近斷層地震動(dòng)作用下重力壩損傷特性研究

吳 宇，張衛(wèi)云，顧 冬，祝福源，崔 笑

(1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210000；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210024；3.水發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 272037；4.中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024)

0 引 言

20世紀(jì)末到21世紀(jì)初發(fā)生的幾次大地震，如1995年的日本Kobe地震、1999年的臺(tái)灣Chi-Chi以及2003年的伊朗Bam地震等均應(yīng)具有明顯的破裂方向性效應(yīng)和速度脈沖特征，對(duì)結(jié)構(gòu)造成了重大的損壞。我國(guó)絕大多數(shù)的高壩大庫(kù)均集中于我國(guó)西部地區(qū)，而這一地區(qū)正是我國(guó)地震高發(fā)地區(qū)，因而研究近斷層脈沖地震動(dòng)對(duì)水工結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響具有重要意義。梅偉等[1]研究了近斷層脈沖型地震動(dòng)對(duì)黏土心墻土石壩動(dòng)力響應(yīng)的影響；唐彧杰等[2]研究了近斷層脈沖型地震動(dòng)對(duì)高拱壩動(dòng)力響應(yīng)的影響；宋健等[3]研究了近斷層脈沖型地震動(dòng)對(duì)土質(zhì)邊坡動(dòng)力響應(yīng)的影響。

在近斷層地震動(dòng)對(duì)重力壩動(dòng)力響應(yīng)影響研究方面，張社榮等[4]針對(duì)近斷層脈沖型地震動(dòng)對(duì)重力壩損傷累積破壞的影響進(jìn)行了研究。但在研究過(guò)程中僅考慮了向前方向性效應(yīng)及無(wú)脈沖效應(yīng)地震動(dòng)對(duì)重力壩損傷累積破壞的影響，忽略了滑沖效應(yīng)對(duì)重力壩動(dòng)力響應(yīng)的影響。為了更為全面地了解近斷層脈沖型地震動(dòng)作用下的重力壩損傷特性，本文以Koyna重力壩為例建立了塑性損傷模型，并對(duì)模型的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證。從壩體損傷區(qū)域分布、壩頂關(guān)鍵點(diǎn)位移以及壩體損傷耗能情況3個(gè)方面出發(fā)，對(duì)比研究了具有向前方向性效應(yīng)、滑沖效應(yīng)和無(wú)脈沖效應(yīng)近斷層地震動(dòng)對(duì)重力壩損傷特性的影響。

1 近斷層脈沖型地震動(dòng)選取

1999年的臺(tái)灣Chi-Chi地震動(dòng)擁有大量含脈沖特性的地震波。為了更為全面地了解近斷層脈沖型地震動(dòng)作用下的重力壩損傷特性，本文從Chi-Chi地震動(dòng)選取了6條地震波，如表1所示，向前方向性效應(yīng)、滑沖效應(yīng)及無(wú)脈沖效應(yīng)地震波各2條。所選地震動(dòng)均來(lái)自PEER[2]強(qiáng)震數(shù)據(jù)庫(kù)，將所有地震波統(tǒng)一調(diào)幅為0.2g，地震動(dòng)持時(shí)均為90 s。PGA、PGV、PGD分別表示地震動(dòng)峰值加速度、峰值速度、峰值位移，PGV/PGA是反映速度脈沖的參數(shù)，PGV/PGA>0.2時(shí)速度脈沖特性較為明顯[5]。圖1～圖3給出了典型的具有向前方向性效應(yīng)、滑沖效應(yīng)及無(wú)脈沖效應(yīng)的地震波的加速度、速度和位移時(shí)程曲線。從圖1～圖3可以看出，具有向前方向性效應(yīng)的TCU051-EW波呈現(xiàn)出明顯的雙向往復(fù)形式的脈沖，具有滑沖效應(yīng)的TCU071-EW波呈現(xiàn)出明顯的單向運(yùn)動(dòng)形式脈沖。

表1 脈沖型/非脈沖型地震記錄

圖1 TCU051-EW地震波時(shí)程曲線(向前方向性效應(yīng))

圖2 TCU075-EW地震波時(shí)程曲線(滑沖效應(yīng))

