滿(mǎn)庫(kù)狀態(tài)和強(qiáng)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(diào)查發(fā)現(xiàn)，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(yīng)力釋放，對(duì)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(shù)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(yīng)時(shí)，庫(kù)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(duì)直立壩面的重力壩提出了動(dòng)水壓力的計(jì)算公式。徐漢忠[3]應(yīng)用邊界元法將韋氏公式加以擴(kuò)充用以計(jì)算擋水面傾斜時(shí)的動(dòng)水壓力，對(duì)正常水位下的動(dòng)水壓力計(jì)算有較好的效果。王銘明[4]則針對(duì)不同壩高考慮壩體彈性修正系數(shù)、庫(kù)底吸收修正項(xiàng)對(duì) 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(yīng)在壩體下部會(huì)有所減小。劉依松[5]對(duì)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(yīng)與地震加速度變化規(guī)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(zhuǎn)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(duì)于目前建成的擋水重力壩在震級(jí)不強(qiáng)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(yùn)用最為廣泛的數(shù)值計(jì)算是有限單元法[8],然而有限元方法是一種基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法，認(rèn)為巖體是連續(xù)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(yīng)力釋放，對(duì)戈蘭灘重力壩在滿(mǎn)庫(kù)狀態(tài)的強(qiáng)震作用下進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)研究和損傷區(qū)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(zhǎng)466m,順流方向長(zhǎng)度為 95m,高度 113m,正常蓄水位 103m,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抗震烈度等級(jí)為 8 度。圖 1 是擋水重力壩的結(jié)構(gòu)示意圖。
1.2 工程有限元模型
1.2.1 有限元計(jì)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(yuǎn)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(jì)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(xù)在一起；基巖則采用線(xiàn)彈性本構(gòu)模型。有限元模型如圖 2,計(jì)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(kù)水與壩上游面有耦合作用，產(chǎn)生流固耦合效應(yīng)[9].在計(jì)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(zhǔn)確地表達(dá)水壓力，采用徐漢忠[3]利用邊界元法將 Westergaard[2]公式擴(kuò)充以后的動(dòng)水壓力計(jì)算公式來(lái)表達(dá)：
式中：V咬n為法向加速度；hw為水深；y′為從壩基算起到計(jì)算處的高度，β 為上游壩面的傾角。
?。?）地震加速度荷載。對(duì)于地震荷載，采用人工合成地震波。地震波時(shí)程采用由規(guī)范普推演出的規(guī)范普地震波加速度時(shí)程曲線(xiàn)。按照規(guī)范規(guī)定，大壩動(dòng)力分析應(yīng)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(jì)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(jié)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(xiàn)在 X 方向（順河），壩頂跨中位移最大值 30.7mm,轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(duì)壩頂，壩踵轉(zhuǎn)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(zhuǎn)折點(diǎn)上部的結(jié)構(gòu)的剛度較小，下部結(jié)構(gòu)剛度較大，壩頂動(dòng)位移響應(yīng)比壩踵動(dòng)位移響應(yīng)大，壩踵比壩肩動(dòng)位移響應(yīng)大，位移遲滯效應(yīng)較明顯，位移最大值出現(xiàn)在 3.8s.Y 方向個(gè)節(jié)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(yīng)不明顯，動(dòng)力響應(yīng)較小，最大值出現(xiàn)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(yīng)滯后。
