.云南水利水電建設(shè)工程技術(shù)開發(fā)有限公司 云南省昆明市 650021；

2.北京禹冰水利勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司 北京 100048

摘要：進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，我國經(jīng)濟(jì)得到了迅猛穩(wěn)定地發(fā)展，在生產(chǎn)力快速增長的同時，資源的消耗速度及對能源的需求也與日俱增，利用新型清潔可再生能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)資源型能源已成為國家能源戰(zhàn)略的重中之重。水能資源是技術(shù)上最成熟、經(jīng)濟(jì)上合理的清潔能源，也是我國能源結(jié)構(gòu)中重要的組成部分。但是與發(fā)達(dá)國家相比，我國對水能資源的利用依然很低，仍然有很大的開發(fā)利用空間，要開發(fā)這些源源不斷的清潔能源，修建水利樞紐必不可少。隨著筑壩技術(shù)的發(fā)展，新世紀(jì)我國先后開工建設(shè)及規(guī)劃了數(shù)座世界級高混凝土規(guī)，比如瀾滄江上的小灣拱壩，壩高292m。因我國大部分高壩大庫多集中在我國西南部地區(qū)，該地區(qū)為強(qiáng)震多發(fā)地帶，一旦失事將會給社會帶來巨大的生命財產(chǎn)損失，故研究高壩在強(qiáng)震中的動力響應(yīng)及損傷機(jī)制進(jìn)而確定合理的抗震措施成為當(dāng)前急需解決的問題。

關(guān)鍵詞：碾壓混凝土；重力壩；抗震措施

重力壩依靠自身重力來維持穩(wěn)定，根據(jù)筑壩材料或施工工藝的差異，可分為砌石重力壩、常態(tài)或碾壓混凝土重力壩及堆石混凝土重力壩，從目前壩工發(fā)展情況看，碾壓混凝土筑壩技術(shù)得到了大面積推廣。碾壓混凝土壩可以大幅降低水泥用量，克服了混凝土壩的缺點。但受壩址區(qū)地形條件影響較大，當(dāng)碾壓混凝土壩體積不大時，大規(guī)模機(jī)械化施工的優(yōu)勢難以發(fā)揮。本文就基于西部某碾壓混凝土高壩進(jìn)行了地震分析，分析了地震中損傷因子的發(fā)展規(guī)律及截面應(yīng)力的變化規(guī)律。

1、工程概況

某水庫位于陽泉市孟縣西潘鄉(xiāng)進(jìn)圭村至莊頭村之間的烏河下游干流上，壩址位于均才村上游約1 km處，壩址以上控制流域面積1112.3 km2。烏河屬海河流域，發(fā)源于陽曲縣的兩嶺山，自孟縣東蔣村西南0.3 km入陽泉境內(nèi)，流經(jīng)孟縣東梁、西煙、西潘、莊里4個鄉(xiāng)（鎮(zhèn)），由南向北于莊里鄉(xiāng)棗院村匯入大河，全長64 km，流域面積1 230 km2，陽泉境內(nèi)流域面積697 km2。主要支流溫川河發(fā)源于陽曲縣小五臺山，流域面積339.49 km2。壩址處烏河河谷底寬140-200 m，河床覆蓋層厚5-7 m，河谷深槽處層厚1416 m。壩基基巖主要為混合花崗巖，基巖強(qiáng)風(fēng)化層厚度2-3 m，弱風(fēng)化層厚度15-20 m。目前，該碾壓混凝土重力壩壩頂高程1334m，建基面高程1190m，大壩正常蓄水水位高程1330m，下游正常水位高程1209m。壩體碾壓混凝土分為RI～RV五個區(qū)域，各區(qū)間的材料中的動彈模較靜彈模提高30%，動抗拉強(qiáng)度取為動抗壓強(qiáng)度的10%?？紤]自重、靜水壓力、淤沙壓力、地震荷載和動水壓力的綜合效應(yīng)。動水壓力以附加質(zhì)量的形式考慮。

2、不同地基條件重力壩塑性損傷響應(yīng)分析

損傷力學(xué)是在研究有缺陷材料時建立的，由于材料不可避免的帶有缺陷，當(dāng)有較大外力作用時，這些缺陷將不斷發(fā)展，進(jìn)而導(dǎo)致材料破壞，損傷力學(xué)就是為了在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)內(nèi)研究材料在超過屈服強(qiáng)度后的應(yīng)力軟化過程而建立的。它的產(chǎn)生為分析重力壩地震響應(yīng)提供了新的工具。通過與實際震害對比發(fā)現(xiàn)，混凝土損傷模型可以描述大體積混凝土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)行為，并用來評價結(jié)構(gòu)的損傷破壞狀態(tài)。

