烏東德高拱壩振動臺動力模型試驗研究

熊 堃,胡清義,曹去修

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430010;2.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心,湖北 武漢 430010)

中國特高拱壩遭受震害的實例并不多,據(jù)不完全統(tǒng)計,國內(nèi)外24座100 m級高拱壩受到影響的僅為8座,修建在強震區(qū)的壩高200 m以上的高拱壩經(jīng)受強震作用的實例更少。同時,中國現(xiàn)行抗震規(guī)范[1]主要針對高度200 m以下拱壩,當(dāng)前拱壩抗震設(shè)計研究經(jīng)驗還難以全面滿足中國西部高地震烈度區(qū)的一系列200 m級到300 m級高拱壩工程建設(shè)的要求[2]。在缺乏足夠且有效的高拱壩原型地震破壞觀測資料的情況下,振動臺動力模型試驗是研究探討高拱壩地震破壞模式和破壞機理的有效途徑之一。

自20世紀60年開始,中國水利水電科學(xué)研究院[3-7]就開始逐步開展拱壩及重力壩的振動臺動力模型破壞試驗的研究工作,研究提出了模型相似材料、振動臺地震波輸入、大壩-地基-庫水相互作用、壩體橫縫、壩肩關(guān)鍵滑裂體和人工阻尼邊界等一系列試驗技術(shù),最大限度模擬了影響拱壩地震響應(yīng)的各種主要因素,并應(yīng)用于龍羊峽、溪洛渡、小灣、大崗山等工程,試驗結(jié)果為深入認識拱壩在地震作用下的響應(yīng),全面評價拱壩的抗震性能提供了重要依據(jù)。大連理工大學(xué)[8-10]、清華大學(xué)[11-12]、河海大學(xué)[13]等單位也開展了高拱壩動力模型試驗研究方面的工作。鐘紅等[14]針對拱壩在地震作用下的破壞機理問題,通過動力模型破壞試驗以及數(shù)值模擬的相互驗證,指出大壩頂拱中部附近是高拱壩抗震設(shè)防的關(guān)鍵部位。王海波等[7]指出了拱壩系統(tǒng)動態(tài)物理模型的難點主要體現(xiàn)在模型邊界條件模擬和模型材料與模型加工2個方面,其中模型邊界條件涉及到拱壩系統(tǒng)有限模型的遠場輻射阻尼效應(yīng)模擬和系統(tǒng)地震動輸入模擬,模型材料主要困難在于抗拉強度的模擬,其關(guān)系到壩體損傷破壞成果。

金沙江烏東德水電站是中國第四座、世界第七座跨入千萬千瓦級行列的巨型水電站,混凝土雙曲拱壩最大壩高270 m,設(shè)計地震動峰值加速度0.285g,校核地震動峰值加速度0.348g,大壩抗震安全問題較為突出。本文給出了烏東德拱壩振動臺動力模型試驗的研究成果,與數(shù)值模擬計算成果[15]進行對比,分析烏東德拱壩的地震破壞模式與抗震薄弱環(huán)節(jié),該成果為大壩的抗震安全評價與抗震措施設(shè)計提供了依據(jù)。

1 工程概況

烏東德大壩為拋物線雙曲拱壩,最大壩高270 m,抗震設(shè)防類別為甲類,設(shè)計地震和校核地震加速度代表值分別取基準期100 a內(nèi)超越概率2%和1%的地震動峰值加速度,分別為0.285g、0.348g。在大壩體形的抗震設(shè)計過程中,采用了“靜力設(shè)計,動力調(diào)整”的新方法[15],以動力拱梁分載反應(yīng)譜法開展抗震分析并不斷調(diào)整大壩體形,使其在基本烈度地震的條件下滿足拱壩設(shè)計規(guī)范的應(yīng)力控制指標,提高了壩體抗震性能。可行性研究階段大壩體形的特征參數(shù)和技術(shù)指標見表1,三維效果見圖1。

圖1 大壩體形三維效果

表1 烏東德拱壩體形特征參數(shù)、技術(shù)指標

2 模型設(shè)計

烏東德高拱壩振動臺動力模型試驗委托中國水利水電科學(xué)研究院工程抗震研究中心[16]完成,該試驗對拱壩、壩體橫縫、地基、庫水及無限地基的輻射阻尼效應(yīng)等影響拱壩系統(tǒng)地震響應(yīng)的主要因素進行了模擬。試驗首先在正常蓄水位和死水位條件下分別進行設(shè)計地震動水平和校核地震動水平的加振,以評價拱壩在設(shè)計地震和校核地震條件下的抗震安全度,然后在正常蓄水位條件下進行超載加振,以研究大壩地震的破壞模式與極限抗震能力。

