劉小婧

（志丹縣水務(wù)局地下水監(jiān)督監(jiān)測管理站，陜西 志丹 717500）

1 引言

隨著國民經(jīng)濟快速發(fā)展，電力需求以及節(jié)能減排和環(huán)保的壓力越來越大，水電能源開發(fā)作為清潔能源的必要性與日俱增。然而開發(fā)水電能源也存在一定困難，工程建設(shè)的穩(wěn)定及安全問題亟待解決，現(xiàn)如今工程人員必須解決的問題為在地質(zhì)條件較為復(fù)雜的地區(qū)開展高壩建設(shè)工程?？紤]到水電能源開發(fā)中土石壩建設(shè)的重要性，高土石壩的穩(wěn)定性以及抗震研究已逐漸成為工程熱點。

當(dāng)前關(guān)于土壩的動力特性研究已有許多理論和計算方法，在此基礎(chǔ)上，學(xué)者利用計算機編寫了相關(guān)子程序?qū)ν潦瘔蔚牡卣饎恿憫?yīng)進行計算，這種方法更簡單便捷，且較為科學(xué)，然而目前在強震中幸存下來的高巖壩較少，故關(guān)于高巖壩的地震數(shù)據(jù)量較少，利用現(xiàn)有資料對相關(guān)程序進行運用和改進受限。利用地震模擬震動臺可以為這些程序提供更多相關(guān)數(shù)據(jù)，而且可以開展模型壩的地震動力響應(yīng)研究。大型土石壩振動臺模型試驗可以為土石壩的結(jié)構(gòu)-動力特性的研究提供一定的數(shù)據(jù)參考。

以某水電站為研究對象構(gòu)建與之對應(yīng)的大壩試驗?zāi)Ｐ?，分別構(gòu)建心墻壩與面板壩的試驗?zāi)Ｐ?，研究高土壩的地震動力特性響?yīng)，以便對三個模型地震動力特性試驗結(jié)果做對比分析，為其它大壩和相似工程的抗震設(shè)計提供一定的參考，同時試驗數(shù)據(jù)也可以用來檢驗和改進土石壩現(xiàn)有的理論方法及計算機程序。

2 土石壩結(jié)構(gòu)振動臺模型試驗

2.1 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備選用中國建筑科學(xué)研究院的三向六自由度大型高性能地震模擬振動臺，該試驗臺規(guī)模為長6 m、寬6 m，試驗開展時該試驗臺為國內(nèi)最大振動臺。

2.2 模型設(shè)計與制作

以某水電站為模型原型構(gòu)建心墻壩A、B模型與面板壩試驗?zāi)Ｐ?。所進行的三次模型試驗相似理論基礎(chǔ)為以重力場為基礎(chǔ)的巖土結(jié)構(gòu)振動模型試驗相似關(guān)系。每次試驗時需要兩個大壩模型—壩段模型和整體模型，模型壩高度為1 m，模型壩幾何尺寸相似常數(shù)為1/H，其中H 代表原型壩壩高；模型壩密度相似常數(shù)為1；模型壩變形模量相似常數(shù)主要通過原型壩材料和模型壩材料的動態(tài)變形試驗確定。通過以上相似常數(shù)計算可得模型所需其它相似常數(shù)，模型所有相似常數(shù)見表1。

表1 試驗相似常數(shù)匯總表

模型壩填筑分7層，前6層每層厚度15 cm，第7層厚度10 cm，填筑密度嚴(yán)格把控。每層填筑體平坦度由垂直河向和平行河向兩個方向進行把控。心墻壩模型填筑順序為：首先對模型進行分層，使用模板填充心墻，對各層進行填充，最后填筑壩體上下游堆石體。同時，堆石壩體填筑后，每層填筑體由垂直河向和平行河向兩個方向整平，而后再施工混凝土板。

