滿(mǎn)庫狀態(tài)和強震作用下戈蘭灘重力壩的損傷研究論文
0 引言
重力壩是擋水部分的重要部分，大量的震害調查發(fā)現，重力壩地震作用下在大壩不弱部位產(chǎn)生裂縫損傷，受損部分的混凝土進(jìn)入受損，開(kāi)裂后退出工作會(huì )產(chǎn)生應力釋放，對大壩的擋水功能造成一定的影響。如在四川汶川地震中[1],多數重力壩都產(chǎn)生混凝土開(kāi)裂等損傷。在研究擋水重力壩的動(dòng)力響應時(shí)，庫水與重力壩接觸面由于地震會(huì )產(chǎn)生共振作用，1933 年，Westerguard[2]在對直立壩面的重力壩提出了動(dòng)水壓力的計算公式。徐漢忠[3]應用邊界元法將韋氏公式加以擴充用以計算擋水面傾斜時(shí)的動(dòng)水壓力，對正常水位下的動(dòng)水壓力計算有較好的效果。王銘明[4]則針對不同壩高考慮壩體彈性修正系數、庫底吸收修正項對 Westerguard 公式進(jìn)行改進(jìn)，得出在不同高度的壓力下，上游壩面的流固效應在壩體下部會(huì )有所減小。劉依松[5]對重力壩的動(dòng)力分析中采用二維無(wú)質(zhì)量地基模擬，得出壩體反映峰值滯后地震加速度峰值，動(dòng)力響應與地震加速度變化規律相似。程冬[6]采用二維模型模擬豐滿(mǎn)重力壩的動(dòng)力分析中指出重力壩上部轉折點(diǎn)為損傷薄弱處。譙雯[7]采用譜分析法研究口水重力壩的模態(tài)分析中得出對于目前建成的擋水重力壩在震級不強的地震作用下，其抗震性能較好，混凝土一直處于線(xiàn)彈性階段。目前，在壩工領(lǐng)域運用最為廣泛的數值計算是有限單元法[8],然而有限元方法是一種基于連續介質(zhì)力學(xué)的方法，認為巖體是連續的。本文利用 ansys 分析軟件，建立擋水重力壩三維立體模型，考慮地基質(zhì)量、材料損傷引起的剛度退化和應力釋放，對戈蘭灘重力壩在滿(mǎn)庫狀態(tài)的強震作用下進(jìn)行動(dòng)力響應研究和損傷區域研究。
1 工程實(shí)例
1.1 工程概況
戈蘭灘水電站位于云南省李仙江流域，擋水重力壩壩長(cháng)466m,順流方向長(cháng)度為 95m,高度 113m,正常蓄水位 103m,結構設計抗震烈度等級為 8 度。圖 1 是擋水重力壩的結構示意圖。
1.2 工程有限元模型
1.2.1 有限元計算模型
壩體選用了 solid65 單元，該單元是專(zhuān)為混凝上和巖石等抗壓能力遠大于抗拉能力的非均勻材料開(kāi)發(fā)的單元， 用于各種三維實(shí)體模型；壩基選用 solid45 模擬，計算時(shí)假定壩體和壩基的材料是均勻的，兩者之間緊密連續在一起；基巖則采用線(xiàn)彈性本構模型。有限元模型如圖 2,計算模型中壩體建立13680 個(gè)單元，壩基建立 48918 個(gè)單元。
1.2.2 荷載類(lèi)型
�。�1）動(dòng)水壓力荷載。在地震作用下，庫水與壩上游面有耦合作用，產(chǎn)生流固耦合效應[9].在計算上游面的動(dòng)水壓力時(shí)，由于上游壩面的擋水面是傾斜的，為了準確地表達水壓力，采用徐漢忠[3]利用邊界元法將 Westergaard[2]公式擴充以后的動(dòng)水壓力計算公式來(lái)表達：
式中：V咬n為法向加速度；hw為水深；y′為從壩基算起到計算處的高度，β 為上游壩面的`傾角。
�。�2）地震加速度荷載。對于地震荷載，采用人工合成地震波。地震波時(shí)程采用由規范普推演出的規范普地震波加速度時(shí)程曲線(xiàn)。按照規范規定，大壩動(dòng)力分析應考慮垂直壩軸線(xiàn)方向的水平地震作用和豎向地震作用，其中加速度峰值 0.2g,在計算中豎向地震動(dòng)和水平地震動(dòng)同時(shí)輸入，地震時(shí)程曲線(xiàn)見(jiàn)圖 3,圖 4.
2 地震動(dòng)力分析
2.1 動(dòng)位移分析
圖 5~ 圖 8 是整個(gè)地震過(guò)程中擋水重力壩在 X 方向（順河）和 Y 方向（豎直）最大位移變形圖。從分析結果可以看出，在地震作用下，擋水重力壩的位移變形主要表現在 X 方向（順河），壩頂跨中位移最大值 30.7mm,轉折點(diǎn)位移最大值11.8mm,壩肩與地基連接處最大位移 1.4mm;在 Y 方向（豎向）由于結構自身自重的原因，在一定程度上限制了自身的震動(dòng)，壩頂跨中最大位移為 7.5mm,轉折點(diǎn)最大位移6.6mm,壩肩與地基連接處最大位移 0.67mm.
