徐弘達(dá)
(凌源市水務(wù)局,遼寧 朝陽 122500)
我國具有豐富的河流資源,水力發(fā)電成為近年來水利水電工程建設(shè)的重點[1],而重力壩作為水庫大壩中較為重要的一種壩型,在我國具有十分廣泛的應(yīng)用[2]。對于建在地震多發(fā)地帶的水壩,壩體發(fā)生裂縫、損傷等災(zāi)害,破壞了壩體結(jié)構(gòu)的整體性,嚴(yán)重影響了大壩的整體強度與穩(wěn)定性。對大壩災(zāi)害的研究已成為近年來研究的熱點。張社榮[3]等求得了動水壓力以級數(shù)形式表示的解,并忽略了水的可壓縮性以及表面波的影響;熊健[4]等在比例邊界元的基礎(chǔ)上對壩面動水壓力方程進(jìn)行了推導(dǎo),并考慮了庫底淤泥吸能效應(yīng)以及庫水的可壓縮性;何迪[5]等基于地基輻射阻尼對壩體動力反應(yīng)的影響,提出了考慮地基阻尼的簡單模型,并對其進(jìn)行了大量的分析研究。本文基于相關(guān)理論分析研究,結(jié)合遼寧菩薩廟水庫混凝土重力壩溢流段具體施工概況,研究分析了地震作用下壩體的破壞情況以及地震反應(yīng)規(guī)律,并利用有限元分析方法對壩溢流段在地震發(fā)生時的相關(guān)受力狀況進(jìn)行了模擬,分析研究了裂縫對重力壩溢流段地震反應(yīng)的影響,為今后相關(guān)修復(fù)工程施工提供數(shù)值參考。
菩薩廟水庫重力壩位于遼寧省凌源市,多年平均徑流量25.6億m3,大壩以上流域面積6593km2,設(shè)計洪水位為112.03m,最大庫容8.22億m3。大壩壩段分為電站壩段、擋水壩段以及溢流壩段,最大壩高55.2m,壩長561m,其中1#~5#以及23#~32#壩段為擋水壩段,全長220.3m;6#~19#壩段為溢流壩段,全長299.5m;20#~22#壩段為電站壩段,全長42.5m。重力壩溢流段下游側(cè)由3部分構(gòu)成,中部為1∶1.1直線斜坡段,下部反弧半徑22.7m,挑射角42°,尾部則以半徑19.6m的反弧與挑坎相連,挑射角36°。
選取菩薩廟水庫混凝土重力壩溢流段中的兩個典型壩段作為有限元分析模型的研究對象。其中一個壩段的閘墩寬為9.5m,對應(yīng)11#溢流壩段,為胖壩;另一閘墩寬為5m,對應(yīng)14#溢流壩段,為瘦壩。利用有限元處理軟件Hypermesh對模型進(jìn)行單元網(wǎng)格的劃分,并對閘門以及壩身等進(jìn)行簡化處理?;炷林亓螇紊碛邢拊P腿鐖D1所示,瘦壩包含33684個單元,胖壩包含49658個單元,其中包括1967個模擬裂縫的薄層單元。
圖1 混凝土重力壩壩身有限元模型
采用勢流體模型對流固耦合模型進(jìn)行研究分析,假設(shè)理想流體在沒有擾動時靜止不動,初速度為零,利用流體力學(xué)基本原理,得到庫水動力平衡方程[6]:
(1)
式中,u、v、w—水質(zhì)點沿x、y和z方向位移;p—庫水動壓力;ρ—庫水密度。
庫水的連續(xù)性條件為[7- 8]:
(2)
式中,K—庫水壓縮模量。
將(3)式帶入(2)式可得:
(3)
針對重力壩裂縫較為嚴(yán)重的11#壩段閘墩區(qū)域,對其混凝土材料進(jìn)行了現(xiàn)場回彈試驗,得到了閘墩混凝土的抗壓強度參數(shù)值,見表1、2。對選取測點的強度值進(jìn)行計算,選其最小數(shù)值作為材料的抗壓強度[9]。
表1 胖墩混凝土抗壓強度
表2 瘦墩混凝土強度
利用室內(nèi)試驗來檢測裂縫區(qū)混凝土的抗壓強度,得到相應(yīng)裂縫區(qū)的抗壓強度值以及彈性模量值,并結(jié)合現(xiàn)場回彈法測量數(shù)據(jù),得到壩體基巖與混凝土的相關(guān)參數(shù),見表3。
表3 混凝土與基巖相關(guān)材料參數(shù)
菩薩廟水庫重力壩閘墩裂縫大致可分為表面裂縫、施工縫以及應(yīng)力裂縫3種情況,采用彌散模型模擬地震作用下壩體混凝土開裂破壞及閘墩已經(jīng)存在的裂縫,如圖2所示。彌散裂縫模型的彈性模量基于等效等軸應(yīng)力關(guān)系,由最小主應(yīng)力推導(dǎo)而出,泊松比保持常數(shù)。
