重力壩折坡點(diǎn)高度對(duì)其抗震性能的影響*

楊　璐，王志坤，陳　虹

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870)

?

重力壩折坡點(diǎn)高度對(duì)其抗震性能的影響*

楊璐，王志坤，陳虹

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870)

為了研究下游折坡點(diǎn)高度對(duì)混凝土重力壩抗震性能的影響，應(yīng)用ABAQUS軟件，以1967年Koyna震害工程為原型建立二維有限元模型.結(jié)果表明：隨著折坡點(diǎn)位置的降低，壩面突變處的拉應(yīng)力值逐漸增大，其中在90%～70%階段呈近似線性增加，70%以下增加幅度趨緩；隨著折坡點(diǎn)高度的降低，壩體上部晃動(dòng)愈加劇烈，對(duì)壩頂建筑物的安全穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重不利影響；當(dāng)折坡點(diǎn)的高度控制在壩高的80%以上時(shí)，可以有效減弱或避免應(yīng)力集中產(chǎn)生的破壞.在工程設(shè)計(jì)中合理控制下游折坡點(diǎn)的高度對(duì)提高壩體的抗震性能起到重要作用.

水工建筑物；抗震性能；下游折坡點(diǎn)；數(shù)值模擬；重力壩；應(yīng)力；位移；損傷

水資源已成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)，加強(qiáng)水庫(kù)大壩的建設(shè)盡可能調(diào)節(jié)利用汛期洪水，是水資源的合理配置利用、抗旱防洪減災(zāi)、大江大河治理、水環(huán)境保護(hù)與水生態(tài)修復(fù)的戰(zhàn)略需求[1].近年來(lái)，我國(guó)水利事業(yè)蓬勃發(fā)展，建設(shè)了一批大型水利工程，但我國(guó)是一個(gè)地震多發(fā)國(guó)家，不少已建、在建、擬建的高壩大庫(kù)都位于強(qiáng)震區(qū)，這些高壩大庫(kù)的發(fā)展也引起了專(zhuān)家學(xué)者對(duì)水壩抗震性能的重視.

相關(guān)震害記錄及研究資料表明，重力壩上部尤其是斷面突變處，即折坡點(diǎn)位置，是抗震薄弱部位，在強(qiáng)震作用下上部壩體易開(kāi)裂[2-4].在全球范圍內(nèi)遭受過(guò)強(qiáng)震震害的四例百米級(jí)重力壩中，1962年3月中國(guó)廣東的新豐江大壩壩址區(qū)發(fā)生6.1級(jí)地震，震中烈度Ⅷ度，震后在壩體右岸第13～18壩段、左岸2、5、10壩段的下游斷面突變處出現(xiàn)大量上下游貫穿裂縫；1967年經(jīng)受6.3級(jí)地震的高103 m的印度柯依那(Koyna)重力壩和1990年經(jīng)受7.3～7.7級(jí)強(qiáng)震的高106 m的伊朗西菲羅(Sefid Rud)大頭壩都發(fā)生了與新豐江類(lèi)似的上下游貫穿的水平裂縫，且都發(fā)生在近壩頂?shù)南掠握燮曼c(diǎn)附近[5-7].

1　工程實(shí)例

Koyna大壩是國(guó)外遭受Ⅷ度以上強(qiáng)震的兩個(gè)百米級(jí)重力壩之一，位于印度的Koyna河上，壩高103 m，壩底寬70 m，壩頂寬度14.8 m，下游壩面坡率0.76，折坡點(diǎn)高度66.5 m，占整個(gè)壩高的64.56%，具體尺寸[8]如圖1所示(單位：m).

圖1　壩體剖面圖

1967年遭受6.3級(jí)地震作用，震災(zāi)情況為12～18號(hào)、24～30號(hào)壩段壩頂以下約40 m位置

產(chǎn)生了多條水平裂縫，下游面出現(xiàn)了嚴(yán)重的漏水現(xiàn)象，即裂縫已經(jīng)貫通了上下游，沿壩基面的揚(yáng)壓力和滲漏量沒(méi)有明顯增大，震后壩體保持了整體穩(wěn)定性[9-10].