依據(jù)本文重力壩案例計算，其設(shè)計地震加速度代表值取以100年為基準(zhǔn)期超越概率P100為0.02的地震動，相應(yīng)基巖水平峰值加速度為3.45m/s2。大壩動力分析考慮垂直壩軸線方向的水平地震作用和豎向地震作用，豎向設(shè)計地震加速度的代表值取水平向設(shè)計加速度代表值的2/3。參照場地類別等因素，并按照抗震規(guī)范提供的反應(yīng)譜形狀，確定了反應(yīng)譜譜，其特征周期Tg為0.2秒，設(shè)計反應(yīng)譜為2.25其下限應(yīng)不小于的20%。豎向加速度反應(yīng)譜值取為水平向加速度反應(yīng)譜值的2/3，而p譜（放大倍數(shù)譜）不變。

其計算結(jié)果如圖所示，圖1是擋水壩段的拉伸損傷分布圖，從圖上可以看出在上游折坡、壩踵和壩背折坡下方出現(xiàn)了拉伸損傷區(qū)，其中壩背折坡處的損傷區(qū)域面積最大。在損傷程度上，壩踵最大損傷值超過0.95，壩背折坡達(dá)到了0.92，大壩混凝土己經(jīng)喪失了承載能力，而上游折坡僅僅達(dá)到0.7。根據(jù)經(jīng)驗一般損傷超過0.75就會出現(xiàn)宏觀裂紋，壩背和壩踵都有裂縫出現(xiàn)。相對而言，壩踵的損傷區(qū)域很小，損傷值變化梯度較大，而壩背折坡高程以下出現(xiàn)了較大的損傷開裂區(qū)，接近大壩頂部，該區(qū)域混凝土的抗拉強(qiáng)度較低，在地震中是最先發(fā)生破壞的地方。

圖1 拉伸損傷分布圖

3、重力壩抗震的配筋措施分析

目前大部分的大壩配筋分析主要集中在拱壩分析中，在梁向由于拱壩體型較為纖瘦，而地震中的應(yīng)力較大，因此考慮給拱壩壩面上下游進(jìn)行配筋以增強(qiáng)其在梁向的承載能力。在拱方向設(shè)有原始的施工橫縫，在橫縫處有明顯的非線性反應(yīng)，橫縫在地震中會開裂從而使拱向拉壓力釋放，但過大的裂縫會導(dǎo)致橫縫止水的破壞，嚴(yán)重的導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，因此國內(nèi)多個學(xué)者進(jìn)行了橫縫插筋抗震措施研究。本文使用非線性有限元，采用混凝土的塑性損傷本構(gòu)模型，分析該碾壓重力壩在地震下的破壞情況，并驗證配筋后結(jié)構(gòu)能否滿足承載力要求、防止損傷裂縫區(qū)域的發(fā)展以及計算合理的配筋量。

在上述案例中，壩體采用混凝土塑性損傷本構(gòu)，在較低的圍壓下混凝土表現(xiàn)出脆性性質(zhì)，主要的失效機(jī)制是拉力作用下的開裂失效和壓力作用下的壓碎。當(dāng)圍壓足夠大能夠阻止裂紋開裂時脆性就不太明顯了。這種情況下混凝土失效主要表現(xiàn)為微孔洞結(jié)構(gòu)的聚集和坍塌，從而導(dǎo)致混凝土的宏觀力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)得像具有強(qiáng)化性質(zhì)的延性材料那樣。下面計算采用軟件自帶混凝土塑性損傷本構(gòu)具有以下特點：（1）適合于模擬混凝土這樣的準(zhǔn)脆性材料；（2）能夠模擬混凝土在中低圍壓下超出材料強(qiáng)度后的應(yīng)力軟化現(xiàn)象；（3）可以模擬鋼筋混凝土的拉伸強(qiáng)化；（4）在應(yīng)力子午線上剖分為拉壓子午線，以考慮混凝土在受拉受壓的差別；（5）能夠模擬混凝土受到單調(diào)、循環(huán)或動力荷載作用下的力學(xué)行為；（6）可以模擬動力荷載下混凝土發(fā)生的不可逆損傷演化行為，模型中將各向同性彈性損傷理論與非關(guān)聯(lián)多重硬化塑性理論相結(jié)合；（7）周期荷載反向作用時，可以控制材料的剛度恢復(fù)。在受力從拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力時，受壓剛度得到恢復(fù)，而由壓應(yīng)力變向為拉應(yīng)力時，拉伸剛度不進(jìn)行恢復(fù)；（8）受壓在軟化前存在強(qiáng)化，受壓破壞時有較大塑性應(yīng)變；（9）在彈性階段材料行為是各向同性和線性的，損傷軟化采用各向同性軟化。