通過(guò)軟件對壩頂，壩踵轉折處壩肩與地基連接處的位移隨時(shí)間的變化，得出擋水重力壩關(guān)鍵部位的位移時(shí)程變化曲線(xiàn)如圖 9,圖 10 所示。由于重力壩在轉折點(diǎn)上部的結構的剛度較小，下部結構剛度較大，壩頂動(dòng)位移響應比壩踵動(dòng)位移響應大，壩踵比壩肩動(dòng)位移響應大，位移遲滯效應較明顯，位移最大值出現在 3.8s.Y 方向個(gè)節點(diǎn)的位移曲線(xiàn)重合度較高，表明各個(gè)部位在 Y 方向（豎向）的遲滯效應不明顯，動(dòng)力響應較小，最大值出現在 4.1s,由于自身自重的原因，位移峰值比X 方向（順河）動(dòng)力響應滯后。
2.2 動(dòng)應力分析
圖 11~ 圖 14 是擋水重力壩在地震動(dòng)力和滿(mǎn)庫動(dòng)水壓力作用下疊加后的主應力圖。從分析的結果來(lái)看，在地震作用下，由于壩頂震動(dòng)頻率與其他壩體相比較為劇烈，應力分布變化規律較為均勻，動(dòng)應力集中現象較為嚴重。由于壩頂剛度較小，震動(dòng)幅度較大，應當引起注意。
上游面的拉應力集中主要出現在壩肩與地基的接觸部分中間區域，拉應力最大值為 2.67MPa,從圖 8 中可以看出，拉應力出現最大值的時(shí)間是 4.1s.下游面主要的應力集中出現在壩頂跨中區域，最大應力值為 2.52MPa,從圖 9 可以看出壩頂跨中區域應力最大值出現在 3.8s 左右。
從圖 15,圖 16 分析結果得到擋水重力壩上部轉折點(diǎn)以上結構比轉折點(diǎn)下部結果的剛度小，其在動(dòng)水壓力和地震荷載作用下，轉折點(diǎn)以上結構震動(dòng)幅度較為劇烈，動(dòng)力響應比下部結構大。
2.3 重力壩的裂縫損傷形態(tài)圖
從圖 17 分析結果可以看出擋水重力壩上半部分由于剛度較小，在動(dòng)水壓力和地震荷載作用下，在 t=4.0s 時(shí)下游面跨中轉折處混凝土首先開(kāi)始開(kāi)裂，開(kāi)裂混凝土不能繼續承受應力，產(chǎn)生應力釋放，裂縫向壩體內部拓展。由于下游面產(chǎn)生裂縫，使得該部位的剛度有一定的退化，4.2s 上游面也產(chǎn)生裂縫，4.3s 后地震結束。由于地震荷載在一定范圍內變化，裂縫的拓展隨著(zhù)重力壩震動(dòng)變化而變化，但是重力壩整體穩定。
壩肩地基連接處卻沒(méi)有產(chǎn)生裂縫，是由于壩體自身容重較大，使得拉應力減小，壓應力相比增大；壩頂處剛度較小，柔度相對較大，在地震作用下較壩踵轉折點(diǎn)處更不易產(chǎn)生破壞。
2.4 抗震性能評價(jià)
通過(guò)軟件分析結果，可以看出壩趾在整個(gè)地震過(guò)程中均處于受壓狀態(tài)，受壓應力最大 1.6MPa,小于混凝土的動(dòng)力抗壓強度 17.5MPa.在壩肩與地基連接處雖出現應力集中現象，拉應力峰值 2.65MPa,小于混凝土的動(dòng)力抗拉強度2.9MPa,但由于結構自身重力原因，在壩肩與地基連接處并未出現混凝土損傷。下游坡面轉折出優(yōu)先上游面出現混凝土裂縫損傷，這是由于混凝土受壓出現損傷不能繼續傳遞拉應力所致，地震加速度達到峰值 0.2g,擋水重力壩在完整地震過(guò)程中結構穩定，重力壩抗震性能較好。
3 結論
�。�1）整個(gè)擋水重力壩在地震過(guò)程中，受到 X 方向（順河）的地震作用明顯大于 Y 方向（豎向），地震動(dòng)應力、動(dòng)位移響應在自身結構上下部位的剛度不同，表現出壩踵轉折點(diǎn)以上部位在 X 方向（順河）動(dòng)力響應明顯大于下部結構，動(dòng)力響應遲滯效應很明顯；Y 方向（豎向）動(dòng)力響應上部結構雖然大于下部結構，但是動(dòng)力響應遲滯效應較小。
�。�2）由于戈蘭灘擋水重力壩的結構設計特點(diǎn)，滿(mǎn)庫狀態(tài)下裂縫損傷始于下游面壩踵轉折點(diǎn)處，逐步向內部拓展，壩踵轉折點(diǎn)以上結構動(dòng)力響應大于其他部位，壩踵動(dòng)力響應次之，壩肩與地基連接處動(dòng)力響應較小。
�。�3）在對擋水重力壩的結構設計時(shí)，應多關(guān)注中立壩上部結構，它是擋水重力壩在其抗震性能薄弱處，應加以重視。
參考文獻：
[1] 宋勝武，蔣峰，陳萬(wàn)濤。汶川地震災區大中型水電工程真損特征初步分析[J],四川水力發(fā)電，2009,28（2）：1-8.
[2] Westergaard H W.Water pressures on dams duringearthquakes[J]. Transactions, ASCE, 1933, 98: 418-472.
[3] 徐漢忠，吳旭光，馬貞信。計算動(dòng)水壓力附加質(zhì)量的韋氏公式的擴充[J].河海大學(xué)學(xué)報，1997,25（5）：120-122.
[4] 王銘明，陳健云，徐強等。不同高度重力壩動(dòng)水壓力分析及Westergaard 修正公式研究 [J], 工程力學(xué)，2013,30（12）：65-84.
[5] 劉依松。 基于無(wú)質(zhì)量地基模型的重力壩地震響應分析[J].三峽大學(xué)學(xué)報，2014,36（4）：6-10.
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