圖2 混凝土彌散裂縫模型與分離裂縫模型
利用混凝土彌散裂縫模型對壩體混凝土及裂縫區(qū)開裂過程進(jìn)行模擬,其結(jié)果如圖3所示。地震發(fā)生時,上游壩面、下游壩面以及大壩基面剛度突變處容易出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力,為抗震的薄弱部位。
圖3 壩體不同時刻的開裂情況
由圖3所示,在地震作用下,壩體出現(xiàn)貫穿性裂縫,損傷斷裂逐漸發(fā)展到整個壩體厚度的一半,裂縫的存在使得壩體的穩(wěn)定性降低,耐久性減小,混凝土抗拉強度也隨之減小。壩踵、溢流壩以及壩趾等部位均出現(xiàn)較為嚴(yán)重的開裂情況,說明在地震荷載下,加快了裂縫的開裂速度,使得壩體出現(xiàn)嚴(yán)重的貫通破裂,結(jié)構(gòu)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。
選取經(jīng)典的EI Centro波作為輸入的地震波。由于裂縫的存在會降低重力壩壩體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,所以選取菩薩廟水庫重力壩壩頂位移作為混凝土重力壩動位移分析的對象,當(dāng)輸入峰值加速度為0.31g時,高庫水位、空庫工況以及低庫水位下壩頂水平位移曲線如圖4所示。通過與新建溢流壩壩頂位移值的比較,得到帶裂縫工作溢流壩與其之間位移值的差異性。
圖4 三種工況下壩頂水平位移曲線
由圖4可知,帶裂縫的溢流壩壩頂位移值明顯增大,且高庫水位下壩頂位移值最大值由27.88mm增大到35.13mm,增大了26%;空庫工況下壩頂?shù)淖畲笪灰浦涤?3.55mm增大到28.98mm,增加了23%;同樣,低庫水位下壩頂?shù)乃轿灰浦狄灿幸欢ǔ潭确衷龃?,由最初?4.13mm,增大到31.23mm,增加了29%。
3種工況條件下,帶裂縫溢流段壩頂?shù)奈灰茣r程規(guī)律與新建溢流壩狀態(tài)相似,高庫水位下壩頂?shù)膭游灰浦底畲?,而空庫工況下壩頂?shù)膭游灰浦底钕拢?~7s時間段內(nèi)3種工況條件下壩體的位移值均達(dá)到最大,此時壩體處于最不利狀態(tài);7s以后壩體的水平位移值逐漸減小,并且保持在較小的數(shù)值范圍。
圖5為閘墩關(guān)鍵部位位移變化曲線。由圖可知,由于壩體閘墩裂縫的存在,使得重力壩結(jié)構(gòu)的剛度明顯降低,降低了壩體的整體性,與新建菩薩廟水庫重力壩壩頂位移相比,帶裂縫工作的重力壩溢流段壩頂位移值有較大的增加,增長幅度為30%~40%,對壩體的損害也隨之增大。
壩體裂縫的存在,使得大壩的穩(wěn)定性與強度降低,加劇了大壩在地震作用下的動力反應(yīng),破壞了大壩的整體性。3種工況條件下閘墩所受應(yīng)力云圖如圖6所示。由于閘墩裂縫的影響,在地震發(fā)生時,帶裂縫工作溢流段閘墩裂縫區(qū)域相對較為薄弱,應(yīng)力較為集中,使得裂縫區(qū)域出現(xiàn)較大的應(yīng)力,變形性較大。與新建狀態(tài)相比,帶裂縫工作溢流段壩體由于裂縫區(qū)域受力的影響,其所受整體應(yīng)力較新建狀態(tài)均有所增大,其他特征部位動應(yīng)力分布規(guī)律與新建狀態(tài)相似,帶裂縫工作狀態(tài)下動水壓力影響較為顯著。地震作用下,高庫水位條件下溢流壩段動應(yīng)力明顯比低庫水位條件下和空庫工況下的動應(yīng)力大,空庫條件下溢流壩段動應(yīng)力值最小。
圖5 閘墩關(guān)鍵部位動位移變化
圖6 3種工況條件下閘墩所受應(yīng)力云圖