圖2a為震后壩體斷面裂縫分布圖，圖2b為模擬的震后壩體斷面損傷云紋圖.由圖2可以看出，壩體破壞主要集中在下游折坡點(diǎn)處，壩頂以下約40 m處出現(xiàn)大量貫穿裂縫，但斷裂部分并沒(méi)有傾倒或較大的殘余滑移，模擬結(jié)果的災(zāi)害類(lèi)型和裂縫部位等完全符合1967年的震害記錄，說(shuō)明模型的建立及采用的方法是合理可行的.

圖2　壩體斷面損傷圖

此外，按照線彈性有限元?jiǎng)恿Ψ治龅慕Y(jié)果，壩踵處都會(huì)因角緣效應(yīng)而呈現(xiàn)拉應(yīng)力集中的現(xiàn)象，實(shí)際的震害中壩基面未發(fā)現(xiàn)拉裂和剪切損壞.

2　計(jì)算參數(shù)與本構(gòu)模型

在模型中，壩體材料采用混凝土損傷塑性本構(gòu)模型，根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL203-97)規(guī)定，在抗震強(qiáng)度計(jì)算中，混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)彈性模量的標(biāo)準(zhǔn)值可較其靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)值提高30%，混凝土動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值可取為動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的10%[11].表1為混凝土動(dòng)態(tài)下各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)的取值.由于混凝土抗壓強(qiáng)度一般較大，故沒(méi)有考慮壓縮引起的損傷.圖3為混凝土拉伸屈服應(yīng)力、拉伸損傷因子和開(kāi)裂位移之間的關(guān)系.

表1　壩體力學(xué)參數(shù)

圖3　混凝土塑性指標(biāo)

3　模型計(jì)算與分析

3.1計(jì)算方法

重力壩剖面設(shè)計(jì)十分復(fù)雜，對(duì)整個(gè)壩體要統(tǒng)一考慮，下游折坡點(diǎn)位置的高低與壩高、壩頂寬度、壩底寬度和下游坡率等多項(xiàng)因素有關(guān)，本文依托Koyna重力壩模型尺寸，在保持其壩高、壩頂寬度、壩底寬度和下游坡率等不變的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變下游坡率進(jìn)而調(diào)整下游折坡點(diǎn)的高度.根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般情況下，下游壩面坡率為0.6～0.8，故分別按0.60、0.65、0.70、0.75、0.80五種方案進(jìn)行計(jì)算，如表2所示.

表2　計(jì)算方案

3.2折坡點(diǎn)處應(yīng)力分析

分析發(fā)現(xiàn)，下游折坡點(diǎn)處在地震作用下由于壩面突變?nèi)菀装l(fā)生應(yīng)力集中，為了有效避免應(yīng)力集中現(xiàn)象的影響，特選取距折坡點(diǎn)1 m處的壩體內(nèi)部一點(diǎn)進(jìn)行分析.折坡點(diǎn)處的損傷破壞主要是因?yàn)樨Q直方向拉應(yīng)力過(guò)大，導(dǎo)致壩體在下游折坡點(diǎn)位置發(fā)生撕裂，產(chǎn)生水平向的裂縫；水平方向拉應(yīng)力值較小，在混凝土的抗拉范圍內(nèi)，沒(méi)有造成壩體不可逆轉(zhuǎn)的塑性損傷，故著重分析豎向拉應(yīng)力.

3.2.1折坡點(diǎn)影響規(guī)律

圖4為地震過(guò)程中各方案折坡點(diǎn)處最大拉應(yīng)力與折坡點(diǎn)高度的關(guān)系曲線.方案1中折坡點(diǎn)占?jí)误w高度的比例為89.32%，最大拉應(yīng)力值為1.53 MPa；方案2中的比例為82.45%，最大拉應(yīng)力為3.34 MPa；方案3折坡點(diǎn)高度為壩高的76.56%，峰值拉應(yīng)力為5.24 MPa；方案4折坡點(diǎn)高度為壩高的71.15%，對(duì)應(yīng)的拉應(yīng)力為7.25 MPa；方案5折坡點(diǎn)高度僅為壩高的66.99%，最大拉應(yīng)力達(dá)到了7.5 MPa.隨著折坡點(diǎn)高度占?jí)胃弑壤臏p小，即折坡點(diǎn)位置的降低，拉應(yīng)力值逐漸增大，其中在90%～70%階段，最大拉應(yīng)力近似呈線性增加，當(dāng)折坡點(diǎn)降低到壩體高度的70%以下后，拉應(yīng)力增加幅度趨緩，方案5的應(yīng)力值僅較方案4增大了0.25 MPa.

