張 婉 閔大偉 張 帆

(1.渭南市水務(wù)局 陜西 渭南 714000；2.渭南市澗峪水庫工程建設(shè)管理局 陜西 渭南 714000；3.陜西省水環(huán)境工程勘測設(shè)計(jì)研究院 陜西 西安 710018）

1 前言

渭南市澗峪水庫大壩工程采用當(dāng)?shù)夭牧匣炷撩姘宥咽瘔?，壩頂高?91.0m，最大壩高81.0m，水庫正常蓄水位786.5m，總庫容1284萬m3，壩址區(qū)地震烈度為8度。在水庫設(shè)計(jì)階段，澗峪水庫工程建設(shè)管理局委托南京水利科學(xué)研究院對大壩進(jìn)行靜、動(dòng)應(yīng)力變形分析，為水庫的建設(shè)和運(yùn)行提供科學(xué)的依據(jù)。本文作者有幸參與了這項(xiàng)工作，下面簡要介紹本次研究的方法、內(nèi)容和結(jié)論，希望與各位同行探討交流。

2 靜、動(dòng)應(yīng)力變形計(jì)算方法和計(jì)算參數(shù)

（1）靜力計(jì)算模型

堆石料的本構(gòu)模型采用了“南京水利科學(xué)研究院”雙屈服面彈塑性模型?；炷撩姘逵?jì)算模型、混凝土結(jié)構(gòu)采用線彈性模型，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系符合廣義虎克定律。

（2）動(dòng)力計(jì)算模型

在三維情況下，用地震動(dòng)力問題的平衡方程式計(jì)算。動(dòng)力計(jì)算采用等價(jià)粘彈性模型進(jìn)行，其原理就是把循環(huán)荷載作用下應(yīng)力應(yīng)變曲線實(shí)際滯回圈用傾角和面積相等的橢圓代替，并由此確定粘彈性體的兩個(gè)基本變量剪切模量。

3 靜力有限元計(jì)算結(jié)果

靜力有限元分析采用“南水”雙屈服面模型計(jì)算結(jié)果，重點(diǎn)研究蓄水期面板的應(yīng)力變形以及面板周邊縫和垂直縫的位移，同時(shí)選擇三個(gè)典型剖面0+042、0+105和0+161研究壩體的應(yīng)力變形。

（1）壩體應(yīng)力變形結(jié)果

三個(gè)典型剖面內(nèi)沉降、側(cè)向水平位移和大、小主應(yīng)力計(jì)算特征結(jié)果如表1。

表1 典型剖面計(jì)算結(jié)果最大值

壩體的最大應(yīng)力變形發(fā)生在壩體最大剖面處。蓄水期壩體上游壩坡附近的沉降和大、小主應(yīng)力都比竣工期有明顯的增加，而壩體下游部位沉降和主應(yīng)力增加則相對較?。恍钏谟捎谒奢d作用，壩體下游水平位移增加較大。蓄水期壩體上游部位的應(yīng)力水平比竣工期有所下降，而下游部位變化很小。

（2）混凝土面板的應(yīng)力變形

面板最大撓度為6.75cm，發(fā)生在高程747.59m、樁號0+119處。面板軸向位移表現(xiàn)為由兩岸向河谷中央變形，左側(cè)面板變形指向右岸，最大值為3.4mm，發(fā)生在高程784.3m、樁號0+028處；右側(cè)面板變形指向左岸，最大值為2.6mm，發(fā)生在高程787.34m、樁號0+168處。

蓄水期面板應(yīng)力計(jì)算結(jié)果：面板順坡向應(yīng)力在兩岸周邊縫附近有較小的拉應(yīng)力區(qū)域，最大壓應(yīng)力為2.34MPa，最大拉應(yīng)力為1.31MPa。面板軸向應(yīng)力在河谷中部表現(xiàn)為受壓，在兩岸附近有一定的拉應(yīng)力區(qū)域，最大壓應(yīng)力為2.78MPa，最大拉應(yīng)力1.25MPa，位于左岸坡周邊縫附近。

（3）面板周邊縫和垂直縫應(yīng)力變形

蓄水期面板周邊縫三向變形計(jì)算結(jié)果，周邊縫三向變形中，切向錯(cuò)動(dòng)以指向河谷為主，沉陷基本上都指向壩內(nèi)，張拉方向除河床部位以壓緊為主外，兩岸以張開為主。三向變位最大值分別為：錯(cuò)動(dòng)3.3mm，樁號0+168處；沉陷6.9mm，樁號0+077處；張開2.9mm，樁號0+028處。

壩體應(yīng)力變形對照蓄水期和竣工期計(jì)算發(fā)現(xiàn)：蓄水期壩體上游壩坡附近的沉降和大、小主應(yīng)力都比竣工期有明顯的增加，而壩體下游部位沉降和主應(yīng)力增加則相對較小；蓄水期由于水荷載作用，壩體下游向水平位移較大；蓄水期壩體上游部位的應(yīng)力水平比竣工期有所下降，而下游部位變化很小。

混凝土面板垂直縫變形總體上是河床部分和面板上部緊壓，兩岸附近和周邊縫附近張開，垂直縫的變形不大，最大張開變形為2.4mm。

4 壩體動(dòng)力反應(yīng)分析

壩體動(dòng)力計(jì)算中堆石料的靜力構(gòu)模型采用“南水”雙屈服面模型。動(dòng)力分析采用的地震記錄曲線為唐山遷安余震記錄曲線。

（1）壩頂動(dòng)力反應(yīng)加速度與壩體高度有關(guān)，壩體高度大，則動(dòng)力反應(yīng)也大。最大動(dòng)力反應(yīng)加速度位于最大剖面0+077壩頂，最大值為5.26m/s2，與輸入最大加速度2.0m/s2相比，動(dòng)力反應(yīng)加速度最大放大倍數(shù)為2.63倍。