表4為帶裂縫狀態(tài)下菩薩廟水庫混凝土重力壩3種工況條件下主應(yīng)力的峰值及其發(fā)生時刻。由表中數(shù)據(jù)可知,胖墩在高庫水位條件下所受主應(yīng)力極大值發(fā)生在壩踵部位,極大值為2.29MPa,對應(yīng)時間為5.59s;低庫水位條件下所受主應(yīng)力極大值同樣出現(xiàn)在壩踵部位,極大值為1.98MPa,對應(yīng)時間為559s;空庫工況下胖墩所受主應(yīng)力極大值出現(xiàn)在壩趾部位,極大值為5.85MPa,對應(yīng)時間為3.82s。瘦墩在高庫水位以及低庫水位條件下所受的主應(yīng)力極大值均出現(xiàn)在壩踵部位,極大值分別為2.12MPa以及1.58MPa,對應(yīng)時間分別為6.13s和3.48s;空庫工況下瘦墩所受主應(yīng)力極大值出現(xiàn)在壩趾部位,極大值大小為1.33MPa,對應(yīng)時間為3.66s。
裂縫的存在使得重力壩的整體性降低,在地震作用下,裂縫處作為受力的薄弱環(huán)節(jié),所受應(yīng)力較為集中,應(yīng)力變化較大,且在地震過程中會逐漸增大,從而對壩體造成持續(xù)性傷害。
表4 典型位置處地震動應(yīng)力極值及其發(fā)生時間
以遼寧菩薩廟水庫混凝土重力壩為研究對象,對其溢流段裂縫的受力以及水平位移情況進(jìn)行了詳細(xì)的闡述,利用有限元分析方法,通過建立典型溢流段數(shù)值模型,選取勢流體模型模擬庫水,對溢流段有限元模型進(jìn)行了抗震分析,得到的結(jié)論如下:①在有地震發(fā)生時,帶裂縫工作的重力壩溢流段在低庫水位以及空庫工況條件下的地震動位移值要小于高庫水位條件下的地震動位移值,且空庫工況下壩體的地震位移值最小。在有裂縫存在時,壩體的整體性以及剛度會受到嚴(yán)重的影響,各部位的動位
移現(xiàn)象越發(fā)顯著,位移值均增大。②地震作用下,菩薩廟水庫混凝土重力壩壩趾、閘墩以及壩踵等重要部位的主應(yīng)力都較大,在高庫水位以及低庫水位下,壩踵的主應(yīng)力極大值最大,而在空庫工況下,主應(yīng)力極大值出現(xiàn)在壩趾部位。重力壩溢流段壩體混凝土?xí)谠虚l墩裂縫基礎(chǔ)上發(fā)生損傷開裂,對壩體造成嚴(yán)重?fù)p傷。
[1] 王海麗. 混凝土疲勞損傷理論及重力壩疲勞壽命計算[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計, 2015(12): 61- 62+98.
[2] 楊殿臣, 黃柏洪. 振沖法在石佛寺水庫壩基抗震加固處理中的應(yīng)用[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2005, 13(04): 87- 89.
[3] 張社榮, 黎曼, 王高輝, 等. 混凝土重力壩抗震破壞等級及安全評價方法[J]. 水電能源科學(xué), 2013, 31(08): 84- 88.
[4] 熊健, 陳健云, 徐強. 重力壩壩頭孤立壩體在地震作用下的抗滑分析[J]. 水利與建筑工程學(xué)報, 2012, 10(5): 37- 40+60.
[5] 何迪, 李宗利. 地震荷載作用下重力壩壩踵裂縫內(nèi)水壓分布研究[J]. 人民長江, 2011, 42(09): 72- 75.
[6] 徐金英, 李德玉, 涂勁, 等. 強震區(qū)碾壓混凝土重力壩非線性地震響應(yīng)分析[J]. 水電能源科學(xué), 2014, 32(01): 66- 69.
[7] 張寶香, 丁守業(yè), 楊剛. 提高重力壩深層抗滑穩(wěn)定可靠度的措施[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計, 2014(06): 83- 86.
[8] 邢喜梅. 卡爾塔水庫大壩抗震安全評價[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2014, 22(01): 13- 15.
[9] 曹學(xué)興, 何蘊龍, 馮蕊, 等. 下游折坡點位置對重力壩抗震性能的影響[J]. 河海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2013, 41(05): 439- 445.