舟山地區(qū)面板灌砌石壩抗震安全評價研究

嚴(yán) 乾，王亞軍，王友博，熊 站，甘孝清，左 正

(1.浙江海洋大學(xué)港航與交通運輸工程學(xué)院，浙江舟山316002；2.長江科學(xué)院工程安全與災(zāi)害防治研究所，湖北武漢430010；3.中國電能成套設(shè)備有限公司，北京100080)

舟山地區(qū)能源相對短缺，但島內(nèi)豐富的石材為面板灌砌石壩的建設(shè)提供了充足的材料。舟山地處南北兩大地震帶的接合部，江山-紹興斷裂是該地區(qū)著名的活動斷裂帶。面板灌砌石壩因其自身結(jié)構(gòu)及造型特點，極易受到地震動等災(zāi)變荷載的影響，在復(fù)雜且具有明顯不確定性的地震動效應(yīng)影響下，其工作性態(tài)無法采用常規(guī)的、現(xiàn)有規(guī)范給出的單一化、定性的模型及方法進(jìn)行評價研究。因此，本文提出基于多樣式地震波激勵類大數(shù)據(jù)動力分析評價方法，以舟山地區(qū)某面板灌砌石壩為例，對面板灌砌石壩抗震安全進(jìn)行了評價研究，旨在為其推廣應(yīng)用提供重要理論支持與技術(shù)保證。

1 面板灌砌石壩整體抗震研究基本理論及模型

1.1 材料動本構(gòu)模型

三維空間下的修正彈性矩陣

[D*]=[Tσ]T[D*][Tσ]

(1)

本文認(rèn)為面板灌砌石壩材料的動彈性模量Edi總體上服從雙曲線分布,即

式中，A1e、B1e為與填料性質(zhì)有關(guān)的曲線形狀參數(shù)；εEr為模量參考應(yīng)變。因灌砌石壩填料承受的圍壓對材料動彈性模量的影響是通過材料的動應(yīng)變性能演化來展現(xiàn)的，因此建立模量參考應(yīng)變與圍壓關(guān)系

式中，σEr為模量參考圍壓；σ3c為實際圍壓；ce為擬合參數(shù)。

阻尼比ζ亦滿足修正Hardin-Drnevich模型

式中，A2d和B2d為與土類性質(zhì)有關(guān)的曲線形狀參數(shù)；εDr為阻尼參考應(yīng)變。由前所述，可利用壩體材料的動應(yīng)變累積過程揭示壩體中的圍壓對材料阻尼比的影響，基于此，本文借助式(5)建立了材料阻尼參考應(yīng)變與灌砌石壩體圍壓關(guān)系式

式中，σDr為阻尼參考圍壓；dd為擬合參數(shù)。

1.2 加速度譜

全文以汶川地震波為基準(zhǔn)激勵對仿真模型進(jìn)行抗震計算，具體加速度譜如圖1所示。

圖1 汶川地震波

2 仿真模擬模型及參數(shù)

2.1 有限元模型及參數(shù)

本文將采用動力有限單元法，對舟山地區(qū)某重力式鋼筋混凝土面板灌砌石壩進(jìn)行地脈動下整體振型及動力響應(yīng)敏感性分析及仿真計算。地震敏感性仿真模擬所用壩體-基巖系統(tǒng)的模型材料分區(qū)：考慮壩基巖體、壩體灌砌石、上游壩面鋼筋混凝土面板、上游灌砌石及灌砌石體接觸面錨固體系等部分。

有限單元法網(wǎng)格模型如圖2所示。模型采用六面體應(yīng)力單元進(jìn)行三維仿真計算，模型單元總數(shù)為52 318，節(jié)點總數(shù)為58 215。壩體、基巖系統(tǒng)分別承受多組代表性地震波激勵，地震輸入邊界為基巖底部邊界層；計算考慮加載組合為重力+靜水壓力+動水壓力+地震荷載；仿真研究取上游水位為設(shè)計洪水位108.30 m；下游水位85.25 m。為防止數(shù)值模型在地震動下逃逸，在壩基上設(shè)置彈簧模擬黏彈性人工邊界[7]。壩體砌石內(nèi)錨桿長50 cm，錨固長度30 cm，埋入面板部分20 m，間排距均為50 cm；錨固鋼筋密度取標(biāo)準(zhǔn)值7 850 kg/m3。

