地震荷載作用下某水利樞紐大壩響應(yīng)機(jī)理分析

郭艷玲

(臨沂市蘭山區(qū)水務(wù)局，山東 臨沂 276000)

0 引 言

地震是一種強(qiáng)烈的地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)，將釋放大量的能量，對(duì)既有建筑物的安全產(chǎn)生一定的影響[1-2]。在工程設(shè)計(jì)階段需要充分考慮地震作用的影響，加強(qiáng)構(gòu)筑物的抗震措施，以保證其在地震來臨的安全性[3-4]。水工建筑物中，大壩的安全是十分重要的，一旦壩體失穩(wěn)將造成不可估量的損失。因此，研究大壩地震響應(yīng)機(jī)理是十分必要的。目前，針對(duì)大壩地震響應(yīng)機(jī)理的研究主要采用數(shù)值模擬方法，且取得了良好的應(yīng)用效果[5-6]。

1 工程概況

水利樞紐工程是以灌溉、供水、改善生態(tài)環(huán)境為主，兼顧發(fā)電等綜合利用的大(2)型水利樞紐工程?？値烊菁s1.13×108m3，樞紐工程由大壩、洞式溢洪道、導(dǎo)流泄洪洞、引水發(fā)電系統(tǒng)、魚道、發(fā)電廠房等組成。灌區(qū)土地面積>2萬hm2，設(shè)計(jì)灌溉面積約0.83萬hm2。經(jīng)過初步比選擬采用混凝土心墻壩。

2 壩體地震加速度響應(yīng)

在峰值加速度0.15g地震波作用下，壩體動(dòng)力響應(yīng)加速度最大值統(tǒng)計(jì)表，見表1。場(chǎng)地譜壩體最大橫剖面最大加速度等值線圖，見圖1；規(guī)范譜壩體最大橫剖面最大加速度等值線圖，見圖2；實(shí)測(cè)波壩體最大橫剖面最大加速度等值線圖，見圖3。

順河向/m·s-2

壩軸向/m·s-2

豎直向/m·s-2

順河向/m·s-2

壩軸向/m·s-2

豎直向/m·s-2

順河向/m·s-2

壩軸向/m·s-2

豎直向/m·s-2

計(jì)算結(jié)果表明：在規(guī)范譜場(chǎng)地波(設(shè)計(jì)地震)作用下，壩體順河向、壩軸向和豎直向絕對(duì)加速度最大值分別為7.1 m/s2、5.8m/s2和4.4m/s2，對(duì)應(yīng)的加速度放大倍數(shù)分別為4.73、3.87和4.40。在規(guī)范譜人工波作用下，壩體順河向、壩軸向和豎直向絕對(duì)加速度最大值分別為6.4 m/s2、4.3 m/s2和4.1 m/s2，對(duì)應(yīng)的加速度放大倍數(shù)分別為4.26、2..87和4.10。實(shí)測(cè)波作用下，壩體順河向、壩軸向和豎直向絕對(duì)加速度最大值分別為7.5 m/s2、5.7 m/s2和4.7 m/s2，對(duì)應(yīng)的加速度放大倍數(shù)分別為5.07、3.80和4.70。

上述3種地震波作用下，壩體反應(yīng)加速度最大均為順河向，壩軸向次之，豎直向最小，且都隨著壩體高程的增加而增大。其中，順河向和壩軸向表現(xiàn)出明顯的辮梢效應(yīng)，即在接近壩體區(qū)域時(shí)，加速度突然放大。而豎向加速度由壩基向壩頂逐漸增加，在同一高程，大體都體現(xiàn)了由壩內(nèi)方向逐漸向壩坡方向增大的趨勢(shì)。

加速度反應(yīng)表征大壩地震反應(yīng)的強(qiáng)弱。壩坡或壩頂?shù)炔课患铀俣冗^大時(shí)，可能造成散粒體拋出或滾動(dòng)，但計(jì)算結(jié)果表明，地震反應(yīng)較強(qiáng)烈的區(qū)域相對(duì)較小，且峰值加速度的作用時(shí)間短，因此對(duì)整個(gè)壩體的安全性造成危害較小，必要時(shí)局部可采取抗震加固措施，以保證壩體安全性。

4 壩體動(dòng)位移響應(yīng)

在各地震波作用下，壩體動(dòng)位移最大值統(tǒng)計(jì)表，見表2。場(chǎng)地譜壩體最大橫剖面最大動(dòng)位移等值線圖，見圖4；規(guī)范譜壩體最大橫剖面最大動(dòng)位移等值線圖，見圖5；實(shí)測(cè)波壩體最大橫剖面最大動(dòng)位移等值線圖，見圖6。

