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        碾壓混凝土重力壩抗震措施研究

        2015-12-31 00:00:00計海力1陳江林2
        基層建設(shè) 2015年14期

        .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):

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        [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.

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