地震動(dòng)持時(shí)對重力壩抗滑穩(wěn)定性影響研究

顧 冬，馬 力，吳 宇，崔 笑，賈玉豪

(1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210000；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098；3.中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024；4.上海勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335)

地震動(dòng)特性三要素中的地震烈度和頻譜特性已得到學(xué)術(shù)界和工程界的普遍認(rèn)同并已在抗震設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用，基于規(guī)范譜理論對結(jié)構(gòu)展開抗震設(shè)計(jì)研究便是對其最直接的反映[1]。目前在抗震設(shè)計(jì)中普遍忽視了地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間對結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響。隨著抗震研究的深入，國內(nèi)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間與結(jié)構(gòu)的損傷累積破壞程度關(guān)系密切，如Hancock等[2]在前人研究基礎(chǔ)上總結(jié)概述了地震動(dòng)持時(shí)對結(jié)構(gòu)損傷累積破壞的重要影響；郎需軍等[3]發(fā)現(xiàn)較長地震動(dòng)持時(shí)會使輸電塔-線體系產(chǎn)生較大的損傷破壞；韓建平等[4]發(fā)現(xiàn)強(qiáng)震持時(shí)越長，RC框架倒塌概率越高。然而，目前大壩抗震規(guī)范中并沒有對地震動(dòng)持時(shí)加以規(guī)定，因此深入了解地震動(dòng)持時(shí)對大壩動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響具有重要意義。張社榮[5]和崔笑等[6]學(xué)者從能量損失和累積損傷角度出發(fā)研究了地震動(dòng)持時(shí)對重力壩產(chǎn)生的影響；王星亮[7]研究了地震動(dòng)持時(shí)對高混凝土面板堆石壩的影響，但目前還未有學(xué)者研究地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間對重力壩抗滑穩(wěn)定性的影響。本文以我國西南某重力壩溢流壩段為研究對象，在考慮滑裂面非線性接觸的基礎(chǔ)上建立了能反映實(shí)際的壩體-壩基-庫水動(dòng)力相互作用的三維有限元模型。對比研究了長、短持時(shí)地震動(dòng)作用下的壩基塑性區(qū)分布情況、接觸面狀態(tài)以及關(guān)鍵點(diǎn)滑移量，得到了地震動(dòng)持時(shí)對重力壩抗滑穩(wěn)定性的影響規(guī)律，為大壩的抗震設(shè)計(jì)提供了科學(xué)參考。

1 強(qiáng)震持時(shí)的定義

圖1 地震動(dòng)5%～95%有效持時(shí)的計(jì)算

(1)

式中，a(t)為加速度時(shí)程；T為地震動(dòng)的總持時(shí)；I(t)為累積能量百分比。

Trifunac-Brady[9]給出的相對能量持時(shí)為

Ts=T2-T1

(2)

式中，T1與T2由下式確定

(3)

式(3)中前者稱為90%持時(shí)，后者稱為70%持時(shí)。Trifunac-Brady認(rèn)為采用有效持時(shí)評估結(jié)構(gòu)響應(yīng)是最合適的。

2 重力壩有限元模型的建立及地震動(dòng)持時(shí)的影響規(guī)律

2.1 工程概況及有限元模型

選取我國西南某重力壩的溢流壩段為研究對象，該壩段壩底高程2 319.00 m，壩頂高程2 481.00 m，壩高162.00 m，寬137.20 m，壩段厚17.00 m。壩基網(wǎng)格充分考慮了巖基的傾斜夾層特性和巖體材料分區(qū)，根據(jù)巖層走向分層建模。地基上、下游及其深度方向均取1倍壩高。如圖2所示，壩基沿N50°～65°W/NE10°～20°有一滑裂面，接觸單元設(shè)置范圍為從壩踵拉裂，沿N50°～65°W/NE10°～20°裂隙面從壩趾滑出。采用摩擦接觸算法來模擬模擬滑裂面的黏聚力和摩擦系數(shù)，本工程滑裂面屬于巖塊巖屑型，抗剪斷參數(shù)f=0.5，c=0.15 MPa。壩體由4種不用的混凝土材料組成，具體如圖3所示。因?yàn)楸疚闹饕芯康卣饎?dòng)持時(shí)對重力壩抗滑穩(wěn)定性的影響，考慮到壩體的局部破壞可能會導(dǎo)致程序收斂性較差，因此，壩體采用線彈性材料，壩基采用Mohr-Coulomb材料。具體材料分區(qū)如圖3所示。

圖2 重力壩接觸面示意

圖3 重力壩材料分區(qū)

靜力荷載包括壩體自重、上下游靜水壓力、壩基揚(yáng)壓力、淤沙壓力等，其中，上下游水頭分別為158 m和78.41 m；壩基面揚(yáng)壓力按規(guī)范[10]要求選取；淤沙浮容重6.0 kN/m3，內(nèi)摩擦角12°。采用Westergaard附加質(zhì)量法考慮庫水動(dòng)水壓力與壩體及壩基之間的相互作用。動(dòng)力作用下混凝土彈模是在靜力彈性模量的基礎(chǔ)上提升50%。具體材料參數(shù)見表1。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

2.2 考慮持時(shí)的地震動(dòng)輸入

為了避免頻譜特性和振幅對結(jié)果的影響，僅考慮地震動(dòng)持時(shí)對重力壩抗滑的影響。基于規(guī)范譜擬合了總時(shí)長為20 s和40 s的人工波各3條，使其具有相同的峰值加速度和相似的頻譜特性，僅考慮水平向地震動(dòng)產(chǎn)生的影響。圖4峰值加速度為設(shè)計(jì)峰值加速度0.316g，考慮到設(shè)計(jì)地震作用下壩基塑性區(qū)破壞范圍很小，本文對設(shè)計(jì)地震動(dòng)進(jìn)行超載，實(shí)際輸入峰值加速度為0.6g。采用90%有效持時(shí)來定義強(qiáng)震持時(shí)。在截?cái)噙吔缣幨┘拥刃б恢抡硰椥赃吔鏪11]來防止地震波發(fā)生反射，以真實(shí)模擬地震波在地基中的傳播過程。