（2）典型剖面壩頂垂直向動(dòng)力加速度反應(yīng)，與水平向動(dòng)力反應(yīng)加速度一樣，垂直向動(dòng)力加速度同樣與壩高密切相關(guān)，壩頂最大垂直向動(dòng)力反應(yīng)加速度位于最大剖面，其值為3.45m/s2。

（3）壩體動(dòng)力反應(yīng)加速度與壩高有關(guān)，對于不同剖面相同高程的點(diǎn)，河床部位剖面上的點(diǎn)反應(yīng)加速度比岸坡部位剖面上的點(diǎn)反應(yīng)加速度大。對于同一剖面內(nèi)的點(diǎn)，高程大的點(diǎn)反應(yīng)加速度大。相同剖面內(nèi)同高程的點(diǎn)，壩軸線附近的反應(yīng)加速度較其它部位點(diǎn)的反應(yīng)加速度大。

（4）壩體內(nèi)部若干結(jié)點(diǎn)處垂直向地震動(dòng)力反應(yīng)加速度，垂直向地震動(dòng)力反應(yīng)加速度的分布規(guī)律與水平向地震動(dòng)力反應(yīng)加速度類似。

（5）水平向地震動(dòng)力反應(yīng)加速度明顯高于垂直向地震動(dòng)力反應(yīng)加速度，而且最大反應(yīng)加速度出現(xiàn)的時(shí)間有較大的差別，水平向動(dòng)力反應(yīng)加速度最大值出現(xiàn)時(shí)間在地震發(fā)生后10s左右，而垂直向地震動(dòng)力反應(yīng)加速度最大值出現(xiàn)時(shí)間在地震發(fā)生后3s左右。

（6）壩體部分單元?jiǎng)蛹魬?yīng)變過程線，動(dòng)剪應(yīng)變與動(dòng)力反應(yīng)有關(guān)，動(dòng)力反應(yīng)強(qiáng)烈，則動(dòng)剪應(yīng)變大。壩體單元?jiǎng)蛹魬?yīng)變最大值發(fā)生時(shí)間大都在震后10s左右。

（7）壩體部分單元?jiǎng)蛹魬?yīng)力過程線，其分布規(guī)律與動(dòng)剪應(yīng)變相近。計(jì)算結(jié)果反映壩體內(nèi)動(dòng)剪應(yīng)力不很大，一般在0.2MPa以下。

（8）在地震過程中，面板動(dòng)應(yīng)力一直在變化，動(dòng)應(yīng)力最大值發(fā)生在震后10s左右，最大動(dòng)拉應(yīng)力為6.15MPa，發(fā)生在面板中部。面板頂部和底部的動(dòng)拉應(yīng)力較小，一般在2MPa以下。

（9）壩體地震永久變形與壩體高度有關(guān)，最大永久變形發(fā)生在河床最大剖面上，最大殘余沉降為37.94cm，最大殘余水平位移為35.69cm，最大值發(fā)生在壩頂附近。

（10）地震后面板周邊縫變位，地震后面板周邊縫位移與震前相比有些變化，三向位移最大值分別為：張開8.1mm、錯(cuò)動(dòng)4.7mm和沉陷13.0mm，發(fā)生位置分別為樁號 0+021、0+168和 0+091。

5 主要結(jié)論及建議

（1）通過對澗峪水庫面板堆石壩施工填筑和水庫蓄水運(yùn)行進(jìn)行模擬計(jì)算結(jié)果顯示，澗峪水庫面板堆石壩方案總體可行。

（2）蓄水期壩體的最大沉降為36.77cm，占壩高的0.47%，此值與已建工程相比屬中等偏小。蓄水期面板周邊縫三向變形在接縫止水結(jié)構(gòu)容許變形范圍。

（3）地震過程中，面板中出現(xiàn)了較大的動(dòng)拉應(yīng)力，最大動(dòng)拉應(yīng)力為6.15MPa，發(fā)生在面板中部。由于在靜力狀態(tài)下面板主要受壓，所以在地震過程中面板所受的凈拉應(yīng)力不會(huì)很大，同時(shí)混凝土動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度比靜態(tài)情況下要高，因此地震過程中面板被拉裂的可能性不大。

（4）壩體高度不同，地震永久變形也明顯不同，一方面不均勻沉降較大，另一方面順河向變形也有較大差異，這可能導(dǎo)致防滲墻很不利的工作性態(tài)。因此，防滲墻應(yīng)適當(dāng)增加配筋，同時(shí)防滲墻與面板間的接縫止水應(yīng)審慎設(shè)計(jì)，認(rèn)真施工。

（5）震后面板周邊縫變位，地震后面板周邊縫位移與震前相比有所增加，但地震后周邊縫變形量不大，在接縫止水結(jié)構(gòu)允許范圍內(nèi)。

（6）設(shè)計(jì)的下游壩坡為1∶1.5，同時(shí)有5個(gè)8m寬的馬道，考慮到下游壩坡的安全儲(chǔ)備較高，下游壩坡可適當(dāng)變陡。鑒于壩體動(dòng)力反應(yīng)加速度愈接近壩頂愈大，所以，在壩頂附近宜采用較緩的壩坡，而在壩體下部，可采用較陡的壩坡。