孔憲京，許詔君，鄒德高1，，徐斌1，，周晨 光1，

（1.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

0 引言

1988年第16屆國(guó)際大壩會(huì)議上曾提出瀝青混凝土心墻壩是今后高土石壩最有競(jìng)爭(zhēng)力的壩型之一［1］.國(guó)際著名土石壩瀝青混凝土心墻壩工專家Saxegaard也曾指出，瀝青混凝土心墻防滲在未來(lái)將有著廣闊的前景［2］.瀝青混凝土心墻具有良好適應(yīng)變形能力、抗沖蝕能力、抗老化能力等，已成為國(guó)際大壩委員會(huì)（ICOLD）推薦的壩型.隨著現(xiàn)代施工工藝和技術(shù)的進(jìn)步，瀝青混凝土心墻壩在我國(guó)得以迅速發(fā)展.近些年來(lái)，多座百米級(jí)的瀝青混凝土心墻壩相繼建成，如茅坪溪防護(hù)壩（壩高104m）、冶勒水電站（壩高124.5m）及正在設(shè)計(jì)的去學(xué)壩，壩高170m.

目前，對(duì)瀝青混凝土心墻的研究也越來(lái)越廣泛，主要包括瀝青混凝土材料、配合比、應(yīng)力應(yīng)變性能等［3－4］.竇興旺等對(duì)冶勒大壩模型進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，驗(yàn)證了數(shù)值分析時(shí)考慮壩體－地基相互作用數(shù)學(xué)、力學(xué)模型的正確性［5］.Baziar等對(duì)瀝青混凝土心墻壩模型進(jìn)行了離心機(jī)模型試驗(yàn)，研究表明在沖擊荷載下，瀝青心墻的剪應(yīng)變很小，大壩的動(dòng)力反應(yīng)在安全范圍內(nèi)［6］.但瀝青心墻與基座之間連接型式在地震作用下的破壞機(jī)制研究尚未見報(bào)道.

本文通過(guò)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，針對(duì)心墻與基座的兩種不同接頭型式，精心設(shè)計(jì)兩組工況進(jìn)行類比試驗(yàn)，著重分析在地震作用下不同接頭型式心墻與基座間的錯(cuò)動(dòng)、心墻的傾斜及瑪蹄脂層的滲漏情況，以期為瀝青混凝土心墻壩的抗震設(shè)計(jì)提供參考.

1 振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)采用大連理工大學(xué)工程抗震研究所研制的水平與垂直兩向激勵(lì)的水下振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行.最大水平向加速度可達(dá)1g，最大豎向加速度可達(dá)0.7g，工作頻率為0.1～50 Hz.本試驗(yàn)將模型放入4.0m×1.5m×0.8m 的大型鋼槽內(nèi)，鋼槽用高強(qiáng)螺栓固定在振動(dòng)臺(tái)上［7］.試驗(yàn)采用ARH－100、AF－5F、ARF－100A－T型號(hào)的加速度傳感器對(duì)模型加速度響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè).高速高清相機(jī)的采樣頻率為25Hz，圖像分辨率為4 096×3 072（約1 200萬(wàn)像素）.試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示.

圖1 試驗(yàn)設(shè)備Fig.1 Test apparatus

1.2 試驗(yàn)方法與模型加工

圖2為振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)尺寸圖.限于試驗(yàn)條件以及模型相似關(guān)系，本文將實(shí)際工程常用的兩種接頭型式以約1∶9的比例進(jìn)行縮尺，在其他外部條件一致的情況下，進(jìn)行類比試驗(yàn)，定性地為實(shí)際工程提供參考.為了使兩種接頭具有完全相同的外部條件，需保證承受相同的側(cè)壓作用和地震動(dòng)，并將兩種接頭模型對(duì)稱地放在同一模型槽中進(jìn)行試驗(yàn).

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)尺寸（單位：m）Fig.2 Size of test model（unit：m）

圖3為某實(shí)際工程擬用的兩種接頭型式方案尺寸，圖4為加工后的兩種接頭模型.底部為混凝土基座，內(nèi)部預(yù)埋通水管道，并采取防堵措施；在基座上澆筑一層瀝青瑪蹄脂，并于該層上施加滲透水壓；上部為心墻及壓重部分，高度為60cm.其中瀝青心墻制作參照水工瀝青混凝土的試驗(yàn)規(guī)程［8］.

在模型制作和試驗(yàn)過(guò)程中，室內(nèi)平均溫度均在10～12℃.瀝青混凝土的配比為某水利樞紐工程所用實(shí)際配比，符合土石壩瀝青混凝土心墻的設(shè)計(jì)規(guī)范要求［1］，其骨料級(jí)配曲線如圖5所示（w為小于某粒徑的土質(zhì)量分?jǐn)?shù)，d為土顆粒直徑）.瀝青瑪蹄脂自制配比為m（瀝青）∶m（礦粉）∶m（粗砂）＝1∶0.5∶0.5，鋸末含量為總質(zhì)量的5%.

