水力劈裂對主震損傷混凝土重力壩的影響

董永超

(和田鼎晟工程試驗檢測有限公司,新疆 和田 848000)

0 背 景

大量歷史地震記錄顯示，某個地區(qū)在同一時期發(fā)生的多次地震具有規(guī)律性，這些地震被稱為一個地震序列[1]。一個地震序列包括前震、主震和余震，其中前震發(fā)生次數(shù)較少且震級較低；地震加速度最高的一次或多次地震稱作主震，主震發(fā)生的次數(shù)少，釋放能量高，對建筑物的破壞力強；主震過后數(shù)年內(nèi)都有可能發(fā)生余震，余震次數(shù)極多，且震級分布不一，無常規(guī)的規(guī)律性可言，以2008年“汶川5.12大地震”為例，自5月12日發(fā)生大地震至6月初，地震災(zāi)區(qū)共監(jiān)測到超過九千余次余震活動，最大的余震震級為里氏6.4級，很多建筑物在5月12日的大地震中受到一定損傷，但仍然具有一定安全性，卻被隨后發(fā)生的余震所損毀，所以對余震的研究和主震一樣具有很高的應(yīng)用價值。可以明確的是，余震在主震地震加速度上的基礎(chǔ)上存在一定概率控制的衰減行為，本文主震地震峰值加速度取0.399g，余震峰值加速度由0.399g乘以衰減系數(shù)0.85而得。

主震損傷的混凝土重力壩的局部損傷區(qū)域若是位于庫水水位之下，就有可能導致?lián)p傷區(qū)域發(fā)生滲漏，進而產(chǎn)生局部水力劈裂效應(yīng)[2]。余震發(fā)生時，水力劈裂和余震會加劇壩體損傷程度。基于以上考慮，本文將首先對某高混凝土重力壩進行主震加載，再分別對震后損傷壩體施加余震或水力劈裂及余震的共同作用，以論證水力劈裂對壩體的影響。

1 混凝土塑性損傷模型

混凝土塑性損傷模型是基于連續(xù)損傷力學提出的材料模型，該模型所描述的混凝土應(yīng)力—應(yīng)變及動態(tài)損傷特性比較符合混凝土微觀及宏觀力學效應(yīng)，具體是通過分離混凝土單軸拉、壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，再結(jié)合混凝土剛度損傷因子控制下的剛度—應(yīng)變曲線關(guān)系來實現(xiàn)對混凝土力學特性的定量描述[3-4]。

如圖1所示，混凝土單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線為三段式，一開始曲線表現(xiàn)為線彈性單調(diào)遞增，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加逐漸達到屈服強度σc0，曲線斜率為混凝土彈性模量E0，這一階段混凝土保持可恢復的彈性應(yīng)變；隨后曲線斜率開始減緩并逐漸達到極大值，該極大值點為混凝土強度極限σcu，這一階段的混凝土損傷開始出現(xiàn)；越過強度極限σcu后，曲線呈單調(diào)遞減形式，斜率為負，混凝土第二、第三階段都表現(xiàn)出不可逆的塑性發(fā)展特點，損傷因子自屈服強度σc0開始出現(xiàn)并于第三階段末期達到1。

圖1 混凝土單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線

(1)

混凝土單軸受拉時，混凝土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線以屈服強度σt0為分界點劃分為兩階段，應(yīng)力隨應(yīng)變的發(fā)展線性增加至屈服強度σt0后直接衰減，其損傷因子同樣在達到屈服強度時出現(xiàn)，并在曲線發(fā)展末期達到1。混凝土為抗壓準脆性材料，其抗拉強度一般不到抗壓強度的10%。

(2)

2 混凝土重力壩模型信息

2.1 大壩模型參數(shù)

本文以某高混凝土重力壩為研究對象，選取其典型非溢流壩段建立三維模型，該壩段壩高150m，壩頂高程1412m，正常蓄水位高程1398m，上游折坡點高程1323m，折坡點以上壩面鉛直，以下坡降比1∶0.28，下游壩面坡降比1∶0.7。壩體采用C20混凝土，重度2400kg/m3，楊氏彈性模量27GPa，泊松比0.2。

2.2 荷載及工況組合

如表1所示，模型分三個工況加載，主震采用Koyna地震波，峰值加速度調(diào)幅至0.399g，余震調(diào)幅至0.339g，水力劈裂大小由主震損傷的壩體結(jié)果得到。

表1 工況組合

3 重力壩計算結(jié)果

3.1 工況1下的結(jié)果

主震損傷結(jié)果見圖2。

圖2 主震損傷結(jié)果

由圖2可看出，壩體在經(jīng)歷了峰值加速度0.399g的主震加載后，混凝土損傷主要集中在以壩踵、壩趾為中心的扇形區(qū)域內(nèi)，壩踵的損傷面積大于壩趾，損傷量在0.4至0.8之間，但高度損傷區(qū)域面積較小且未貫穿壩底，所以壩體受輕微損傷。

3.2 工況2下的結(jié)果

工況2在工況1的基礎(chǔ)上進行了峰值加速度0.339g的余震加載，其結(jié)果如圖3所示，壩體損傷區(qū)域擴散，壩底及上游折坡點為高度損傷區(qū)，其損傷量在0.77至0.93之間，且壩頸也出現(xiàn)了損傷量為0.38的局部損傷區(qū)。可以判定余震加劇了壩體的損傷程度，大壩安全性降低。

圖3 余震損傷結(jié)果

3.3 工況3下的結(jié)果

由工況1可知壩踵混凝土出現(xiàn)損傷，該區(qū)域?qū)⑹艿綆焖那治g、滲透，從而產(chǎn)生水力劈裂，本文在損傷區(qū)域?qū)?yīng)的節(jié)點施加了豎直向上和豎直向下的一對荷載來模擬水力劈裂的作用。工況3的結(jié)果如圖4所示，可以看出，較工況2的結(jié)果，工況3下的壩體受損更嚴重，壩底及上游折坡點的混凝土損傷量達到0.8至0.96，壩體上游面也出現(xiàn)損傷，壩頸損傷區(qū)域上下游連通，可以得出結(jié)論：水力劈裂在余震中對壩體的損傷有較大危害。

圖4 水力劈裂及余震損傷結(jié)果

4 結(jié) 論

本文以某高混凝土重力壩為研究對象首先討論主震對壩體的損傷，再展開水力劈裂和余震對壩體共同作用的研究，得到以下結(jié)論：

1)0.399g峰值加速度的主震對壩體造成了輕微損傷，雖然壩踵、壩趾的損傷量較大，但受損混凝土面積較小，對大壩安全性不構(gòu)成危害。

2)0.339g峰值加速度的余震加劇了壩體損傷，壩底大面積受損，壩頸小范圍受影響。

3)考慮水頭劈裂的余震對壩體損傷最嚴重，壩底及壩體上游面大范圍受損，壩頸出現(xiàn)上下游連通的損傷區(qū)，判定水力劈裂對主震損傷混凝土重力壩存在較大安全隱患，因采取相應(yīng)措施。