圖3 TCU071-EW地震波時(shí)程曲線(無(wú)脈沖效應(yīng))

2 近斷層脈沖型地震動(dòng)對(duì)重力壩損傷特性影響研究

2.1 工程概況及有限元模型

Koyna重力壩壩高103 m，壩基底部和壩頂寬分別為70.2、14.8 m，壩前水位91.75 m，下游折坡處距地面67 m，折坡處以下坡比為1∶0.75，建立圖4所示有限元模型。地基范圍為：上下游及深度方向地基各取1.5倍壩高。模型中防滲帷幕中心線距壩體上游面7 m，帷幕深度為1/2壩前水位高度，取45.5 m。壩體設(shè)為塑性損傷材料[6]，壩基為線彈性材料。

圖4 Koyna重力壩有限元模型

計(jì)算采用的壩體混凝土、基巖材料參數(shù)見(jiàn)表2和表3，防滲帷幕取值與壩體混凝土相同。

表2 壩體混凝土材料屬性

表3 基巖材料屬性

2.2 損傷模型的驗(yàn)證

為了說(shuō)明本文建立的Koyna重力壩塑性損傷模型能較為真實(shí)地反映出大壩在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)，將本文計(jì)算出的Koyna重力壩仿真結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

同時(shí)輸入水平向峰值加速度為0.474g和豎向峰值加速度為0.312g的Koyna實(shí)測(cè)地震波如圖5所示。在截?cái)噙吔缣幨┘诱硰椥匀斯み吔鏪7]以防止地震波發(fā)生反射。

圖5 Koyna重力壩實(shí)測(cè)地震波

本文計(jì)算出的仿真結(jié)果如圖6所示，壩體折坡處在震后形成貫穿上下游的裂縫，壩踵位置出現(xiàn)損傷開(kāi)裂，計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[8]模型試驗(yàn)結(jié)果相似，說(shuō)明本文建立的Koyna重力壩塑性損傷模型能較好地模擬大壩在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)。

圖6 Koyna重力壩損傷分布

2.3 近斷層地震動(dòng)對(duì)壩體損傷區(qū)域的影響研究

圖7為Koyna重力壩在遭受不同特性近斷層地震動(dòng)作用后的壩體塑性損傷分布。其中，圖7a、7b為具有向前方向性效應(yīng)特性地震動(dòng)作用后的損傷分布，從圖7a、7b可以看出，地震過(guò)后，在折坡處形成了貫通上下游的裂縫，壩踵位置也出現(xiàn)了嚴(yán)重的損傷開(kāi)裂現(xiàn)象；圖7c、7d為具有滑沖效應(yīng)特性地震動(dòng)作用后的損傷分布，從圖7c、7d可以看出，地震過(guò)后，下游折坡處及壩踵位置出現(xiàn)了輕微的損傷開(kāi)裂，比向前方向性效應(yīng)地震動(dòng)破壞性小很多；圖7e、7f為無(wú)脈沖效應(yīng)地震動(dòng)作用后的損傷分布，從圖7e、7f可以看出，地震過(guò)后，下游折坡處出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的損傷開(kāi)裂，但未形成貫通的裂縫，壩踵位置的損傷開(kāi)裂也較為嚴(yán)重，壩體的整體破壞程度輕于向前方向性效應(yīng)地震動(dòng)作用結(jié)果，重于滑沖效應(yīng)地震動(dòng)作用結(jié)果。從損傷分布上可以看出，向前方向性效應(yīng)地震動(dòng)的破壞作用最為嚴(yán)重，其次為無(wú)脈沖效應(yīng)地震動(dòng)，滑沖效應(yīng)地震動(dòng)破壞性最輕。