圖3 兩種接頭型式細(xì)部尺寸（單位：m）Fig.3 The detail size of two different joints（unit：m）

圖4 兩種接頭模型照片F(xiàn)ig.4 Photograph of two different joints

圖5 瀝青混凝土骨料級(jí)配曲線Fig.5 Gradation curve of asphalt concrete aggregate

圖6為制作完成后的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?為了模擬實(shí)際工程蓄水后瀝青混凝土心墻兩側(cè)壓力，模型槽不同部位填料采用不同的密度，如圖6（a）所示.同時(shí)利用透明有機(jī)玻璃管，如圖6（b）所示，通過(guò)預(yù)埋管道，對(duì)模型瑪蹄脂層施加3m 水頭的滲透水壓，檢測(cè)兩種接頭處的防滲性能.

兩種接頭模型放入鋼槽相應(yīng)位置，混凝土底座兩側(cè)均用槽鋼焊接固定.心墻兩側(cè)分別填筑不同密度的粗砂和鋸末.填筑完成后，心墻底部豎向壓應(yīng)力約為30kPa.試驗(yàn)借助加速度傳感器和高速高清相機(jī)等設(shè)備，觀測(cè)兩種接頭在地震荷載下的錯(cuò)動(dòng)、傾斜、滲漏等現(xiàn)象，以及兩種接頭模型振動(dòng)破壞過(guò)程的差異.

圖6 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼掌現(xiàn)ig.6 Photograph of test model

1.3 采集設(shè)備布置及地震動(dòng)輸入

圖7為加速度傳感器布置圖，共埋置13個(gè)水平向加速度傳感器.在模型槽正面放置高速高清相機(jī)，以同步采集、記錄整個(gè)模型的振動(dòng)過(guò)程，用于后期圖像分析.

圖7 加速度傳感器布置Fig.7 The placement of acceleration sensors

為便于觀察和分析，試驗(yàn)所用地震動(dòng)輸入為水平向的正弦增幅波，頻率為10Hz，在第90s時(shí)峰值加速度達(dá)到最大值1g.圖8為振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)時(shí)輸入的加速度時(shí)程圖.加速度

圖8 加速度時(shí)程Fig.8 Acceleration time history

1.4 工況設(shè)計(jì)

表1給出了本文的兩組試驗(yàn)設(shè)計(jì)工況.工況1兩模型之間填筑密度為1.65g／cm3的粗砂，兩側(cè)填筑密度為1.15g／cm3的粗砂與鋸末混合料，心墻兩側(cè)密度差為0.5g／cm3.工況2兩模型之間填筑密度為1.65g／cm3的粗砂，兩側(cè)填筑密度為0.4g／cm3的鋸末，心墻兩側(cè)密度差為1.25g／cm3.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 結(jié)構(gòu)整體變形

兩種工況在振動(dòng)后變形情況基本一致，填料粗砂振動(dòng)后沉降約1cm.圖9（a）、（b）分別給出了工況2試驗(yàn)前后結(jié)構(gòu)的整體變形圖.

圖9 工況2結(jié)構(gòu)整體變形圖Fig.9 Overall deformation of structure for Case 2

2.2 瑪蹄脂層的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)分析

采用PIV 圖像分析方法［9］，對(duì)振動(dòng)過(guò)程中采集的高清圖像進(jìn)行處理，得到關(guān)鍵點(diǎn)的位移變化，進(jìn)一步研究瑪蹄脂層的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)情況.

圖10（a）、（b）分別繪制了工況1與工況2下瑪蹄脂層的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)位移δ的時(shí)程圖.工況1中，水平接頭的最大錯(cuò)動(dòng)位移δmax約為1.3mm，最大剪應(yīng)變?chǔ)胢ax約為13%；而弧形接頭的δmax約為0.9 mm，γmax約為9%.工況2 中，水平接頭的δmax約為2.0 mm，γmax約為10%；而弧形接頭的δmax約為0.8mm，γmax約為4%.從整個(gè)時(shí)程來(lái)看，瑪蹄脂層的錯(cuò)動(dòng)位移隨著瑪蹄脂層厚度和心墻兩側(cè)壓力差的增加而增大.在這兩種試驗(yàn)工況下，水平接頭錯(cuò)動(dòng)位移都略大于弧形接頭.

圖10 瀝青瑪蹄脂層相對(duì)錯(cuò)動(dòng)位移時(shí)程Fig.10 The relative dislocation displacement time history of asphalt mastic layer

2.3 心墻的傾斜分析

振動(dòng)過(guò)程中，除瀝青瑪蹄脂層的錯(cuò)動(dòng)外，心墻還發(fā)生了一定程度的傾斜，可采用心墻上下端部位移差Δ來(lái)計(jì)算心墻的傾斜角度.

