地震输入角度对抽水蓄能高面板堆石坝动反应影响研究

地震输入角度对抽水蓄能高面板堆石坝动反应影响研究

姚金松

中国葛洲坝集团市政工程有限公司  湖北省宜昌市  443000

摘要：基于地震反应谱理论进行抗震设计得到的坝体动力反应与实际观测到的地震反应比较吻合，因此反应谱理论得到了各国抗震设计人员的广泛应用。而对于强震区的重大水利工程而言，科学合理的采用基于反应谱的动参数直接关系着工程抗震的安全性。根据NB35047-2015《水电工程水工建筑物抗震设计规范》中的规定，“对进行专门场地地震安全评价的甲类设防高土石坝工程，其抗震安全评价所需设计反应谱应采用基于设定地震的场地相关设计反应谱”。因此，依托云南省某面板堆石坝，基于新规范中关于设定地震的要求对大坝进行了抗震计算复核，同时重点研究了基于规范标准设计反应谱、场地反应谱及设定地震的场地相关反应谱确定的动参数下面板堆石坝坝体不同的动力响应，为现阶段高面板堆石坝的抗震计算及安全加固设计提供参考依据和技术支撑。

关键词：地震波输入角度；面板坝；堆石坝动反应

引言

近些年，我国面板堆石坝筑坝技术发展迅速，已建成一批世界级高坝，同时也面临着优良坝址不断减少，需在复杂河谷地形和地质条件下筑高坝的难题，河谷地形是影响面板堆石坝应力变形的重要因素，宽阔河谷对坝体的约束效应较小，应力分布的三维效应较弱;狭窄河谷对坝体的约束效应强，坝体应力呈现明显的“拱效应”，该“拱效应”会导致施工期坝体变形较小而后期变形偏大。另外，由于狭窄河谷区坝体与坝基可能存在更强的剪切滑移和变形梯度，对面板和周边缝变形控制非常不利。

1研究背景

堆石坝多建于水资源丰富地区，这些地区地形复杂，且多位于高烈度地震带附近，强震作用将给地表建筑物带来很大的安全隐患。因此，对堆石坝动反应特性进行研究受到国内外科研工作者的广泛重视，并取得了一定的成果。抗震分析的首要工作是确定地震波如何选择与如何输入，采用场地波、规范波、实测波三种不同加速度时程曲线，发现地震反应情况与波的频谱特性保持一致，可反应出不同坝体动反应效果。在地震波输入方向对坝体稳定性研究方面，对半圆形河谷输入不同角度的平面地震波，发现岸坡的放大系数与入射角度紧密相关，入射角度每改变１°，放大系数都会随之变化。证实了不同入射角度对坝顶稳定性的影响程度不同。指出地震波倾斜入射与垂直入射时，地下结构物动力反应不同。选用二维平面河谷模型，改变平面Ｐ波单侧斜入射情况，发现与常规垂直入射差异较大。研究拱坝与地基系统，发现地震的发生伴随着地震波的折射和反射现象，造成了地震运动的随机性和多向性，故无法判断实际输入方向，且结果表明拱坝位移和应力响应最大值没有发生在传统顺河向和横河向地震波输入时刻。由以上文献可知，进行有限元计算时，若不考虑地震波输入方向的影响，直接将不同的地震波沿着坝体各向轴线输入，可能会忽略地震的最不利工况，造成判断失误。因此，细化分析地震波输入角度对坝体动反应的影响很有必要。

2工程背景及数值模型建立

某工程面板堆石坝坝高155m，面板堆石坝上游设水平宽3m的垫层料和水平宽4m的过渡料，坝壳堆石料根据料源情况分为主堆石料区和次堆石料区、下游排水堆石料区、岸坡过渡区。大坝三维实体单元一般采用8结点六面体等参单元，为适应边界条件以及坝料分区的变化，部分采用三棱体和四面体作为退化的六面体单元处理，单元编号根据坝体施工顺序进行。为近似模拟坝体施工，坝体单元加载按实际的坝体填筑顺序加载，共分23级来模拟，面板加载按2期加载，蓄水分18期蓄至正常蓄水位。以河床典型最大横剖面为基准进行坝体结构网格离散，沿坝轴线方向共设置了35个计算剖面进行剖分，模型共计7269个节点和6568个单元，其中实体单元5280，面板单元368个，趾板单元168个，接触面单元368个，周边缝单元34个，面板竖缝单元350个。面板堆石坝网格剖分如图1所示。