圖7 壩體塑性損傷分布

2.4 近斷層地震動(dòng)對(duì)重力壩位移的影響研究

圖8為Koyna重力壩在遭受不同特性近斷層地震動(dòng)作用后的壩頂順河向位移時(shí)程曲線。其中，前1 s為靜力作用，1～91 s為地震動(dòng)作用，靜力作用后壩頂位移0.717 cm。圖8a、8b為具有向前方向性效應(yīng)特性地震動(dòng)作用時(shí)的壩頂位移時(shí)程曲線，從圖8a、8b可以看出，除去靜力作用，地震動(dòng)作用使壩頂分別向順河向發(fā)生位移2.017 cm和2.651 cm；圖8c、8d為具有滑沖效應(yīng)特性地震動(dòng)作用時(shí)的壩頂位移時(shí)程曲線，從圖8c、8d可以看出，除去靜力作用，地震動(dòng)作用使壩頂分別向順河向發(fā)生位移0.746 cm和0.656 cm；圖8e、8f為無(wú)脈沖效應(yīng)地震動(dòng)作用時(shí)的壩頂位移時(shí)程曲線，從圖8e、8f可以看出，除去靜力作用，地震動(dòng)作用使壩頂分別順河向發(fā)生位移0.376 cm和0.380 cm。從壩體位移可以看出，向前方向性效應(yīng)地震動(dòng)作用后位移量最大，其次為無(wú)脈沖效應(yīng)地震動(dòng)，最后為滑沖效應(yīng)地震動(dòng)。說(shuō)明向前方向性效應(yīng)地震動(dòng)的破壞作用最為嚴(yán)重，其次為無(wú)脈沖效應(yīng)地震動(dòng)，滑沖效應(yīng)地震動(dòng)破壞性最輕。

圖8 壩頂順河向位移時(shí)程曲線

2.5 近斷層地震動(dòng)對(duì)重力壩損傷耗能影響研究

圖9為Koyna重力壩在遭受不同特性近斷層地震動(dòng)作用后的壩體損傷耗能時(shí)程曲線。從圖9可以看出，地震過(guò)后，向前方向性效應(yīng)地震動(dòng)(TCU082和TCU051)產(chǎn)生的壩體損傷耗散能分別為9.08 kN·m和6.82 kN·m；滑沖效應(yīng)地震動(dòng)(TCU075和TCU076)產(chǎn)生的壩體損傷耗散能分別為1.62 kN·m和1.06 kN·m；無(wú)脈沖效應(yīng)地震動(dòng)(TCU079和TCU071)產(chǎn)生的壩體損傷耗散能分別為5.57 kN·m和4.05 kN·m。從壩體損傷耗能情況可以看出，向前方向性效應(yīng)地震動(dòng)作用后壩體產(chǎn)生的損傷耗散能最多，其次為無(wú)脈沖效應(yīng)地震動(dòng)，最后為滑沖效應(yīng)地震動(dòng)。說(shuō)明向前方向性效應(yīng)的破壞作用最為嚴(yán)重，其次為無(wú)脈沖效應(yīng)地震動(dòng)，滑沖效應(yīng)地震動(dòng)破壞性最輕。

圖9 壩體損傷耗能時(shí)程曲線

3 結(jié) 論

本文以Koyna重力壩為研究對(duì)象建立了塑性損傷模型，從壩體損傷區(qū)域分布、壩頂關(guān)鍵點(diǎn)位移以及壩體損傷耗能情況3個(gè)方面出發(fā)，對(duì)比研究了向前方向性效應(yīng)、滑沖效應(yīng)和無(wú)脈沖效應(yīng)近斷層地震動(dòng)對(duì)重力壩整體損傷特性的影響。結(jié)果表明：

(1)向前方向性效應(yīng)地震動(dòng)作用下壩體產(chǎn)生的損傷破壞范圍、壩頂關(guān)鍵點(diǎn)位移變形及壩體損傷耗能最大，其次為無(wú)脈沖效應(yīng)地震動(dòng)，滑沖效應(yīng)地震動(dòng)造成的影響最小。

(2)向前方向性效應(yīng)地震動(dòng)會(huì)對(duì)重力壩產(chǎn)生更為嚴(yán)重的損傷破壞影響，在重力壩抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注向前方向性效應(yīng)地震動(dòng)造成的影響。

(3)目前的研究中僅考慮了單向近斷層地震動(dòng)對(duì)重力壩損傷破壞的影響，水平和豎直地震動(dòng)耦合作用下的結(jié)果如何還需進(jìn)一步研究。