圖11為兩種工況下心墻上下端部位移差的時(shí)程圖.工況1中，水平接頭情況下心墻上下端部位移差最大值Δmax約為0.7mm，弧形接頭情況下Δmax約為1.8 mm.工況2 中，水平接頭情況下Δmax約為1.5mm，弧形接頭情況下Δmax約為2.5 mm.兩種型式接頭的心墻傾斜角度α均不到1°，隨著瑪蹄脂層厚度和壓力差的增加，傾斜幅度有所增大.在兩種工況中，弧形接頭情況下心墻的傾斜程度比水平接頭的稍大.

圖11 心墻上下端部位移差時(shí)程Fig.11 The displacement difference time history of two ends of core wall

心墻模型的變形情況可用圖12來(lái)表示.兩種接頭型式中，由于瑪蹄脂層的錯(cuò)動(dòng)和兩側(cè)填土壓力差的作用，心墻下部向外錯(cuò)動(dòng)，心墻上部向中間傾斜.

圖12 模型變形示意圖Fig.12 Deformation sketch map of model

2.4 滲漏情況分析

本次試驗(yàn)在混凝土基座里預(yù)埋通水管道，在瑪蹄脂層施加3m 滲透水頭，通過(guò)圖6（b）中所示的透明有機(jī)玻璃管中水的液面變化觀察兩種接頭的滲漏情況.兩種工況下，在振動(dòng)前后均對(duì)瑪蹄脂層施加3m 滲透水頭，并持續(xù)2d.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種工況下，兩種接頭在振動(dòng)前后都沒(méi)有發(fā)生滲漏現(xiàn)象.需要說(shuō)明，由于試驗(yàn)施加的水頭壓力偏小，兩種工況的滲透壓力均小于臨界滲透壓力.

3 模型數(shù)值模擬驗(yàn)證

由于物理模型很難滿足相似關(guān)系，其結(jié)果僅定性或半定量地揭示兩種接頭型式的優(yōu)劣，需要通過(guò)數(shù)模分析方法進(jìn)一步印證模型試驗(yàn)結(jié)論的可靠性.

二維有限元模型如圖13所示，尺寸與振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵恢?靜力計(jì)算中填筑料、瀝青瑪蹄脂及瀝青混凝土心墻，均采用線彈性模型，表2為線彈性模型材料計(jì)算參數(shù)；動(dòng)力計(jì)算采用等效線性模型，動(dòng)剪切模量系數(shù)K＝448，動(dòng)剪切模量指數(shù)n＝0.36，泊松比μ＝0.33，歸一化的動(dòng)剪切模量、阻尼比與動(dòng)剪應(yīng)變關(guān)系曲線見圖14；殘余變形模型采用改進(jìn)沈珠江模型［10］，粗砂C1＝0.08，C2＝1.00，C3＝0，C4＝0.30，C5＝1.00.地震動(dòng)輸入與振動(dòng)臺(tái)輸入一致.有限元模型底部和兩側(cè)均采用剛性邊界.

圖13 有限元模型Fig.13 Finite element model

有限元計(jì)算軟件采用大連理工大學(xué)工程抗震研究所自主開發(fā)的巖土工程非線性有限元分析程序——GEODYNA［11］.

表2 線彈性模型參數(shù)Tab.2 Parameters of linear－elastic model

圖14 砂土Gd／G0－γd和λ－γd關(guān)系曲線Fig.14 Gd／G0－γdandλ－γdrelationships curve for sand

對(duì)工況2進(jìn)行了數(shù)值模擬，并針對(duì)瑪蹄脂層厚度進(jìn)行了敏感性分析，分別研究了厚度為1cm和3cm 時(shí)接頭震后的錯(cuò)動(dòng)和傾斜情況.

表3為有限元計(jì)算震后瑪蹄脂層的錯(cuò)動(dòng)量及心墻傾斜情況.結(jié)果表明：數(shù)值模擬的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果定性規(guī)律相吻合，即同等條件下，弧形接頭比水平接頭的錯(cuò)動(dòng)量小，而心墻的傾斜程度比水平接頭的大；隨著瑪蹄脂層厚度的增加，錯(cuò)動(dòng)與傾斜均有所增大.

表3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果Tab.3 Results of the numerical simulation

4 結(jié)論

（1）水平接頭型式心墻與基座之間的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)略大于弧形接頭.

（2）弧形接頭型式心墻傾斜程度比水平接頭型式稍大.

（3）增加瑪蹄脂層厚度和心墻兩側(cè)壓力差后，接頭處的錯(cuò)動(dòng)位移和心墻的傾斜量均增大.

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