陳建芝，冀 坤

（鄄城縣水務局，山東 鄄城 274600）

水力發(fā)電在國家能源的組成中占據(jù)著重要的地位，水工建筑物的安全就顯得尤為重要?；炷林亓问菓幂^多的一種壩型，對重力壩危害最大的自然災害莫過于地震，研究地震下的混凝土重力壩潛在損傷很有必要[1]。因此，本文將結(jié)合時程分析法和混凝土塑性損傷模型對地震下的某碾壓混凝土重力壩安全性能展開討論。

1 混凝土塑性損傷模型

混凝土塑性損傷模型（簡稱CDP模型）是在混凝土線彈性模型及摩爾—庫倫等模型的基礎上提出的，CDP模型適用于模擬混凝土動態(tài)力學行為，模型將混凝土力學行為分別定義為單軸拉伸和單軸壓縮下的應力—應變關系曲線[2,3]。

1.1 單軸壓縮應力—應變曲線

混凝土單軸壓縮應力—應變的發(fā)展為：應力隨應變的增加達到屈服強度，在經(jīng)過強化階段后達到強度極限后快速衰減。如圖1所示。

1.2 單軸拉伸應力—應變曲線

混凝土單軸拉伸應力—應變曲線的發(fā)展為：應力達到屈服強度后不發(fā)生強化，直接衰減。如圖2所示。

2 混凝土重力壩三維模型

2.1 模型參數(shù)

圖1 混凝土單軸受壓應力—應變曲線

圖2 混凝土單軸受拉應力—應變演化曲線

某碾壓混凝土重力壩壩頂高程1422m，非溢流壩段最大壩高160m，上游壩面以高程1333m為起坡點，起坡點以上壩面垂直，以下壩面坡降比1∶0.3，下游壩面坡降比1∶0.75。壩體混凝土標號C20，動彈性模量，泊松比ν=0.22，混凝土容重γ=2400kg/m3。

2.2 動態(tài)及靜態(tài)荷載

將Koyna地震波以時程加載的方式輸入模型得到動態(tài)荷載，如圖3所示。地震峰值加速度為0.415g，持時17.14s，加載間隔0.02s。靜態(tài)荷載考慮大壩自重、揚壓力、泥沙壓力及動水壓力[4]。

圖3 Koyna地震波

3 重力壩地震損傷情況

3.1 壩體損傷發(fā)展

混凝土損傷的表現(xiàn)因素之一是應變，其損傷量的積累伴隨著塑性應變的增加，由塑性應變可判斷損傷程度。地震前期，壩體損傷首先出現(xiàn)在壩踵，其范圍較小且程度較輕，壩趾緊接著發(fā)生損傷，這兩處損傷區(qū)域以壩踵及壩趾為中心擴散；地震中期，壩體混凝土損傷區(qū)域由壩踵、壩趾向壩體內(nèi)部擴散，損傷區(qū)域于壩底中部首先連通，該處損傷程度最大；地震后期，壩體下部混凝土損傷區(qū)域向上擴散至上游折坡點，如圖4所示。

圖4 壩體塑性應變圖

3.2 壩踵及壩趾應力發(fā)展

等效應力（Mises應力）是將節(jié)點或單元的應力分量以張量的疊加方式計算而得，提取壩踵及壩趾等效應力時程曲線得到圖5、圖6。由圖5可知，壩踵等效應力具有明顯的周期性，應力在地震加載前1s線性增加至約2.8MPa，然后開始波動，應力峰值7.3MPa約于1.2s出現(xiàn)，隨后應力平均值開始衰減，于7.5～10s間應力幅值出現(xiàn)短暫激烈波動，隨后直至地震結(jié)束，應力平均值都基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，殘余應力約為1.5MPa。由圖6可知，壩趾等效應力的發(fā)展趨勢與壩踵類似，應力約于1.8s達到峰值，晚于壩踵應力峰值出現(xiàn)，與壩體損傷情況吻合，應力快速衰減后于2.5～7s趨于穩(wěn)定，同樣于7.5～10s發(fā)生短暫激烈波動后再次趨于穩(wěn)定，殘余應力約為1.7MPa。

圖5 壩踵等效應力時程曲線

圖6 壩趾等效應力時程曲線

壩踵和壩趾為高應力區(qū)，由圖5及圖6可知，混凝土的等效應力水平?jīng)]有達到強度極限，再結(jié)合圖4可知，壩體在地震受中等程度損傷，沒有發(fā)生破壞。

4 結(jié)論

1）大壩在經(jīng)歷Koyna地震加載后于壩踵、壩趾及壩底中部出現(xiàn)損傷較大區(qū)域，其余壩體混凝土損傷可忽略不計，大壩仍然保持較高安全性。

2）壩踵及壩趾為混凝土高應力區(qū)，但其等效應力未達到強度極限，混凝土不發(fā)生破壞，僅存在一定程度損傷。