2.3 試驗內(nèi)容和方法

試驗的內(nèi)容主要包括研究模型壩在振動影響下的動力破壞以及面板壩受地震影響發(fā)生的應(yīng)力-應(yīng)變反應(yīng)。

試驗方法為：試驗過程中，通過觀察、現(xiàn)場錄像、拍照等手段對壩體的變形以及破壞進行監(jiān)測，同時設(shè)置應(yīng)變花環(huán)測定該區(qū)域的應(yīng)變響應(yīng)；試驗結(jié)束后，通過測量研究滑坡的深度和破壞模式，通過應(yīng)變花環(huán)得到面板的應(yīng)變數(shù)據(jù)，并依據(jù)材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系確定出面板的應(yīng)力數(shù)據(jù)。研究重點在于研究心墻壩以及面板壩的地震動力響應(yīng)的不同點，因此不對面板壩的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)做具體研究。

2.4 試驗方案設(shè)計

由于輸入地震振動類型和輸入形式有所不同，故將整個試驗分為較多小試驗，再根據(jù)振動幅度將每個小試驗分為若干各方案。其中，地震振動類型包括白噪聲、壓縮普通地震波以及規(guī)范正弦波，地震振動輸入形式有水平垂直河向以及水平平行河向、三向輸入三種形式。地震振動輸入順序遵循先小震后大震，先單向后多向，最后高幅值規(guī)范正弦波的原則。為準(zhǔn)確監(jiān)測到模型壩的變形，每次輸入地震波前后都要對模型壩進行白噪聲掃描。

3 高土石壩結(jié)構(gòu)動力特性分析

3.1 大壩結(jié)構(gòu)的動力（自振）特性

分析三個模型壩試驗結(jié)果可知：心墻壩和面板壩在受到低振幅白噪聲激發(fā)時，少量靠近壩基的點在某些工況其振動不明顯，其它監(jiān)測點的均發(fā)生了明顯振動，且各點自振頻率值較為接近，自振頻率變化不均一；壩體內(nèi)各監(jiān)測點阻尼系數(shù)與邊界條件有關(guān)，即壩體周圍、壩基、山體位置的阻尼系數(shù)受到邊界條件的限制，壩頂阻尼系數(shù)稍大于壩谷中段，大多數(shù)情況下，各監(jiān)測點的阻尼系數(shù)變化都較小，其阻尼比相對比較穩(wěn)定；振動水平不同時，壩體不同方向的形變基本保持一致，但形變幅度有所不同。圖1 是心墻壩B 沿豎直方向和沿橫河方向振型系數(shù)沿壩高方向和壩頂軸線方向的變化情況。分析圖1可知，模型壩受地震作用，大壩結(jié)構(gòu)位移的動力響應(yīng)基本呈水平分布，動力響應(yīng)最大的區(qū)域為與壩頂距離較近的河谷中央壩段處，其周圍區(qū)域的位移動力響應(yīng)相對較小。

圖1 振型系數(shù)沿壩高方向和壩頂軸線方向的分布圖

基于模型壩結(jié)構(gòu)動力特性參數(shù)測試的總體結(jié)構(gòu)分析可以得出，大壩結(jié)構(gòu)受地震影響時其振動模態(tài)較為明顯，監(jiān)測點振動的自振頻率和阻尼系數(shù)的測試值離散性更強，大壩模態(tài)系數(shù)保持在一定水平。土石壩在地震影響下其振型相對比較穩(wěn)定，根據(jù)彈性理論計算所得大壩動力特性參數(shù)可以反應(yīng)出模型壩自振特性。而土石壩組成結(jié)構(gòu)為是散粒狀結(jié)構(gòu)，其材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為高度非線性特性，故而其動力特性參數(shù)表現(xiàn)出具有一定的離散性。