振動臺臺面尺寸5 m×5 m,最大載重量20 t,試驗?zāi)Ｐ涂傮w布置與試驗情況見圖2,包括壩基、壩體、水庫及阻尼邊界。長度比尺受振動臺的最大載重量及臺面尺寸所限取為280;試驗中由于庫水液體只能采用普通水,故材料密度比尺取為1.0;同時,試驗只能在常重力場條件下進行,加速度比尺取為1.0;彈性模量比尺取為250。彈性范圍內(nèi)其他比尺均可由上述4個基本相似比尺算出,見表2。

a)模型布置設(shè)計

表2 模型相似比尺

拱壩壩體采用特制砌塊砌筑而成,砌塊采用以硫酸鋇、氧化鉛及滑石粉為主的混合原料,自然干燥加壓成型方法制備,材料控制指標主要包括容重、彈性模量、抗拉強度等,以準確模擬壩體的受力特性與開裂損傷狀況。實際壩體模型材料的抗拉強度為0.009 39 MPa,對應(yīng)原型C18035混凝土的靜態(tài)抗拉強度2.55 MPa,試驗?zāi)Ｐ筒牧蠌姸葷M足相似率比尺要求。根據(jù)已有的研究成果,除橫縫張開量之外,模擬數(shù)條主要橫縫即可反映橫縫對壩體動力響應(yīng)的主要影響,該模型壩體上設(shè)置了7條橫縫。地形基礎(chǔ)用特制加重橡膠黏接砌筑而成,基礎(chǔ)范圍上下游各取約一倍壩高,左右岸及底部約半倍壩高,模型橫河向長度為2.7 m,順河向長度為2.2 m、總高為1.334 m,水庫長度約為2.83倍壩高。室內(nèi)試驗?zāi)Ｐ蛢H包括有限范圍的水庫和基礎(chǔ),為了減小有限基礎(chǔ)邊界的影響,沿模型基礎(chǔ)四周設(shè)置了阻尼液模擬的人工阻尼邊界,通過能量消耗近似反映模型有限范圍基礎(chǔ)之外的無限域的動力影響,使試驗條件更為接近實際工程條件。

試驗?zāi)M上游正常蓄水位975.00 m和死水位945.00 m兩種工況。根據(jù)以往的研究成果,淤沙及下游水位對動力響應(yīng)的影響較小,在試驗中未予考慮。輸入的地震波時程為按抗震規(guī)范設(shè)計反應(yīng)譜擬合生成的人工地震波、實際記錄Koyna(柯依那)地震波和Loma Prieta(洛馬普列塔)地震波。振動臺實際的輸入地震動根據(jù)模型基礎(chǔ)與振動臺的剛性連接條件進行了一定調(diào)整,在進行超載試驗時只對地震波的幅值進行放大,不同激振水平的時程波形完全相似。

試驗中共采用5類170通道測點進行數(shù)據(jù)采集,分別為加速度計、位移計、應(yīng)變計、縫位移計及動水壓力計。

3 壩體動力響應(yīng)

3.1 壩體動力特性

壩體的基本動力特性根據(jù)0.05g水平白噪聲激振條件下壩體加速度響應(yīng)分析計算得到,根據(jù)試驗結(jié)果,在正常蓄水位條件下大壩原型基頻2.21 Hz,為正對稱振型。圖3為根據(jù)壩頂5個測點的傳遞函數(shù)得到的在各試驗工況下的順河向第一階頻率變化曲線,從低水位至滿庫的頻率下降主要是由于動水壓力所引起,在設(shè)計地震各工況加載前后大壩動力特性變化甚微,之后的頻率下降是壩體剛度下降的反映,結(jié)合與其他觀測結(jié)果可判斷壩體損傷發(fā)展過程。圖4給出了正對稱、反對稱各第一階振型的示意。

圖3 加載前后壩體順河向基頻變化曲線

a)正對稱第一振型

采用拱梁分載法AOAD軟件計算所得大壩基頻為2.29 Hz,采用有限元軟件ABAQUS計算的大壩基頻為2.4 Hz,相應(yīng)振型均為正對稱,與模型試驗成果基本一致。

3.2 壩體加速度反應(yīng)

試驗顯示,大壩順河向加速度放大倍數(shù)較大,且上部拱冠響應(yīng)最大而向兩岸逐漸減小。圖5為設(shè)計地震及超載工況頂拱順河向最大加速度的分布,以向下游為正,無特別標注的壩前均為正常蓄水位。設(shè)計地震條件下拱冠壩頂與壩趾最大加速度峰值比,順河向基本上在12.3～14.9倍,正常蓄水位人工波壩頂順河向最大加速度1.329g。有限元數(shù)值分析相應(yīng)工況最大加速度1.290g,模型量測值與計算值基本一致。在地震超載工況,5.0倍超載以后,拱冠部位加速度變化劇烈,與此時拱冠附近壩體出現(xiàn)了水平開裂有關(guān)。

a)設(shè)計及校核地震

3.3 壩體應(yīng)變反應(yīng)

