堆石壩壩肩岸坡段防滲墻地震反應(yīng)規(guī)律

董園林++鄧銳敏++陳書燕

摘 要：以某堆石壩工程為背景，采用基于子模型法的三維非線性有限元對其右岸岸坡段防滲墻進行地震反應(yīng)規(guī)律研究，采用薄層單元模擬各種接觸面，壩體材料及覆蓋層采用Hardin-Drnevich本構(gòu)模型，分析得到岸坡段防滲墻與壩基防滲墻地震動力反應(yīng)規(guī)律有較大差異。設(shè)計地震對岸坡段防滲墻的運行狀態(tài)影響較大，考慮岸坡段防滲墻的抗震安全性是非常必要的。

關(guān)鍵詞：岸坡段防滲墻 堆石壩 動力反應(yīng) 子模型法

混凝土防滲墻是深厚覆蓋層壩基上比較有效和經(jīng)濟的垂直防滲設(shè)施，諸多學者對壩基防滲墻的應(yīng)力變形狀態(tài)進行了深入探討，但對岸坡段防滲墻應(yīng)力變形狀態(tài)研究較少。岸坡段防滲墻是對兩岸壩肩覆蓋層進行防滲處理的主要措施，其結(jié)構(gòu)形式與壩基防滲墻差別較大，導致兩者應(yīng)力變形分布規(guī)律有較大差異。

某瀝青混凝土心墻堆石壩最大壩高91.5m，壩址處河道基本順直，河谷呈較為對稱的“V”型。在壩軸線附近，現(xiàn)代河床位于河谷右岸，覆蓋層厚35m～85m；左岸壩軸線處基巖裸露，右岸坡面局部見基巖出露，其余坡面則被第四系崩、坡積及泥石流混合堆積塊、碎石夾粘土所覆蓋，厚度18m～50m。場地地震基本烈度為7度。本文采用子模型技術(shù)對該瀝青堆石壩岸坡段防滲墻進行了精細模擬，在三維非線性靜力分析基礎(chǔ)上，基于時程法對岸坡段防滲墻進行了地震動力計算分析，以揭示岸坡段防滲墻的靜動力特性，從而對抗震安全性作出正確評價并為同類工程提供參考。

計算模型

堆石壩岸坡段防滲墻、防滲墻上下游接觸以及防滲墻與心墻之間的接頭等多個細部構(gòu)造與大壩整體結(jié)構(gòu)尺寸相差十分懸殊，將其與大壩整體同時進行有限元計算分析具有一定的難度。因此有必要采用子模型技術(shù)以降低整體建模的難度以及提高關(guān)心部位結(jié)構(gòu)的計算精度。圖1為大壩有限元整體模型及岸坡段防滲系統(tǒng)子模型。其中有限元整體模型規(guī)模為39884個結(jié)點、38754個單元。岸坡段子模型中包括岸坡段防滲墻、部分防滲墻心墻以及防滲墻與心墻的接頭等細部。該子模型由30425個結(jié)點、29348個單元組成。

基巖和混凝土均采用線彈性本構(gòu)模型，且動彈模在靜彈模的基礎(chǔ)上提高30%，采用無質(zhì)量地基。靜力計算中基巖彈模取10GPa，泊松比0.3；岸坡段防滲墻及其接頭彈模均取2.5GPa，泊松比0.167，密度2400 kg/m3。土石料和瀝青混凝土的靜力本構(gòu)關(guān)系采用Duncan雙曲線E-B模型，動力本構(gòu)關(guān)系采用Hardin-Drnevich模型，防滲墻上下游側(cè)的泥皮以及墻底殘渣等各種接觸面采用有厚度的動力薄層單元來模擬。

綜合考慮壩址地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、潛在震源震級及震中距等因素，動力計算中選取Taft三向地震波進行分析。工程區(qū)地震動峰值加速度為0.15g，震動反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。

計算結(jié)果分析

1、岸坡段防滲墻加速度反應(yīng)

圖2（a）為岸坡段防滲墻頂部加速度包絡(luò)值分布曲線。在Taft波作用下，三個方向加速度反應(yīng)由右側(cè)向左側(cè)逐漸增大，由于岸坡段防滲墻位置較壩基防滲墻高，但其位于右岸壩肩覆蓋層中，故加速度反應(yīng)較壩基防滲墻大且較瀝青混凝土心墻小。

2、岸坡段防滲墻動力變形

圖2（b）為岸坡段防滲墻頂部動位移包絡(luò)值分布；由圖可知，動位移反應(yīng)由墻右側(cè)到左側(cè)逐漸增大，在防滲墻左側(cè)墻頂附近動位移反應(yīng)最大；由于河床中央壩體的沉降變形，將岸坡段防滲墻向河床中央拖拽，使得防滲墻整體有向左岸變形的趨勢。

3、岸坡段防滲墻地震動應(yīng)力

在Taft波的作用下，岸坡段防滲墻因為位于壩肩頂部，動應(yīng)力反應(yīng)較大。動靜疊加后，防滲墻最大橫河向正應(yīng)力表現(xiàn)為全斷面基本受拉，拉應(yīng)力區(qū)域擴大，橫河向最大拉應(yīng)力由靜力工況下的4.07 MPa增加為6.13 MPa，增幅達50.6%，出現(xiàn)在防滲墻右岸墻頂。圖3為經(jīng)動靜疊加后防滲墻中心縱剖面橫河向正應(yīng)力超過C40混凝土動態(tài)抗拉強度2.223 MPa的區(qū)域。

結(jié)論

堆石壩岸坡段防滲墻位于右岸壩肩，動力反應(yīng)較壩基防滲墻大。在Taft地震波作用下，加速度反應(yīng)由防滲墻右側(cè)向左側(cè)逐漸增大，這與壩基防滲墻動力反應(yīng)在河床中央最大的規(guī)律不同。

由于河床中央壩體的沉降變形，將岸坡段防滲墻向河床中央拖拽，使得防滲墻整體有向左岸變形的趨勢，與壩基防滲墻橫河向位移向河床中央收縮變形的規(guī)律不同。

動靜疊加后，本工程案例中岸坡段防滲墻橫河向拉應(yīng)力超過C40混凝土抗拉強度的區(qū)域相對于靜力工況增大，橫河向最大拉應(yīng)力較靜力工況增幅達50.6%，局部區(qū)域增幅可達146%，因此應(yīng)加強岸坡段防滲墻上部的配筋，并預埋灌漿管，以便于裂縫發(fā)生后進行灌漿封堵。

參考文獻：

[1] 萬彪，何蘊龍，熊堃.有厚度節(jié)理單元的開發(fā)與應(yīng)用[J].水電能源科學，2008，26（4）：63-66.

（作者單位：四川省港航開發(fā)有限責任公司）endprint