3.2 大壩結(jié)構(gòu)動力特性影響因素分析

根據(jù)心墻壩A 受不同幅值水平白噪聲激勵作用所得的一階自振頻率和阻尼比與面板壩一階自振頻率試驗過程中的變化情況可得知，壩段模型的自振頻率與水庫蓄水與否相關(guān)聯(lián)，對于心墻壩而言，壩體蓄水前的自振頻率比蓄水后的自振頻率大，分析原因可能在于：壩殼堆石材料透水效果好，堆石材料的有效應(yīng)力隨著孔隙水壓力增大而降低，剛度隨之降低，最終導(dǎo)致壩體結(jié)構(gòu)的自振頻率降低。對于面板壩而言，壩體蓄水前的自振頻率比蓄水后的自振頻率更低，其原因在于：蓄水后面板受水壓力影響，導(dǎo)致堆石體發(fā)生沉降，剛度隨之增加，最終導(dǎo)致壩體結(jié)構(gòu)的自振頻率增加，這與數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)保持一致。模型振動試驗過程中，面板壩蓄水前后的自振頻率沒有明顯增加，其原因在于：模型體短時間內(nèi)蓄水，蓄水后立刻開始振動試驗，其壓實效果無法完全實現(xiàn)。

大多數(shù)情況下，在壩基和岸坡的限制作用下，三維模型壩的自振頻率比平面壩段自振頻率稍高，這與心墻壩A和心墻壩B模型壩的試驗結(jié)果保持一致。針對面板壩而言，兩個模型自振頻率大致相同，其主要原因為：面板壩地處特殊的河谷地段，面板壩在河流拐彎處，河谷很窄，河岸兩側(cè)岸坡地形不同，兩側(cè)堆石壩結(jié)構(gòu)形態(tài)也差異較大，即左側(cè)邊坡先是陡峭的，然后逐漸變緩，慢慢與壩體相連；右側(cè)邊坡變化不大，但極為陡峭。這種地形使得壩體結(jié)構(gòu)完整性受破壞，壩體受岸坡限制較小，故而模型整體自振頻率不會高于壩體的自振頻率，甚至模型整體自振頻率比壩體自振頻率更小。

另外，考慮心墻壩A和心墻壩B模型壩的結(jié)構(gòu)類型、壩高、斷面設(shè)計較為相近，根據(jù)這兩個模型壩動力性能參數(shù)的試驗結(jié)果可知，巖石的動力變形性能大壩材料也是影響大壩自振頻率的重要因素。心墻壩B 動模量系數(shù)大于2 000，其自振頻率為100 Hz，而與其結(jié)構(gòu)類型、壩高、斷面設(shè)計均較為接近的雙江口模型堆石壩動模量系數(shù)為1 000，其自振頻率為50 Hz。根據(jù)彈性理論，結(jié)構(gòu)的自振頻率與動模量的平方根成反比關(guān)系，此次模型試驗結(jié)果基本滿足此關(guān)系，試驗結(jié)構(gòu)的有效性得以驗證?？偟膩碚f，大壩結(jié)構(gòu)的動力特性受大壩結(jié)構(gòu)的幾何形狀與大壩材料的動力特性影響較大，在大壩設(shè)計時應(yīng)著重考慮。

4 結(jié)論

以某水電站為研究對象構(gòu)建模型心墻壩A、B與面板壩的試驗?zāi)Ｐ停芯績煞N高土石壩受地震影響的動力反應(yīng)特性，主要結(jié)論有：①大壩監(jiān)測點自振頻率和阻尼系數(shù)具有較小的離散性，大壩模態(tài)系數(shù)大致保持不變，土體和巖石基本穩(wěn)定，材料應(yīng)力與變形的動態(tài)關(guān)系具有很強的非線性，動態(tài)特性的各個參數(shù)具有一定的離散性；②利用白噪聲對模型進行激發(fā)所確定的模型結(jié)構(gòu)動力特性參數(shù)值的主要影響因素有壩體內(nèi)部空間位置、輸入白噪聲的幅值水平影響，同時大壩的幾何形狀、壩體填筑所用材料動力特性、水庫蓄水情況也會影響大壩結(jié)構(gòu)的動力特性，大壩設(shè)計時應(yīng)加以考慮；③高面板堆石壩和高心墻堆石壩兩類堆石壩的抗震性能均較為良好，相較之下，面板壩的抗震性能更好，面板壩優(yōu)抗震性能與面板止水功能設(shè)計和建造質(zhì)量息息相關(guān)，同時壩體突出區(qū)域抗震性能相對較弱，壩體此區(qū)域需加強防護。