孔壓增長曲線(圖2),提出利用該試驗(yàn)曲線計(jì)算動(dòng)孔壓.與傳統(tǒng)方法(如孔壓應(yīng)力模型等)相比,該法避開了動(dòng)力試驗(yàn)時(shí)取某軸向應(yīng)變(如5%)時(shí)的動(dòng)剪應(yīng)力作為液化剪應(yīng)力的任意性,計(jì)算更為科學(xué)合理.限于篇幅,具體計(jì)算步驟不再詳細(xì)給出,參見文獻(xiàn)［6］.

圖2 動(dòng)孔壓比與動(dòng)剪應(yīng)力比關(guān)系Fig.2 The relationship between dynamic pore pressure ratio and dynamic shear stress ratio

2 地震反應(yīng)計(jì)算分析

2.1 計(jì)算模型及計(jì)算條件

對大壩連同河床處覆蓋層進(jìn)行有限元建模,有限元網(wǎng)格見圖3.在混凝土面板與墊層之間設(shè)置無厚度六面體和五面體動(dòng)力接觸單元,以反映面板與墊層之間的動(dòng)力相互作用.在面板各板塊之間及面板與趾板之間設(shè)置連接單元,考慮止水材料的阻尼特性.采用附加質(zhì)量法考慮庫水的動(dòng)水壓力作用效應(yīng),大壩主要?jiǎng)恿τ?jì)算參數(shù)見表1.

圖3 大壩計(jì)算有限元計(jì)算模型Fig.3 Finite element mesh of rock fill dam

圖4 50年超越概率10%加速度時(shí)程曲線Fig.4 The time history curve of acceleration surpassing the probability of 10%in 50 years

圖5 大壩動(dòng)位移包絡(luò)值等值線圖(單位:cm)Fig.5 The enveloping value con tour map of dam displacement(un it:cm)

表1 壩料及覆蓋層動(dòng)力計(jì)算參數(shù)Tab.1 Calculation parameters of dam and overburden

表2 大壩動(dòng)位移、加速度極值及放大倍數(shù)Tab.2 Extreme value of dynamic displacement，acceleration and magnification

根據(jù)地震局提供的場地地震安全性評價(jià)報(bào)告,壩址50 a超越概率10%、50 a超越概率5%和100 a超越概率2%水平向地震加速度峰值分別為100 cm/s2、126 cm/s2和219 cm/s2,輸人的地震加速度時(shí)程曲線是以場地反應(yīng)譜為目標(biāo)譜進(jìn)行人工合成的.圖4為50 a超越概率10%地震的三向加速度時(shí)程曲線.進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析時(shí),豎向地震加速度時(shí)程曲線峰值取水平向曲線峰值的2/3,壩軸向地震加速度峰值同順河向峰值.

2.2 地震反應(yīng)分析

2.2.1 大壩動(dòng)位移及加速度

不同概率水準(zhǔn)地震作用下大壩動(dòng)位移、加速度極值及放大倍數(shù)見表2.圖5為50 a超越概率5%地震大壩動(dòng)位移包絡(luò)值等值線圖.壩體三向動(dòng)位移由壩基至壩頂逐漸增大,在壩頂附近達(dá)到最大值.大壩加速度極值隨著輸人地震加速度峰值的增加逐漸增大,但加速度放大倍數(shù)逐漸減小.不同超越概率地震波作用下,大壩加速度分布規(guī)律及放大倍數(shù)均在合理范圍之內(nèi).

2.2.2 面板動(dòng)應(yīng)力反應(yīng)［7-9］

圖6為50 a超越概率10%的地震時(shí)面板動(dòng)應(yīng)力包絡(luò)值(絕對值的最大值)等值線圖.混凝土面板順坡向和壩軸向動(dòng)應(yīng)力(動(dòng)拉應(yīng)力和動(dòng)壓應(yīng)力)等值線分布規(guī)律合理,動(dòng)應(yīng)力極值隨著輸人地震波峰值的增大而增大.在50 a超越概率10%的設(shè)計(jì)地震作用下,順坡向動(dòng)壓應(yīng)力和動(dòng)拉應(yīng)力極值分別為3.74 MPa和-4.11 MPa,均大致位于面板的中部;壩軸向動(dòng)壓應(yīng)力和拉應(yīng)力極值分別為4.61 MPa和-4.00 MPa,均大致位于岸坡附近面板.