圖4　拉應(yīng)力隨折坡點(diǎn)位置變化曲線

3.2.2折坡點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程曲線

圖5分別為方案1、方案5及Koyna實(shí)際工程中下游折坡點(diǎn)處拉應(yīng)力時(shí)程曲線圖.由圖5可以發(fā)現(xiàn)，方案1中由于下游折坡點(diǎn)位置較高，有效地避免了應(yīng)力集中，整個(gè)地震持續(xù)過(guò)程，該處的應(yīng)力值都在混凝土的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度之內(nèi)，不會(huì)對(duì)壩體結(jié)構(gòu)造成損傷破壞.方案5是五種工況中折坡點(diǎn)位置最低的，由3.2.1節(jié)分析可知，方案5也是五種方案中應(yīng)力最大的，由其應(yīng)力時(shí)程曲線可以看出，折坡點(diǎn)處應(yīng)力主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力，在震動(dòng)較為劇烈的3～5 s內(nèi)，拉應(yīng)力值幾乎均超過(guò)了混凝土的抗拉極限值.Koyna實(shí)際工程中壩體折坡點(diǎn)高度為壩高的64.56%，與方案5的66.99%較接近，其折坡點(diǎn)位置的應(yīng)力時(shí)程曲線與方案5差別不大.

圖5　折坡點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程曲線

3.3壩頂位移分析

表3為各方案壩頂在地震過(guò)程中晃動(dòng)產(chǎn)生的最大位移.方案1中壩頂晃動(dòng)幅度最大為22.45 mm，隨著折坡點(diǎn)高度的降低，壩體上部晃動(dòng)愈加劇烈；方案5中由于折坡點(diǎn)位置過(guò)低，壩頂最大位移達(dá)到48.57 mm，是方案1的2.16倍.劇烈的震動(dòng)對(duì)壩頂上構(gòu)造設(shè)施的安全穩(wěn)定帶來(lái)嚴(yán)重的不利影響，說(shuō)明折坡點(diǎn)位置過(guò)低不僅易造成壩面突變處應(yīng)力集中和壩體開(kāi)裂等損傷破壞，同時(shí)也威脅著壩頂上建筑物的安全與穩(wěn)定.

表3　壩頂最大位移

圖6、7分別為方案1和方案5壩頂?shù)奈灰茣r(shí)程曲線.

圖6　方案1壩頂位移時(shí)程曲線

圖7　方案5壩頂位移時(shí)程曲線

當(dāng)折坡點(diǎn)位置較高時(shí)，壩頂在地震波作用下前后、上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，震動(dòng)的幅度較小，水平位移最大為22.45 mm，豎向位移最大達(dá)到3.20 mm，且在地震結(jié)束后壩體基本恢復(fù)到初始位置.但是隨著折坡點(diǎn)位置的降低，壩頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生變化，方案5中折坡點(diǎn)位置偏低，在地震作用前期壩頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)軌跡與方案1相差不大，但是隨著地震波的加劇，壩頂位置逐漸偏向上游方向，壩頂高度較地震前增加了約9 mm，且在地震結(jié)束后并未恢復(fù)，產(chǎn)生永久性變形.

3.4拉伸損傷分析

圖8為地震結(jié)束后各方案的拉伸損傷云紋圖.據(jù)前文可知，按照線彈性有限元?jiǎng)恿Ψ治龅慕Y(jié)果，壩踵處都會(huì)因角緣效應(yīng)而呈現(xiàn)拉應(yīng)力集中的現(xiàn)象，但根據(jù)已有震害記錄等資料記載，實(shí)際的震害中壩基面均未發(fā)現(xiàn)拉裂和剪切損壞，因此，對(duì)壩踵處的拉伸損傷不加考慮.