通過上述的計算，根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[1]規(guī)定了對于非桿件體系鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的配筋計算原則。對于大壩壩體無法采用桿件體系的結(jié)構(gòu)的配筋原則，可以用彈性力學(xué)分析方法求得結(jié)構(gòu)在彈性狀態(tài)下的截面應(yīng)力圖形，再根據(jù)拉應(yīng)力圖形面積比例確定配筋數(shù)量。根據(jù)有限元計算得到的結(jié)果分析，拉應(yīng)力在壩體內(nèi)水平層面上的分布并非材料力學(xué)法假設(shè)的成線性分布，拉應(yīng)力在接近大壩表面處增長很快，特別是在壩踵部位有嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象。最終根據(jù)配筋效果分析得出：（1）開裂區(qū)明顯減小。未配筋時在壩背有長約37米的開裂區(qū)域，在配筋后損傷大于0.75的區(qū)域幾乎消失，僅在鋼筋混凝土與素混凝土交界處有一處損傷區(qū)域。而壩體表面己無損傷大于0.75的宏觀裂峰區(qū)。（2）損傷區(qū)有所減小。初始損傷大于0.3的區(qū)域認(rèn)為是產(chǎn)生了微裂紋的損傷區(qū)。配筋后的損傷區(qū)有所減小，但減小幅度不是很大。壩體表面的損傷值均逐漸減小。（3）通過分析，本次計算出的配筋方案的配筋量可以滿足實際要求。

鋼筋在混凝土中與混凝土聯(lián)合受力，鋼筋對混凝土的貢獻(xiàn)體現(xiàn)在兩個方面：首先是提高了混凝土的剛度，其次是鋼筋與混凝土的咬合限制了混凝土的開裂。由于彈性應(yīng)力法進(jìn)行配筋計算時采用的是應(yīng)力等效原則，配筋量由構(gòu)件的極限荷載確定，這種方法僅僅保證了大壩有足夠的極限強(qiáng)度沒有考慮鋼筋混凝土材料的性能差異，由于此時的鋼筋混凝土是大體積少筋混凝土，鋼筋面積很小，而混凝土的開裂應(yīng)變相比鋼筋的屈服應(yīng)變來說是很小的，因此在彈性階段鋼筋混凝土內(nèi)由鋼筋承擔(dān)的拉應(yīng)力相對有限，這樣就導(dǎo)致彈性階段混凝土承受的拉應(yīng)力依然很大，直到混凝土達(dá)到抗拉應(yīng)變時鋼筋依然有很多強(qiáng)度儲備，因此少量的配筋對減小初始損傷區(qū)域作用不大。而通過鋼筋與混凝土聯(lián)合受力，在有效粘聚范圍內(nèi)的混凝土由于受到鋼筋的約束斷裂能得到提高，其限制裂縫向壩體內(nèi)部發(fā)展能力得到提高，這樣損傷因子大于0.75的開裂區(qū)就明顯減小。

4、結(jié)束語

結(jié)合以上實例可以看出，重力壩結(jié)構(gòu)相對簡單，在做好地基處理的前提下，其耐用性較好，各功能區(qū)結(jié)構(gòu)容易布置，設(shè)計過程中盡量做到優(yōu)化設(shè)計。隨著筑壩技術(shù)的進(jìn)步及基礎(chǔ)處理技術(shù)水平的提高，可大大改善巖體質(zhì)量，重力壩會得到進(jìn)一步的發(fā)展應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]SL/T191-96，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（S），1997

[2]范書立，陳健云，范武強(qiáng)，李靜.地震作用下碾壓混凝土重力壩的可靠度分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008，03：564-571.

[3]劉洋.混凝土重力壩的抗震性能研究[D].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005.