2.2 動(dòng)應(yīng)力分析
圖 11~ 圖 14 是擋水重力壩在地震動(dòng)力和滿(mǎn)庫(kù)動(dòng)水壓力作用下疊加后的'主應(yīng)力圖。從分析的結(jié)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(yīng)力分布變化規(guī)律較為均勻，動(dòng)應(yīng)力集中現(xiàn)象較為嚴(yán)重。由于壩頂剛度較小，震動(dòng)幅度較大，應(yīng)當(dāng)引起注意。
上游面的拉應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在壩肩與地基的接觸部分中間區(qū)域，拉應(yīng)力最大值為 2.67MPa,從圖 8 中可以看出，拉應(yīng)力出現(xiàn)最大值的時(shí)間是 4.1s.下游面主要的應(yīng)力集中出現(xiàn)在壩頂跨中區(qū)域，最大應(yīng)力值為 2.52MPa,從圖 9 可以看出壩頂跨中區(qū)域應(yīng)力最大值出現(xiàn)在 3.8s 左右。
從圖 15,圖 16 分析結(jié)果得到擋水重力壩上部轉(zhuǎn)折點(diǎn)以上結(jié)構(gòu)比轉(zhuǎn)折點(diǎn)下部結(jié)果的剛度小，其在動(dòng)水壓力和地震荷載作用下，轉(zhuǎn)折點(diǎn)以上結(jié)構(gòu)震動(dòng)幅度較為劇烈，動(dòng)力響應(yīng)比下部結(jié)構(gòu)大。
2.3 重力壩的裂縫損傷形態(tài)圖
從圖 17 分析結(jié)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(zhuǎn)折處混凝土首先開(kāi)始開(kāi)裂，開(kāi)裂混凝土不能繼續(xù)承受應(yīng)力，產(chǎn)生應(yīng)力釋放，裂縫向壩體內(nèi)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(jié)束。由于地震荷載在一定范圍內(nèi)變化，裂縫的拓展隨著重力壩震動(dòng)變化而變化，但是重力壩整體穩(wěn)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(yīng)力減小，壓應(yīng)力相比增大；壩頂處剛度較小，柔度相對(duì)較大，在地震作用下較壩踵轉(zhuǎn)折點(diǎn)處更不易產(chǎn)生破壞。
2.4 抗震性能評(píng)價(jià)
通過(guò)軟件分析結(jié)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(yīng)力最大 1.6MPa,小于混凝土的動(dòng)力抗壓強(qiáng)度 17.5MPa.在壩肩與地基連接處雖出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，拉應(yīng)力峰值 2.65MPa,小于混凝土的動(dòng)力抗拉強(qiáng)度2.9MPa,但由于結(jié)構(gòu)自身重力原因，在壩肩與地基連接處并未出現(xiàn)混凝土損傷。下游坡面轉(zhuǎn)折出優(yōu)先上游面出現(xiàn)混凝土裂縫損傷，這是由于混凝土受壓出現(xiàn)損傷不能繼續(xù)傳遞拉應(yīng)力所致，地震加速度達(dá)到峰值 0.2g,擋水重力壩在完整地震過(guò)程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，重力壩抗震性能較好。
3 結(jié)論
?。?）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(yīng)力、動(dòng)位移響應(yīng)在自身結(jié)構(gòu)上下部位的剛度不同，表現(xiàn)出壩踵轉(zhuǎn)折點(diǎn)以上部位在 X 方向（順河）動(dòng)力響應(yīng)明顯大于下部結(jié)構(gòu)，動(dòng)力響應(yīng)遲滯效應(yīng)很明顯；Y 方向（豎向）動(dòng)力響應(yīng)上部結(jié)構(gòu)雖然大于下部結(jié)構(gòu)，但是動(dòng)力響應(yīng)遲滯效應(yīng)較小。
?。?）由于戈蘭灘擋水重力壩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，滿(mǎn)庫(kù)狀態(tài)下裂縫損傷始于下游面壩踵轉(zhuǎn)折點(diǎn)處，逐步向內(nèi)部拓展，壩踵轉(zhuǎn)折點(diǎn)以上結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)大于其他部位，壩踵動(dòng)力響應(yīng)次之，壩肩與地基連接處動(dòng)力響應(yīng)較小。
（3）在對(duì)擋水重力壩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)多關(guān)注中立壩上部結(jié)構(gòu)，它是擋水重力壩在其抗震性能薄弱處，應(yīng)加以重視。
參考文獻(xiàn)：
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