高心墻堆石壩的動力響應和抗震分析

路玲

（河南省豫北水利工程管理局，河南 新鄉 453002）

1 引言

由于高心墻堆石壩建設對大壩建設的重要性，許多學者對此進行研究，袁上豐等對已經建好的多座高心墻堆石壩進行研究，通過大壩的外部特征和內部材料壩擬定多種計算參數，進行數值模擬計算。

目前中國對于高心墻堆石壩的抗震特性進行了多方面的研究，但未考慮高心墻堆石壩的動力響應和其抗震情況。文章基于有限元數值模擬，通過位移變化探究高心墻堆石壩的動力響應和抗震特性，并進行分析。

2 模型建立

2.1 工程概況

如文章以某高心墻堆石壩工程為研究對象，該地區在河床附近需開挖高程2.88 km，其中基底厚2 m，由混凝土制成，石壩則由礫石制造，有較好的加固作用。大壩的高度為296 m，寬16 m，坡比分為上下游，分別為1∶2.00和1∶1.90，并且在相應位置設置馬道。高心墻堆石壩在河床附近，附近地形較為復雜，因此通過數字模擬對大壩進行建模，并對模型進行分析。

2.2 參數計算

此數值模擬研究主要針對在地震作用下，大壩的破壞情況，其中主要研究的是其剪切破壞，通過屈服準則定理，得出強切屈服函數為：

通過表參數，輸入到數值模擬之中，并且為了研究地震的情況對大壩的影響，得出計算方案，如表2所示。

表1 數值模擬計算參數表

表2 計算方案表

3 模型分析

3.1 動力反應

由表3 可知，表明了各項方向的放大倍數，由此得出在不同地震波下大壩頂端軸線的加速度放大倍數的分布情況。

表3 動力反應計算結果表

對于超越概率1%和超越概率2%的放大倍數曲線的具體情況是相似的，其中當場地譜為0.50時，其工況的放大倍數都達到了最大值，并且曲線在場地譜為0.50～0.70時放大倍數曲線下降到上升，但總體放大倍數隨場地譜的增大先增大后減小。

超越概率1%的高度歸一比超過0.80時，工況才接近，但超越概率2%的高度歸一比為0.80時，兩種工況就已經接近。其中當加速度放大倍數在2.50時，高度歸一比都趨于穩定，但加速度放大倍數在1.00～2.50時，曲線呈遞增關系。

通過上述可以看出，大壩在地震作用下，其加速度分布較為合理，并且本數值模擬研究動力反應情況，主要考慮其穩定性。

3.2 永久變形

由表4可知，表明了大壩在每個工況下的永久變形位移情況變化，由此得出在不同地震波作用下大壩頂端軸線的位移沉降情況。

表4 永久變形計算結果表 單位：m

大壩頂端軸線的位移分布情況，對于超越概率1%和超越概率2%的豎直位移曲線是相似的，都是先增大后減小，并且在場地譜為0.50左右時，其位移都達到了最大值；不同工況的水平位移情況，超越概率1%的水平位移比超越概率2%的水平位移的場地譜要長，但水平位移與場地譜呈正相關，但當場地譜接近1.50時，就不會在提高了。其中當水平位移在0.90左右之時，水平位移在上升，但場地譜卻在下降。

通過上述可以看出，大壩在地震作用下，永久位移分布較為合理，并且數值模擬研究永久變形情況，主要考慮其穩定性。

3.3 加固措施

對于大壩的抗震的加固措施，主要通過數值模擬對模型進行分析，計算不同的工況，得出其加固范圍，并在此基礎上，進行加筋，在大壩頂端的60 m 左右，中間部分為100 m 左右加筋，加筋筋材的間距為10 m左右，具體情況如圖1所示。

圖1 加筋筋材分布圖

通過圖1的加筋筋材分布情況，對超越概率2%的場地譜進行進一步研究，對其動力進行分析加筋效果。對比加筋與未加筋的效果，不難發現，加筋之后，大壩中軸線的豎直位移要高于加筋的，說明加筋之后，能明顯提升大壩的穩定性加筋之后相較于未加筋，需要場地譜需要達到更大值，水平位移才會更大，并且未加筋大壩的水平位移變化趨勢始終快于加筋大壩水平位移變化趨勢。

3.4 能力分析

由于對于地震作用下，大壩能力分析沒有統一標準，由此通過多因素對其綜合評價，主要通過加筋前后大壩豎向變形情況和安全系數的分析情況進行評價。通過數值模擬，計算不同加速度峰值下的變形情況。對于未加筋的大壩，其沉降深度會隨著加速度峰值的上升而上升，加筋大壩與未加筋大壩相似，但加筋大壩的沉降情況要低于未加筋大壩，并且占高比也小于未加筋大壩，說明加筋之后，大壩的穩定性得到了提升。而對于安全系數的變化情況，大壩在面對地震波的情況下，安全系數會隨著加速度峰值的上升而下降，但加筋大壩的下降幅度要低于未加筋大壩，由此說明大壩經過加筋之后，能夠提升大壩的安全系數，為工程施工提供參考。

4 結論

①超越概率1%和超越概率2%的放大倍數曲線的具體情況是相似的，放大倍數隨場地譜的增大先增大后減小。高度歸一比則當加速度放大倍數在2.5時，高度歸一比都趨于穩定，但加速度放大倍數在1.0～2.5時，曲線呈遞增關系。說明加速度分布較為合理。②超越概率1%和超越概率2%的豎直位移曲線是相似的，都是先增大后減小，對于水平位移情況，超越概率1%的水平位移比超越概率2%的水平位移的場地譜要長，但水平位移與場地譜呈正相關。說明永久位移分布較為合理。③大壩加筋之后，面對地震波的作用，其穩定性能明顯得到提升。對于未加筋的大壩，其沉降深度會隨著加速度峰值的上升而上升，加筋大壩與未加筋大壩相似，但加筋大壩的沉降情況要低于未加筋大壩，并且占高比也小于未加筋大壩，安全系數則隨著加速度峰值的上升而下降，但加筋大壩的下降幅度要低于未加筋大壩，說明大壩經過加筋之后，能夠提升大壩各項性能，為工程施工提供參考。