圖2 面板灌砌石壩有限單元網(wǎng)格模型

2.2 振型分析

對于重力壩，通常只需計算5階低頻振型即可。同時，水壩滿庫條件下的地震誘發(fā)振動頻率要低于空庫或半空庫條件下結(jié)果，重力式水壩(包括混凝土壩及灌砌石壩)振動頻率量級為4～15 Hz。本文為保守計算只給出頻率最低的2階振型進(jìn)行分析。采用第一階振型對應(yīng)的自振頻率作為基頻，對大壩系統(tǒng)做后續(xù)的地震敏感性仿真分析研究。

3 結(jié)果及分析

3.1 壩體-基巖系統(tǒng)整體動力響應(yīng)敏感性分析

壩體-基巖系統(tǒng)整體動力響應(yīng)敏感性分析結(jié)果見圖3、4。從圖3、4可以看出，汶川激振波形作用下，該面板系統(tǒng)的動力響應(yīng)場量級均有振蕩上升的趨勢；因受到兩岸山體強(qiáng)約束，橫河向響應(yīng)場量級最?。粍討?yīng)力場終重力向結(jié)果的量級最大；位移場響應(yīng)中，順河向計算結(jié)果量級最高[9]。

圖3 汶川地震波下重力向應(yīng)力場(1 s)

圖4 汶川地震波下順河向位移場(1 s)

3.2 鋼筋混凝土面板地震動力響應(yīng)敏感性分析

以接觸面法向開合度為主要評價指標(biāo)進(jìn)行地震動敏感性研究，結(jié)果見圖5。從圖5可以看出，受地震波譜輸入的非確知性影響，該區(qū)域兩類材料之間的張開或閉合表現(xiàn)極為敏感，上游壩鍾位置處的面板與灌砌石體間在地震動末期最大張開度達(dá)到7 mm，且張開位置上升至上游壩面轉(zhuǎn)折處。

圖5 接觸面法向開合度過程最大值(汶川波)

3.3 上游錨固體系地震動力響應(yīng)敏感性研究

上游壩面面板與灌砌石體之間的錨固體系是維護(hù)結(jié)構(gòu)整體性，特別是增強(qiáng)系統(tǒng)動力穩(wěn)定性的重要構(gòu)造。錨固體系順河向位移過程見圖6。

圖6 錨固體系順河向位移過程

在地震波激勵下的動位移場中，錨固體系的動位移達(dá)到1 m級，就地震動應(yīng)力場而言，汶川波激勵下的分布總體隨地震時程延長而呈現(xiàn)應(yīng)力累積增長的趨勢；特別是在地震后期?？梢姡摻罨炷撩姘骞嗥鍪瘔紊嫌五^固系統(tǒng)對于地震波譜輸入極為敏感[10]。同時根據(jù)計算結(jié)果知道，在地震動影響下，上游壩面的錨固體系分擔(dān)了結(jié)構(gòu)1/4以上的極限應(yīng)力。

4 結(jié) 論

以汶川波為基準(zhǔn)，通過動力有限元分析鋼筋混凝土面板灌砌石壩整體及敏感性性部位，結(jié)果表明：

(1)壩體接觸面開合度達(dá)到了7 mm，而其他部位變化微??；地震波的不確定性對面板壩不同部位結(jié)構(gòu)影響不一。

(2)錨固系統(tǒng)、壩體與面板連接段總是動力敏感集中區(qū)；上游壩面的錨固體系對于緩震、限裂作用明顯。但這些區(qū)域中的主拉動應(yīng)力常會突破混凝土材料的極限抗拉強(qiáng)度值，所以面板壩局部強(qiáng)化極為必要。

面板壩主體結(jié)構(gòu)對于地震波形激勵極為敏感；對面板壩進(jìn)行地震波激勵敏感性研究極為必要，如何設(shè)計精細(xì)錨固系統(tǒng)使結(jié)構(gòu)整體協(xié)同合作，共同抵抗荷載作用為以后研究的重點。