圖8　拉伸損傷云紋圖

由圖8可知，地震對(duì)壩體造成的破壞作用主要集中在壩頸處也就是下游折坡點(diǎn)所在的壩面突變位置，且折坡點(diǎn)位置越低，壩體損壞越嚴(yán)重.方案1的折坡點(diǎn)最高，震后壩體未出現(xiàn)塑性區(qū)域，與圖5中方案1應(yīng)力值未超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度相吻合.隨著折坡點(diǎn)高度的降低，壩體損壞情況愈來(lái)愈嚴(yán)重，方案2中出現(xiàn)塑性區(qū)域但范圍較小，方案3中發(fā)展成貫穿上下游的水平裂縫，方案4中破壞范圍進(jìn)一步加大，當(dāng)折坡點(diǎn)高度僅為壩高的66.99%時(shí)，壩頸處破壞非常嚴(yán)重，出現(xiàn)了多條貫穿裂縫.

4　結(jié)　論

重力壩上部即壩頸區(qū)域是其抗震薄弱部位，下游折坡點(diǎn)的高度對(duì)整個(gè)壩體的地震響應(yīng)，特別是下游壩面突變處的抗震性能具有重要影響.本文建立真實(shí)的Koyna重力壩二維有限元模型，運(yùn)用ABAQUS軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬結(jié)果的災(zāi)害類(lèi)型和裂縫部位等完全符合1967年的震害記錄，說(shuō)明模型的建立及采用的方法是合理可行的.在此基礎(chǔ)上，以1967年印度Koyna混凝土重力壩地震災(zāi)害為原型，通過(guò)改變下游壩面坡率來(lái)調(diào)整下游折坡點(diǎn)的高度，分別模擬五種方案中壩體在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng).

研究發(fā)現(xiàn)，隨著折坡點(diǎn)高度占?jí)胃弑壤臏p小，即折坡點(diǎn)位置的降低，壩面突變處的拉應(yīng)力值逐漸增大，其中在90%～70%階段，最大拉應(yīng)力近似呈線性增加，當(dāng)折坡點(diǎn)降低到壩體高度的70%以下后，拉應(yīng)力增加幅度趨緩；隨著折坡點(diǎn)高度的降低，壩體上部晃動(dòng)愈加劇烈，方案5中壩頂最大位移達(dá)到48.57 mm，是方案1的2.16倍.劇烈的震動(dòng)嚴(yán)重威脅著壩頂上部構(gòu)造設(shè)施的安全與穩(wěn)定.

適當(dāng)增加下游折坡點(diǎn)的高度，對(duì)提高壩體的抗震性能有著重要影響.當(dāng)折坡點(diǎn)高度為壩高的90%時(shí)，壩體可以有效避免由于應(yīng)力集中產(chǎn)生的塑性變形；折坡點(diǎn)達(dá)到壩體高度約80%時(shí)，可以減弱地震造成的破壞，壩體出現(xiàn)局部開(kāi)裂但不會(huì)形成貫穿裂縫.折坡點(diǎn)位于壩體高度80%以下時(shí)，在強(qiáng)震作用下壩頸會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的貫穿裂縫，對(duì)壩體整體穩(wěn)定性與安全性產(chǎn)生重大威脅.

[1]潘家錚.水電與中國(guó) [M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2007：35-64.

(PAN Jia-zheng.Hydropower and China [M].Beijing：China Water & Power Press，2007：35-64.)

[2]陳厚群.混凝土高壩抗震研究 [M].北京：高等教育出版社，2011：9-14.

(CHEN Hou-qun.Study on seismic behavior of concrete dam [M].Beijing：Higher Education Press，2011：9-14.)

[3]李鵬，楊興國(guó)，薛新華，等.瀑布溝心墻堆石壩地震響應(yīng)分析 [J].世界地震工程，2015，31(1)：217-223.

(LI Peng，YANG Xing-guo，XUE Xin-hua，et al.Earthquake response analysis of Pubugou corewall rockfill dam [J].World Earthquake Engineering，2015，31(1)：217-223.)

[4]楊璐，孔方昀，王偉.XPS板外墻保溫系統(tǒng)溫度效應(yīng)的數(shù)值模擬 [J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，36(6)：701-705.

(YANG Lu，KONG Fang-yun，WANG Wei.Numerical simulation for temperature effect of external thermal insulation system with XPS board [J].Journal of Shenyang University of Technology，2014，36(6)：701-705.)