順河向/cm

壩軸向/cm

豎直向/cm

順河向/cm

壩軸向/cm

豎直向/cm

(a) 順河向/cm

(b) 壩軸向/cm

豎直向/cm

表2 壩體動(dòng)位移最大值統(tǒng)計(jì)表

計(jì)算結(jié)果表明：在規(guī)范譜(設(shè)計(jì)地震)作用下，壩體順河向、壩軸向和豎直向動(dòng)位移的最大值分別為8.5cm、6.7cm和2.7cm。在規(guī)范譜作用下，壩體順河向、壩軸向和豎直向動(dòng)位移的最大值分別為7.3cm、4.6cm和1.8cm。實(shí)測(cè)波作用下，壩體順河向、壩軸向和豎直向動(dòng)位移的最大值分別為9.7cm、6.1cm和2.9。

根據(jù)動(dòng)位移分布圖可知，各方向的動(dòng)位移均隨壩體高程增加而增大，在壩頂達(dá)到最大值。三種地震波作用下，實(shí)測(cè)波條件下壩體動(dòng)位移響應(yīng)最大。

5 混凝土防滲墻動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)

在各地震波作用下，混凝土防滲墻動(dòng)應(yīng)力最大值統(tǒng)計(jì)表，見表3。場(chǎng)地譜防滲墻壩軸向動(dòng)應(yīng)力等值線云圖，見圖7；規(guī)范譜防滲墻壩軸向動(dòng)應(yīng)力等值線云圖，見圖8；實(shí)測(cè)波防滲墻壩軸向動(dòng)應(yīng)力等值線云圖，見圖9。

表3 混凝土防滲墻動(dòng)應(yīng)力最大值統(tǒng)計(jì)表

動(dòng)壓應(yīng)力/MPa

動(dòng)拉應(yīng)力/MPa

(a) 動(dòng)壓應(yīng)力/MPa

動(dòng)拉應(yīng)力/MPa

(a) 動(dòng)壓應(yīng)力/MPa

動(dòng)拉應(yīng)力/MPa

計(jì)算結(jié)果表明：上述3種地震波作用下，防滲墻動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)強(qiáng)烈程度為：實(shí)測(cè)波>場(chǎng)地譜>規(guī)范譜。

根據(jù)防滲墻應(yīng)力分布情況可知，地震過程中，防滲墻壩軸向最大瞬時(shí)動(dòng)拉、壓應(yīng)力均出現(xiàn)在壩頂偏右的位置，豎直向最大瞬時(shí)動(dòng)拉、壓應(yīng)力出現(xiàn)在中部。壩體內(nèi)雖出現(xiàn)較大范圍的瞬時(shí)動(dòng)拉應(yīng)力，但防滲墻在震前滿蓄期以壓應(yīng)力為主，僅在防滲墻周圍邊緣位置產(chǎn)生范圍較小的拉應(yīng)力，且其靜態(tài)最大壓應(yīng)力分布區(qū)域基本與動(dòng)態(tài)最大拉、壓應(yīng)力分布區(qū)域重合。因此，動(dòng)靜疊加后，防滲墻仍以壓應(yīng)力為主，僅在其周圍邊緣位置出現(xiàn)較小的拉應(yīng)力。

除水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)外的混凝土水工建筑物的抗震強(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%。動(dòng)、靜作用力疊加后防滲墻邊緣位置的拉應(yīng)力增大，但混凝土動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度也有一定提高。因此，混凝土防滲墻在設(shè)計(jì)地震及校核地震工況下具有足夠的抗震安全性。

7 結(jié) 論

1)地震作用下，順河向壩體絕對(duì)加速度響應(yīng)最大，不同地震波的最大值為：7.5m/s2、5.8 m/s2、4.7 m/s2，對(duì)應(yīng)的加速度放大倍數(shù)為：5.07、3.87、4.70。壩體地震響應(yīng)辮梢效應(yīng)顯著。

2)不同方向上，隨著壩體高程的增加，動(dòng)位移響應(yīng)越明顯，各方向的最大位移為：9.7cm、6.7cm、2.9cm。

3)混凝土心墻在地震作用下出現(xiàn)短暫的拉應(yīng)力，但大部分區(qū)域拉應(yīng)力小于靜力，疊加后仍以壓應(yīng)力為主，僅在邊緣區(qū)域出現(xiàn)局部的拉應(yīng)力，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮壩體結(jié)構(gòu)對(duì)地震的放大作用，加強(qiáng)抗震措施。