近斷層地震動(dòng)斜入射對(duì)拱壩橫縫開度的影響

張?zhí)烊?徐強(qiáng)

摘要：分析高拱壩在近斷層地震動(dòng)斜入射作用下的橫縫張開對(duì)于大壩安全有著重要意義。為研究地震波斜入射對(duì)拱壩橫縫張開的影響，建立考慮壩體橫縫非線性的有限元分析模型，以某混凝土拱壩為研究對(duì)象，分析了平面SV波、SH波和P波三維地震動(dòng)同時(shí)斜入射下對(duì)拱壩橫縫張開的影響。結(jié)果表明，壩體的橫縫開度隨著入射角度的增大呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)且30度達(dá)到最大開度。

關(guān)鍵詞：高拱壩;橫縫非線性;地震動(dòng)斜入射;黏彈性人工邊界

1 引言

高拱壩在發(fā)電、航運(yùn)，防洪等中起到了極其重要的作用。在近斷層地震作用時(shí)，壩體橫縫張開過大可能會(huì)造成水庫水的大量釋放，嚴(yán)重威脅拱壩的整體安全，因此，研究高拱壩在地震波三維斜入射作用下的橫縫張開迫在眉睫。目前一些學(xué)者對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震分析多假定地震波是垂直向上入射的。當(dāng)斷層距壩址較近時(shí)，地震波可能以某一角度斜向上入射到地表附近。黏彈性人工邊界是一種精度合理的地震動(dòng)輸入方式。Li和Song采用粘彈性邊界計(jì)算分析了隧道在斜入射地震動(dòng)下的響應(yīng)[1]。文獻(xiàn)[2]基于黏彈性人工邊界的地震動(dòng)輸入方法研究了平面SV波和P波斜入射下拱壩的動(dòng)力響應(yīng)。以上研究表明黏彈性人工邊界在結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析中的適用性。因此在本論文中采用了基于黏彈性人工邊界的地震動(dòng)斜入射輸入方法，以高拱壩-水庫-地基體系為整體，分析了三維地震動(dòng)斜入射下拱壩的上下游面的橫縫張開。

2.地震動(dòng)輸入模型

本文采用粘彈性人工邊界模型[3]，地震動(dòng)在節(jié)點(diǎn)m上的等效應(yīng)力表示為

3.高拱壩壩體變形的研究

3.1 ?工程概況與有限元模型：某高拱壩壩高為289米。拱壩共包括30條壩縫。本文中采用混凝土塑性損傷模型且考慮受拉損傷。接觸邊界模型被用來模擬混凝土拱壩的橫縫[5]。混凝土參數(shù)和巖石參數(shù)參考文獻(xiàn)[3]取值。該主要考慮的靜載有壩的自重和靜水壓力（水位低于壩頂9米），根據(jù)Westergaard附加質(zhì)量添加動(dòng)水壓力。地震動(dòng)基于黏彈性人工邊界的地震動(dòng)斜入射進(jìn)行輸入[4]，采用有代表性的實(shí)測(cè)koyna地震動(dòng)作為基底輸入。

3.2 ?橫縫開度分析

圖1（a）為上游面橫縫開度最大值隨入射角度的變化趨勢(shì)圖，隨著入射角度的增加，橫縫開度最大值出現(xiàn)逐漸遞增的趨勢(shì)，30度入射時(shí)的橫縫最大開度最大為12.56cm。最大開度從0度到30度依次為4.33、5.67、6.33、7.67、10.33、11.67和12.56cm。圖1 （b）為下游面橫縫開度最大值隨入射角度的變化趨勢(shì)圖，隨著入射角度的增加，橫縫開度最大值出現(xiàn)逐漸遞增的趨勢(shì)，30度入射時(shí)的橫縫最大開度最大為13.03cm。最大開度從0度到30度依次為6.43、7.31、8.62、10.12、12.58、12.88和13.03cm。

4 結(jié)論

拱壩的橫縫開度隨著入射角度的增大呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，且30度入射時(shí)，橫縫最大開度達(dá)到最大，考慮 30度為最不利入射角度，斜入射地震動(dòng)對(duì)下游面的橫縫張開影響較明顯。

參考文獻(xiàn)

[1]Li P，Song EX.Three-dimensional numerical analysis for the longitudinal seismic response of tunnels under an asynchronous wave input[J].Computers and Geotechnics，2015，63：229-243.

[2]杜修力，徐海濱，趙密.SV波斜入射下高拱壩地震反應(yīng)分析[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2015，34（4）：139-145.

[3]Chen Jianyun，Cao Xiangyu，Xu Qiang，et al.Exploration on damage mechanism and equivalent damage model of high arch dams under earthquakes[J].KSCE Journal of Civil Engineering，2020，24（4）：1285–1306.

[4]周晨光.高土石壩地震波動(dòng)輸入機(jī)制研究[D].大連理工大學(xué)，2009.

[5]Wang JT，Jin AY，Du XL.Scatter of dynamic response and damage of an arch dam subjected to artificial earthquake accelerograms[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering，2016，87：93-100.