由于材料非線性特性的限制,試驗中不能將所測的應(yīng)變值換算為壩體應(yīng)力,但可作為判斷壩體受力狀況的依據(jù)。試驗量測結(jié)果分析表明,在設(shè)計地震條件下,壩體拱向和梁向應(yīng)變分布都比較均勻;地震荷載超載后,壓應(yīng)變隨地震輸入增大而增加,大部分位置的拉應(yīng)變由于受橫縫張開的影響最大值未超過100 με;但在壩體靠近壩頂?shù)?69.00 m高程處,圖6所示,兩拱端拱向的拉應(yīng)變均明顯大于其他位置,尤以下游面更為突出,在4.0倍超載工況之后,該高程下游面動拉、壓應(yīng)變快速增大,受拉已超過材料開裂應(yīng)變水平,試驗后觀察該部位有開裂跡象。

圖6 ▽969高程拱向動拉應(yīng)變最大值分布

圖7給出了拱冠梁和左梁剖面的梁向最大拉應(yīng)變分布。在設(shè)計地震工況,梁向動應(yīng)變沿高程分布較為均勻。隨地震輸入的不斷增大,中上部位動應(yīng)變增加較快,下游面拉應(yīng)變的變化幅度快于上游面。在5.0倍超載工況之后,左梁下游面距壩頂約103.00 m位置出現(xiàn)開裂,試驗后目測觀察也確認了宏觀水平向裂縫,在同高程位置的其他梁下游面梁向拉應(yīng)變均較大。

a)拱冠梁

3.4 壩體橫縫開度

試驗得出的死水位工況橫縫最大張開量與正常蓄水位工況基本接近,圖8給出了正常蓄水位人工波設(shè)計地震條件下試驗壩體橫縫張開量與有限元數(shù)值計算值的比較,圖9為拱冠處橫縫及左縫在超載時最大縫開度沿高程的分布。

a)上游壩頂

a)拱冠縫

a)下游面

由圖8可知試驗與計算兩者量級一致,但試驗數(shù)值大于計算值,造成這種差異的主要原因是計算模擬了全部橫縫,而試驗僅模擬了7條,導(dǎo)致試驗得出的單條縫張開量相對較大;此外,計算中假定橫縫為零初始間隙,而模型中很難做到絕對零初始間隙,從而減弱了靜水作用下橫縫縫面的初始壓力,導(dǎo)致橫縫更易于張開。

在地震超載工況,橫縫張開量基本呈均勻增加。最大張開量發(fā)生在拱冠橫縫位置,6.0倍超載工況最大,此時上游面0.685 mm,下游面0.499 mm,換算至原型分別為214.8、156.5 mm。從圖9可以看出橫縫開度隨高程降低逐漸減小,減小速度較快。

4 壩體損傷開裂狀況

根據(jù)加速度、應(yīng)變和位移的量測結(jié)果及壩體表面圖像監(jiān)測與目測情況,可知模型壩體在各種工況下?lián)p傷開裂發(fā)生和發(fā)展狀況。表3列出了在地震荷載逐漸超載過程中壩體損傷的部位及判斷依據(jù)。

表3 壩體損傷發(fā)展過程

試驗顯示,在設(shè)計地震作用下壩體未見損傷,地震荷載超載2.5倍時靠近頂拱部位的下游壩面壩體左側(cè)出現(xiàn)水平向的宏觀開裂,在地震荷載超載至5.0倍的過程中,該部位的開裂逐漸擴展到拱冠,同時其對應(yīng)的上游壩面位置也有開裂,并在超載倍數(shù)達到6.0時上、下游壩面的開裂貫通,形成了獨立的可動塊體。對于兩岸壩肩,根據(jù)拱向拉應(yīng)變最大值增速判斷,左、右岸壩肩約在4.0倍超載工況發(fā)生開裂損傷。需要指出的是,盡管有上述損傷發(fā)生,但地震超載后的壩體維持了靜態(tài)的穩(wěn)定,沒有發(fā)生潰壩。

根據(jù)試驗及相關(guān)計算成果,設(shè)計在應(yīng)力水平較高的建基面附近區(qū)域提高了混凝土強度等級;在壩體中上部高拉應(yīng)力區(qū)和易出現(xiàn)損傷開裂區(qū)域布置梁向抗震鋼筋,以限制地震作用下局部可能產(chǎn)生的裂縫擴展,防止壩體懸臂梁水平錯動和斷裂。由于橫縫在地震過程中張開度較小,不布置過縫鋼筋,主要在縫面設(shè)置球形鍵槽,限制壩體在地震作用下沿上下游方向滑動。

5 結(jié)論

a)通過振動臺動力模型試驗分析得出了烏東德拱壩自振特性、地震條件下加速度、動應(yīng)變及橫縫等動力響應(yīng),且與數(shù)值計算成果基本一致。

b)在極限強震作用下,烏東德高拱壩破壞模式為:建基面附近存在延伸深度有限的局部開裂,主要的破壞區(qū)域在于壩體的中上部,頂拱以下約1/3高度以內(nèi)的區(qū)域形成上、下游貫通的梁向宏觀裂縫。

c)模型試驗成果顯示:烏東德高拱壩在設(shè)計與校核地震作用下壩體應(yīng)變狀況較好,壩體橫縫最大張開度較小,且極限抗震能力較強。