司才龍，劉 燦

（甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院，甘肅 蘭州730000）

面板堆石壩因其高安全性、經(jīng)濟(jì)性和廣泛的適應(yīng)性，在國內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，在甘肅省內(nèi)也是相當(dāng)普遍，特別是九甸峽水電站、龍首二級水電站、寶瓶河水電站等工程［1-5］。

雜木河神樹水電站樞紐工程位于甘肅省武威市雜木河干流中游峽谷段，屬Ⅲ等中型工程。其趾板高趾墻基礎(chǔ)坐落在弱風(fēng)化巖面2 576.0m高程上，墻頂寬度為5m，墻頂高程為2 588.0m，上游坡面坡度為1∶0.3，下游坡面坡度為了滿足碾壓要求設(shè)置為1∶0.5，最大墻高12.0m，最大底寬12.8m（圖1）。

工程區(qū)是一個多構(gòu)造體系交織復(fù)合地區(qū)，且祁呂系、隴西系又是現(xiàn)今活動的主要構(gòu)造體系。毛藏寺以北17km處是挽近期活動明顯的北西西向的皇城-上古城斷裂，以南15km是挽近期活動明顯的北西西向的橫梁山斷裂帶。河西系的龍首山-冷龍嶺隆起沿北北西方向橫跨河西走廊，與北西西向構(gòu)造復(fù)合，這就是走廊地區(qū)歷次強震的構(gòu)造背景，1927年5月23日的古浪大地震就發(fā)生在這一復(fù)合部位。樞紐工程場區(qū)50年超越概率10%地震動峰值加速度為0.316g，特征周期為0.45s。

本文通過地震荷載作用下堆石壩與高趾墻系統(tǒng)的分析模型，運用數(shù)值分析方法，對混凝土面板堆石壩系統(tǒng)進(jìn)行動力計算，分析混凝土面板堆石壩及高趾墻的動力響應(yīng)。

圖1 神樹水電站面板堆石壩典型設(shè)計橫剖面

1 混凝土面板堆石壩與高趾墻系統(tǒng)分析模型

分析數(shù)值模型采用有限差分軟件FLAC3D。地震荷載作用下混凝土面板堆石壩與高趾墻分析模型是由混凝土面板堆石壩、高趾墻、巖基組成。

混凝土面板堆石壩材料采用彈塑性材料模型和Mohr-Coulomb強度屈服準(zhǔn)則，同時采用Cable單元模擬高趾墻底部錨桿［6］。錨桿為全長黏結(jié)型，錨桿豎直打入基巖，錨桿水平向間距1.5m，長2.75 m，深入基巖2.25m。梅花型布置。錨桿選取文獻(xiàn)［7］中提供的參數(shù)，錨桿密度ρ=2 100kg／m3，彈性模量200GPa，砂漿黏結(jié)力10MPa，砂漿剛度20 MPa，錨桿孔洞周長0.314m，砂漿摩擦角45°。

模型設(shè)置自由邊界，左右邊界固定水平位移，下邊界固定水平和豎直位移［8］。沿混凝土面板豎向每隔5m設(shè)置一個監(jiān)測點監(jiān)測面板變形，同時在高趾墻頂部、底部、直墻頂端各設(shè)置2個監(jiān)測點。

2 數(shù)值計算

2.1 算例概況與計算條件

實際工程中混凝土面板堆石壩系統(tǒng)是具有非均質(zhì)、非連續(xù)、非線性等復(fù)雜特性的人工地質(zhì)體，在數(shù)值分析中如果考慮上述各種因素，問題將十分復(fù)雜［9］。為了研究地震激勵下的動力響應(yīng)規(guī)律，混凝土面板堆石壩系統(tǒng)假設(shè)巖土體材料為彈塑性材料，采用Mohr-Coulomb強度準(zhǔn)則，將系統(tǒng)概化為圖2模型，模型尺寸符合鄭穎人［8］等提出的動力模型邊界要求。在動力分析中，因邊界上存在波的反射，會對動力分析的結(jié)果產(chǎn)生一定影響，使得模型邊界的設(shè)置和處理成為關(guān)鍵問題之一。