[5]王銘明，陳健云，范書(shū)立.重力壩地震動(dòng)水壓力試驗(yàn)研究 [J].水電能源科學(xué)，2012，30(5)：51-53.

(WANG Ming-ming，CHEN Jian-yun，F(xiàn)AN Shu-li.Experimental study on earthquake hydrodynamic pressure of gravity dam [J].Water Resources and Power，2012，30(5)：51-53.)

[6]邵長(zhǎng)江，錢(qián)永久.Koyna混凝土重力壩的塑性地震損傷響應(yīng)分析 [J].振動(dòng)與沖擊，2006，25(4)：129-131.

(SHAO Chang-jiang，QIAN Yong-jiu.Seismic plastic damage response analysis of Koyna concrete gravity dam [J].Journal of Vibration and Shock，2006，25(4)：129-131.)

[7]徐金英，李德玉，郭勝山.基于ABAQUS的兩種庫(kù)水附加質(zhì)量模型下重力壩動(dòng)力分析 [J].中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2014，12(1)：98-103.

(XU Jin-ying，LI De-yu，GUO Sheng-shan.The dynamic analysis of gravity dam under two added water mass models based on ABAQUS [J].Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research，2014，12(1)：98-103.)

[8]楊璐，金峰.水工混凝土結(jié)構(gòu)中的數(shù)值計(jì)算與實(shí)例 [M].北京：科學(xué)出版社，2015：83-92.

(YANG Lu，JIN Feng.Numerical calculation and examples of hydraulic concrete structures [M].Beijing：Science Press，2015：83-92.)

[9]方修君，金峰，王進(jìn)廷.基于擴(kuò)展有限元法的Koyna重力壩地震開(kāi)裂過(guò)程模擬 [J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，48(12)：2065-2069.

(FANG Xiu-jun，JIN Feng，WANG Jin-ting.Seismic fracture simulation of the Koyna gravity dam using an extended finite element method [J].Journal of Tsinghua University(Science and Technology)，2008，48(12)：2065-2069.)

[10]黃耀英，孫大偉，田斌.兩種庫(kù)水附加質(zhì)量模型的重力壩動(dòng)力響應(yīng)研究 [J].人民長(zhǎng)江，2009，40(7)：64-66.

(HUANG Yao-ying，SUN Da-wei，TIAN Bin.Study on dynamic response of gravity dam with two kinds of reservoir water quality model [J].Yangtze River，2009，40(7)：64-66.)

[11]中華人民共和國(guó)水利部.SL203-97水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范 [S].北京：中國(guó)水利水電出版社，1997.

(Ministry of Water Resources of the People’s Republic of China.SL203-97 Code for seismic design of hydraulic structures [S].Beijing：China Water & Power Press，1997.)

(責(zé)任編輯：鐘媛英文審校：尹淑英)

Influence of height of turning point on seismic performance of gravity dam

YANG Lu,WANG Zhi-kun,CHEN Hong

(School of Architecture and Civil Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China)

In order to determine the influence of height of downstream turning point on the seismic performance of concrete gravity dam,the ABAQUS software was used to establish the 2D finite element model with taking the Koyna earthquake disaster in 1967 as the prototype.The results show that with reducing the position of downstream turning point,the tensile stress at the dam surface mutation gradually increases.In addition,the tensile stress approximately increases linearly from the 70% to 90% stage,and the increasing amplitude tends to slow down below 70%.With decreasing the height of downstream turning point,the dam crest shakes more and more violently,which has serious adverse effect on the security and stability of building on the dam crest.When the height of downstream turning point is controlled to be higher than 80% of dam height,the damage caused by the stress concentration can be effectively weaken or avoided.The reasonable height of downstream turning point in the engineering design has important influence in improving the seismic performance of dam.

hydraulic structure; seismic performance; downstream turning point; numerical simulation; gravity dam; stress; displacement; damage

2015-08-31.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11102118).

楊璐(1973-)，女，山東掖縣人，教授，博士，主要從事混凝土彈塑性損傷本構(gòu)和ABAQUS數(shù)值模擬等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.02.18

TV 642.3

A

1000-1646(2016)02-0216-06

*本文已于2015-12-07 16∶18在中國(guó)知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版.網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20151207.1618.032.html