圖4 地震動(dòng)時(shí)程曲線及能量持時(shí)

2.3 長、短持時(shí)作用下的壩基塑性區(qū)分布

長、短持時(shí)地震動(dòng)作用下的壩基塑性區(qū)分布如圖5所示。由圖5可知，地震動(dòng)作用后，壩基塑性區(qū)除在軟弱夾層和截?cái)噙吔缣幃a(chǎn)生，主要產(chǎn)生于壩底附近的基巖位置，并沿深度方向擴(kuò)展。長、短持時(shí)人工波計(jì)算結(jié)果對比可知，長持時(shí)地震動(dòng)作用后，壩基塑性區(qū)范圍明顯大于短持時(shí)地震動(dòng)的作用結(jié)果，大壩底部基巖塑性區(qū)較短持時(shí)沿深度及上下游方向均有不同程度的擴(kuò)展，例如：短持時(shí)作用下靠近壩踵位置的上游基巖未產(chǎn)生塑性破壞，但在長持時(shí)地震動(dòng)作用下，壩踵附近的上游基巖均已產(chǎn)生塑性破壞。由此可見，長持時(shí)地震動(dòng)會使壩基產(chǎn)生更大范圍的塑性破壞。

圖5 地震動(dòng)作用后壩基塑性區(qū)分布

2.4 長、短持時(shí)作用下的接觸面狀態(tài)

在動(dòng)接觸模型中，包括粘結(jié)(sticking)、滑動(dòng)(slipping)、閉合(closed)、張開(open)、失效(dead)等5種接觸面狀態(tài)。在滑裂面的粘結(jié)強(qiáng)度尚未破壞時(shí)，接觸面表現(xiàn)為粘結(jié)(sticking)狀態(tài)。隨著地震動(dòng)作用效果地不斷增加，粘結(jié)強(qiáng)度逐漸失效，滑裂面狀態(tài)由粘結(jié)(sticking)逐漸變?yōu)榛瑒?dòng)(slipping)，表現(xiàn)為接觸面上粘結(jié)區(qū)域不斷縮小，滑動(dòng)區(qū)域逐漸擴(kuò)大，直至整個(gè)接觸面全部滑動(dòng)、張開。地震作用后接觸面狀態(tài)示意如圖6所示。從圖6可以看出，長持時(shí)地震動(dòng)作用后的滑裂面處于滑動(dòng)(sticking)狀態(tài)的范圍要明顯小于短持時(shí)地震動(dòng)作用后的結(jié)果，長持時(shí)地震動(dòng)作用后的滑裂面有更大的范圍處于滑動(dòng)(slipping)和張開(open)狀態(tài)，說明長持時(shí)地震動(dòng)作用后大壩的滑動(dòng)狀態(tài)及程度要明顯大于短持時(shí)地震動(dòng)作用后的結(jié)果。

圖6 地震動(dòng)作用后接觸面狀態(tài)示意

2.5 長、短持時(shí)作用下的壩踵關(guān)鍵點(diǎn)滑移量

地震荷載在持續(xù)時(shí)間內(nèi)是處于往復(fù)變化狀態(tài)的，因此，結(jié)構(gòu)位移隨時(shí)間也會發(fā)生往復(fù)變化，僅觀察地震持續(xù)時(shí)間內(nèi)某一時(shí)刻的位移發(fā)生不足以評判結(jié)構(gòu)的滑動(dòng)狀態(tài)，但震后殘余位移仍可表征結(jié)構(gòu)的滑動(dòng)狀態(tài)[12]。地震作用后的壩踵關(guān)鍵點(diǎn)時(shí)程曲線見圖7。從圖7可以看出，短持時(shí)地震動(dòng)作用后，壩踵關(guān)鍵點(diǎn)的震后水平向殘余位移分別為11.2、15.0、12.98 cm，而長持時(shí)地震動(dòng)作用后壩踵關(guān)鍵點(diǎn)的震后水平向殘余位移分別為27.0、25.5、36.1 cm，說明長持時(shí)地震動(dòng)會使大壩產(chǎn)生更大的滑動(dòng)變形，從而更容易導(dǎo)致大壩失穩(wěn)事故的發(fā)生。

圖7 地震動(dòng)作用后壩踵關(guān)鍵點(diǎn)位移時(shí)程曲線

3 結(jié) 論

本文以我國西南某重力壩溢流壩段為研究對象建立了三維有限元?jiǎng)咏佑|分析模型，考慮具有不同強(qiáng)震持時(shí)的人工波輸入，從壩基塑性區(qū)分布、接觸面狀態(tài)以及關(guān)鍵點(diǎn)滑移量等3個(gè)方面對比研究了地震動(dòng)持時(shí)對重力壩抗滑穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明，地震動(dòng)持時(shí)對重力壩抗滑穩(wěn)定性有著重要影響。相比于短持時(shí)地震動(dòng)的作用效果，長持時(shí)地震動(dòng)作用后，壩基塑性區(qū)范圍更大，滑裂面有更大的范圍處于滑動(dòng)(slipping)和張開(open)狀態(tài)，壩踵關(guān)鍵點(diǎn)產(chǎn)生更大的殘余位移，說明長持時(shí)地震動(dòng)會更易使大壩產(chǎn)生滑動(dòng)失穩(wěn)，在抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)重視地震動(dòng)持時(shí)對重力壩抗滑穩(wěn)定的影響。