圖2 面板堆石壩分析模型

本文中邊坡模型的邊界條件設(shè)定為：壩體坡面和壩體頂為自由邊界；左側(cè)和右側(cè)邊界施加水平方向的位移約束，同時施加黏滯邊界條件；模型底部設(shè)置水平和垂直方向位移約束，并施加黏滯邊界條件。在進(jìn)行動力分析時，地震波選取Kobe波，將地震波進(jìn)行濾波和基線校正后輸入模型底部。濾波的目的是過濾掉原有地震波中的高頻分量，減少計算單元。輸入波為加速度時程，將加速度進(jìn)行積分得到的最終速度和最終位移不為0，則在動力計算結(jié)束時模型底部會出現(xiàn)繼續(xù)的速度和殘余的位移，需要對加速度時程進(jìn)行基線校正。調(diào)整后的地震波見圖3所示。

圖3 調(diào)整后的Kobe波

模型中的土和巖體的物理力學(xué)參數(shù)選取具有代表性的勘察所得的實驗數(shù)據(jù)，如表1所示。土和堆石體本構(gòu)模型選取摩爾-庫倫準(zhǔn)則。

表1 混凝土面板堆石壩主要材料物理力學(xué)參數(shù)

2.2 計算結(jié)果分析

2.2.1 高趾墻底部錨桿作用

在各種工況下對此混凝土堆石壩進(jìn)行計算，計算工況見表2。

表2 四種計算工況

通過工況一和工況二，工況三和工況四的計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在高趾墻底部是否存在插筋對壩體整體位移量影響較小。

同時在工況一下，壩頂監(jiān)測點（防浪墻底部）水平位移為3.04mm，在工況二下位移同為3.04 mm。在工況三下，壩頂監(jiān)測點水平位移為16.85 mm，在工況二下位移為16.84mm。底部錨桿對壩體整體影響較小。

在工況二下，錨桿軸力為零。在工況四下，從錨桿軸力圖4中可以看出，錨桿軸力最大值為11.7 kN?？梢钥闯?，在地震作用下錨桿發(fā)揮了作用。

在工況四下，研究錨桿隨著地震時程的動力響應(yīng)。取錨桿中部軸力為研究對象，監(jiān)測錨桿隨著地震時程的增加，錨桿內(nèi)部軸力的變化。計算結(jié)果見圖5錨桿軸力時程圖。從圖5中可以看出，隨著地震時程的增加，錨桿軸力趨于穩(wěn)定。且靠近上游的錨桿軸力大于靠后位置的錨桿軸力。此時錨桿限制了高趾墻向上游移動，起到了抗震作用。同時發(fā)現(xiàn)在地震波最大峰值到來時，錨桿軸力相應(yīng)的增大到最大值。隨著地震波的衰減，錨桿軸力相應(yīng)的衰減。

圖4 有錨桿地震作用22s后壩體錨桿軸力圖

2.2.2 高趾墻對壩體的作用

通過研究圖6和圖7，在工況一和工況二下，高趾墻頂部位移量明顯小于周圍堆石體位移量，而高趾墻頂部位置為壩體防水體系中重要的趾板的位置，此時高趾墻有效抑制了混凝土面板堆石壩趾板的位移量，保證了趾板的安全。

分析圖8和圖9，在工況三和工況四下，在高趾墻高程以下堆石體整體位移量（70cm～74cm）要大于高趾墻以上整體位移量（60cm～70cm），說明了高趾墻有效抑制了地震作用下壩體的位移量，提高 了壩體的抗震性能。

圖5 錨桿軸力時程

圖6 無錨桿靜力下壩體內(nèi)部水平位移云圖

圖7 有錨桿靜力下壩體內(nèi)部水平位移云圖

圖8 有錨桿地震作用22s后壩體內(nèi)部水平位移云圖

圖9 無錨桿地震作用22s后壩體內(nèi)部水平位移云圖

圖10 有高趾墻壩體塑性區(qū)分布

圖11 無高趾墻壩體塑性區(qū)分布

再來研究在高趾墻是否存在的情況下，壩體內(nèi)部塑性區(qū)分布情況。從圖10、圖11中可以明顯看出有高趾墻的壩體內(nèi)塑性區(qū)要明顯少于無高趾墻的壩體。此時驗證了高趾墻對壩體整體穩(wěn)定性的重要作用，此工程中修建高趾墻的合理性。