图1 面板堆石坝坝体三维网格剖分图

3模型分析

3.1基于反应谱的地震波合成

分别以规范中的标准设计反应谱、工程地震安评报告中的场地反应谱及基于设定地震的场地相关设计反应谱为目标谱合成动力计算所需的输入地震波。比较了坝址基岩处标准设计反应谱、场地反应谱及基于设定地震的场地相关设计反应谱。如图所示，在1.8s周期之前，基于设定地震的场地相关设计反应谱明显高于标准设计反应谱和场地反应谱，在1.8s后，标准设计反应谱值最大，基于设定地震的场地相关设计反应谱次之，场地反应谱最小。基于反应谱曲线，合成动力计算所需输入地震波。以设计地震工况为例，水平向地震加速度时程曲线的合成结果。其中水平向地震动峰值加速度为284gal，竖直向地震加速度取水平向地震加速度的2/3，峰值加速度为189gal。

3.2加固措施

对于大坝的抗震的加固措施，主要通过数值模拟对模型进行分析，计算不同的工况，得出其加固范围，并在此基础上，进行加筋，在大坝顶端的60m左右，中间部分为100m左右加筋，加筋筋材的间距为10m左右，对超越概率2%的场地谱进行进一步研究，对其动力进行分析加筋效果。对比加筋与未加筋的效果，不难发现，加筋之后，大坝中轴线的竖直位移要高于加筋的，说明加筋之后，能明显提升大坝的稳定性加筋之后相较于未加筋，需要场地谱需要达到更大值，水平位移才会更大，并且未加筋大坝的水平位移变化趋势始终快于加筋大坝水平位移变化趋势。

3.3地震期大坝安全评估

大坝抗震设计烈度为9度，设防类别为甲类，取基准期100a内超越概率为0．02地震动作为设计地震动，地震峰值加速度为411．0gal。篇幅所限。计算结果表明，设计地震作用下坝轴向、顺河向和垂直向反应加速度分别为11．88m/s2、12．17m/s2和8.00m/s2，相应加速度放大倍数分别为2．87、2．94和2．91。坝体轴向、顺河向永久变形分别为18．3cm和52．7cm，地震引起的面板坝轴向正向、轴向负向、法向增量变形分别为4．2cm、－3．5cm和81．7cm，坝轴向静动叠加后面板压应力、拉应力分别为20．11MPa和5.24MPa，顺坡向静动叠加后面板压应力、拉应力分别为19．41MPa和2．67MPa，震后周边缝错动、沉陷、张开分别为37．0mm、41．2mm和20．8mm，震后竖缝张开为30．4mm。地震残余变形是反映土石坝地震安全比较直观的因素，与汶川地震中的紫坪铺面板坝相比，设计地震作用下该工程最大震陷比为0.34%，远小于汶川地震中的紫坪铺面板坝的震陷率0.64%。地震情况下面板压应力在C30材料允许范围内，不会出现压碎破坏。

结束语

大坝加筋之后，面对地震波的作用，其稳定性能明显得到提升。对于未加筋的大坝，其沉降深度会随着加速度峰值的上升而上升，加筋大坝与未加筋大坝相似，但加筋大坝的沉降情况要低于未加筋大坝，并且占高比也小于未加筋大坝，安全系数则随着加速度峰值的上升而下降，但加筋大坝的下降幅度要低于未加筋大坝，说明大坝经过加筋之后，能够提升大坝各项性能，为工程施工提供参考。

参考文献

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