當(dāng)動(dòng)拉應(yīng)力與順坡向靜應(yīng)力疊加后,面板中部的動(dòng)拉應(yīng)力區(qū)與該部位靜壓應(yīng)力區(qū)有一定抵消作用,使面板總壓應(yīng)力區(qū)和極值減小,面板上部的總拉應(yīng)力區(qū)和極值增大.在設(shè)計(jì)地震作用下靜動(dòng)拉應(yīng)力疊加極值未超過2.5 MPa,其中超過面板C25混凝土抗拉強(qiáng)度的區(qū)域很小.當(dāng)面板動(dòng)壓應(yīng)力和順坡向靜應(yīng)力疊加后,面板順坡向不出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū),總壓應(yīng)力極值為11.4 MPa,未超過面板C25混凝土的抗壓強(qiáng)度.面板壩軸向動(dòng)壓應(yīng)力和拉應(yīng)力極值均大致位于岸坡附近面板的中上部.當(dāng)動(dòng)壓應(yīng)力與壩軸向靜應(yīng)力疊加后,河床部位面板的壓應(yīng)力區(qū)域和極值有所增大,總壓應(yīng)力極值約11.9 MPa,未超過面板C25混凝土的抗壓強(qiáng)度,兩岸面板的拉應(yīng)力區(qū)和極值有較大減小,不是拉應(yīng)力極值控制值.當(dāng)動(dòng)拉應(yīng)力和壩軸向靜應(yīng)力疊加后,兩岸附近面板的拉應(yīng)力區(qū)和極值增大,總拉應(yīng)力極值約5.4 MPa.由于地震時(shí)混凝土面板動(dòng)應(yīng)力是交變的,且各處極值發(fā)生在不同時(shí)刻,這種靜動(dòng)拉應(yīng)力的最不利疊加只在某瞬時(shí)或短時(shí)間內(nèi)發(fā)生,且只局限于兩岸面板局部區(qū)域,未必對面板整體結(jié)構(gòu)安全有重大影響.為了確保面板安全,建議在岸坡附近面板受拉區(qū)適當(dāng)增加配筋率.

圖6 面板動(dòng)應(yīng)力包絡(luò)值等值線圖(單位:M Pa)Fig.6 The enveloping value con tour map of panel stress(unit:M Pa)

2.2.3 壩基覆蓋層動(dòng)孔壓與液化特性分析［10］

在50 a超越概率10%的設(shè)計(jì)地震作用下壩基覆蓋層動(dòng)孔壓和液化度極值分別為177.5 kPa和31.5%,其中液化度指該單元的動(dòng)孔壓與平均有效應(yīng)力之比.隨著地震加速度峰值的增加,壩基覆蓋層的動(dòng)孔壓和液化度均有所增加,但液化度極值均不大.即使遭遇最不利100 a超越概率2%校核地震時(shí),壩基覆蓋層液化度極值僅為61.9%.因此,強(qiáng)震作用下壩基覆蓋層不會(huì)出現(xiàn)液化現(xiàn)象,這也是確保大壩抗震安全的重要因素之一.

3 結(jié)束語

通過對我國西南強(qiáng)震區(qū)某高面板堆石壩進(jìn)行不同超越概率地震作用下地震反應(yīng)計(jì)算分析可知,隨著輸人地震波峰值的增大,大壩加速度和動(dòng)位移、面板動(dòng)應(yīng)力、覆蓋層動(dòng)孔壓和液化度等動(dòng)力反應(yīng)均逐漸增大,但加速度放大倍數(shù)逐漸減小.在100年超越概率2%的地震波作用下,大壩動(dòng)力反應(yīng)基本上均在正常范圍之內(nèi),但面板動(dòng)應(yīng)力極值增加較大.尤其當(dāng)壩軸向動(dòng)拉應(yīng)力與靜應(yīng)力疊加時(shí),兩岸面板一定區(qū)域內(nèi)會(huì)超過面板混凝土的抗拉強(qiáng)度,需適當(dāng)增加配筋率.壩基覆蓋層的動(dòng)孔壓不大,不會(huì)出現(xiàn)液化現(xiàn)象.綜合分析大壩的強(qiáng)震反應(yīng)特性,可以判定大壩在現(xiàn)有設(shè)計(jì)條件下的抗震安全性總體上是有保障的,整體上能安全經(jīng)受校核狀態(tài)下的強(qiáng)震作用.

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Study on the Seismic Response of a High CFRD on Alluvium Deposit

CEN Wei-jun1,2,YUAN Li-na1,2,ZHANG Zi-qi1,2,ZHOU Tao3,YANG Hong-kun3,LU Pei-can3
(1.College ofWater Conservancy and Hydropower Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Key Laboratory of Failure Mechanism and Safety Control Techniques of Earth-rock Dam of the Ministry ofWater Resources,Nanjing 210024,China;3.Sichuan Qingyuan Engineering Consultant Co.,Ltd.,Chengdu 610072,China)

The calculation of dynamic response and seismic safety evaluation of a high CFRD on alluvium deposit subjected to seismic excitation of different transcendental probabilitieswere carried out,with emphasis on the seismic response characteristics of dynamic displacement,acceleration,dynamic stresses of face slab and liquefaction of alluvium deposit under strong excitation.The results show that dynamic displacement,acceleration,dynamic stresses of face slab and liquefaction degree of alluvium depositwill increase gradually with the increasing of seismic wave peak,but the accelerationmagnification will decrease.The seismic safety of dam is still within a normal range even for transcendental probability 2%in 100 years.

high concrete face rock fill dam(CFRD);seism ic response;acceleration;dynam ic stress of face slab;dynamic pore water pressure

TU47

A

10.3969/j.issn.1671-6833.2015.03.019

1671-6833(2015)03-0087-05

2015-01-10;

2015-03-21

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51009055);水利部土石壩破壞機(jī)理與防控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金(YK914019);長江科學(xué)院開放研究基金項(xiàng)目(CKWV2012307/KY)

岑威鈞(1977-),男,浙江慈溪人,河海大學(xué)副教授,博士,主要從事土石壩工程結(jié)構(gòu)安全分析及水工建筑物滲控研究,E-mail:hhucw j@163.com