2.2.3 混凝土面板動力響應(yīng)

在進(jìn)行地震數(shù)值計算時，監(jiān)測混凝土面板上的加速度隨時程的變化，提取數(shù)據(jù)，通過研究面板監(jiān)測點Kpga即監(jiān)測點加速度峰值放大系數(shù)來研究混凝土面板的動力響應(yīng)。

Kpga放大系數(shù)為監(jiān)測點最大峰值加速度與地震波最大加速度峰值的比值［10］。

混凝土面板沿豎向每隔5m設(shè)置一個監(jiān)測點，共16個監(jiān)測點，監(jiān)測其在地震時程中的變化。監(jiān)測結(jié)果見圖12、圖13。

圖12 隨高程變化面板監(jiān)測點豎直方向Kpga

圖13 隨高程變化面板監(jiān)測點水平方向Kpga

從圖12、圖13可以看出，混凝土面板在高程2 617m時，水平和豎直方向的加速度達(dá)到了最大值，此高程是上游鋪蓋的頂點高程。研究得出，在鋪蓋以下的面板隨著高程的增加面板響應(yīng)加速度不斷增加，在上游鋪蓋頂點處達(dá)到最大值。

3 結(jié) 論

在本研究中，對甘肅省神樹水電站混凝土堆石壩進(jìn)行了動力仿真分析。從中得到了如下結(jié)論：

（1）高趾墻對壩體整體塑性區(qū)分布極為重要，高趾墻能減少壩體內(nèi)塑性區(qū)區(qū)域。

（2）靜力和地震作用下，高趾墻底部錨桿對壩體的整體位移量影響較小。在靜力下，錨桿軸力幾乎為零，但在地震作用下錨桿軸力顯著增大，并且隨著地震時程的增加逐漸衰減至一穩(wěn)定值。

（3）混凝土面板在地震作用下，面板上峰值加速度在上游鋪蓋頂點以下，隨著面板高程的增加而增加，在鋪蓋頂點處達(dá)到最大值。

［1］呂生璽，武維新.高面板堆石壩設(shè)計［J］.甘肅水利水電技術(shù)，2008，44（6）：380-383.

［2］大連理工大學(xué)工程抗震研究所.面板堆石壩動力模型試驗與動力分析方法研究（國家“七五”科技攻關(guān)項目研究報告）［R］.大連：大連理工大學(xué)，1989.

［3］韓國城，孔憲京，李俊杰.面板堆石壩動力破壞性態(tài)及抗震措施試驗研究［J］.水利學(xué)報，1990，（5）：61-67.

［4］大連理工大學(xué)工程抗震研究所.面板壩靜-動力耦合分析及抗震結(jié)構(gòu)形式與工程措施研究（國家“九五”科技攻關(guān)項目研究報告）［R］.大連：大連理工大學(xué)，2000.

［5］Isasca，F(xiàn)LAC Version 4.0Manual［M］.Minneapolis：ICG，2002.

［6］Itasca Consulting Group，Inc.FLAC（Fast Lagrangian Analysis 3D）user＇s manual Version3.0［M］.2003.

［7］言志信，劉 燦，任志華，等.錨固巖質(zhì)邊坡在地震作用下的動力響應(yīng)［J］.鐵道建筑，2012，（12）：107-110.

［8］鄭穎人，葉海林，黃潤秋.地震邊坡破壞機(jī)制及其破裂面的分析探討［J］.巖土力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28（8）：1714-1723.

［9］蔡漢成，言志信，王群敏，等.交通荷載作用下邊坡動力響應(yīng)數(shù)值分析［J］.西北地震學(xué)報，2010，32（2）：220-224.

［10］葉海林，鄭穎人，黃潤秋，等.錨桿支護(hù)巖質(zhì)邊坡地震動力響應(yīng)分析［J］.后勤工程學(xué)院學(xué)報，2010，26（4）：1-7.