摘要：采用振型分解反應(yīng)譜法和時(shí)程法，得到了某碾壓混凝土重力壩的線性、非線性地震響應(yīng)。針對(duì)重力壩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出從壩體拉應(yīng)力區(qū)分布、抗滑穩(wěn)定性、材料強(qiáng)度、塑性區(qū)擴(kuò)展及壩體需求能力比與超應(yīng)力累積持時(shí)等方面綜合評(píng)價(jià)大壩的抗震安全性能，為大壩的防震抗震工作提供參考。根據(jù)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，初步認(rèn)為在新的地震動(dòng)校核參數(shù)作用下，該大壩結(jié)構(gòu)可能受到低至中等破壞局部開(kāi)裂，結(jié)果符合“設(shè)計(jì)可修復(fù)，校核不潰壩”這一抗震復(fù)核目標(biāo)。

　　關(guān)鍵詞：水工結(jié)構(gòu);混凝土重力壩;抗震安全復(fù)核;校核地震;極限抗震能力

　　引言

　　2008年5月12日中國(guó)四川汶川地區(qū)發(fā)生里氏震級(jí)達(dá)8級(jí)，地震烈度達(dá)11度的特大地震，對(duì)震區(qū)水電工程造成了極大影響。不少地區(qū)地震烈度遠(yuǎn)超中國(guó)現(xiàn)行地震烈度區(qū)劃圖的設(shè)防水準(zhǔn)。例如汶川縣草坡河的沙牌混凝土拱壩，按照2001年國(guó)家地震烈度區(qū)劃圖，壩址區(qū)地震基本烈度為7度，以50年超越概率10%的基巖水平峰值加速度137.5gal作為大壩設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。而此次地震壩址區(qū)位于8度與9度的交界區(qū)，基巖峰值加速度也幾倍于上述設(shè)計(jì)值(儀器測(cè)得最大峰值加速度為950.51gal，出現(xiàn)在汶川縣臥龍臺(tái)，距壩區(qū)30公里左右)。還有設(shè)防烈度為8度的紫坪鋪電站，此次地震卻經(jīng)歷了近10度的考驗(yàn)。由此可見(jiàn)，地震具有極大的不確定性，倘若對(duì)重要水工建筑物造成嚴(yán)重破壞，將引發(fā)重大次生災(zāi)害，給下游人民生命財(cái)產(chǎn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)巨大威脅。

　　因此，“5.12”汶川大地震后，大壩抗震安全受到社會(huì)各界和壩工界的高度重視。為做好水電工程防震抗震工作，提高水電工程的防震抗震能力，水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院在總結(jié)國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)和聽(tīng)取專家建議的基礎(chǔ)上，制定了《水電工程防震抗震研究設(shè)計(jì)及專題報(bào)告編制暫行規(guī)定》，頒布了新的水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2015年)。給出了新的水電工程地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，并明確提出對(duì)重大工程的擋水建筑物應(yīng)分析校核地震工況下的結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，對(duì)高烈度區(qū)、失事后可能產(chǎn)生嚴(yán)重次生災(zāi)害的特別重要的擋水建筑物，還應(yīng)研究極限抗震能力和地震破壞模式。

　　鑒于目前還沒(méi)有統(tǒng)一的重力壩抗震安全復(fù)核評(píng)價(jià)方法，本文依據(jù)新核定的地震等級(jí)參數(shù)，采用振型分解反應(yīng)譜法和時(shí)程法，在線性、非線性地震響應(yīng)的基礎(chǔ)上，提出從壩體拉應(yīng)力區(qū)范圍、穩(wěn)定性、強(qiáng)度校核、塑性區(qū)擴(kuò)展范圍和壩體需求能力比與超應(yīng)力累積持時(shí)等多角度綜合分析。對(duì)某電站壅水結(jié)構(gòu)及重要的非壅水結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震復(fù)核和抗震安全性評(píng)價(jià)，為重力壩的防震抗震工作提供有益參考。

　　1抗震安全復(fù)核方法及評(píng)價(jià)模型

　　由于地基巖體的非連續(xù)性、材料參數(shù)的各向異性和各種因素的不確定性，對(duì)大壩遭受極端地震作用下的失效模式和破壞機(jī)理認(rèn)識(shí)還不夠充分。所采用的各種數(shù)學(xué)模型、破壞準(zhǔn)則也不具有較好的普適性，因此，大壩抗震安全的評(píng)價(jià)是一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題，如何結(jié)合中國(guó)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行復(fù)核分析和評(píng)價(jià)，目前還沒(méi)有一個(gè)明確的方法和統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于該問(wèn)題的研究，金峰等從校核地震工況的基本概念出發(fā)，按照校核地震下“不潰壩”這一復(fù)核目標(biāo)，提出了一套簡(jiǎn)化的計(jì)算方法。此法認(rèn)為著眼點(diǎn)不應(yīng)該是強(qiáng)度校核，而是整體穩(wěn)定性。要分階段、分步驟逐步深人復(fù)核，當(dāng)強(qiáng)度不滿足要求時(shí)，進(jìn)行非線性動(dòng)力計(jì)算，而且計(jì)算方法和模型宜盡量簡(jiǎn)單;出現(xiàn)貫穿性開(kāi)裂時(shí)，再對(duì)孤立體的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算;整體失穩(wěn)后對(duì)水庫(kù)發(fā)生無(wú)法控制下泄的后果進(jìn)行專題評(píng)估。

　　1.1多指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

　　陳厚群等研究表明，考慮地基巖體的損傷特性才能更合理地反映壩體一地基動(dòng)態(tài)相互作用對(duì)壩體地震損傷的影響。因此地基一壩體系統(tǒng)的穩(wěn)定、壩體的開(kāi)裂破壞和喪失蓄水能力是決定大壩安全的關(guān)鍵和主要因素，任何一個(gè)關(guān)鍵性能的破壞都會(huì)直接影響到壩體的正常運(yùn)行，抗震能力的評(píng)價(jià)需從多角度綜合分析。例如，張社榮等從收斂性、塑性區(qū)貫通、壩體破壞模式、需求能力比與超應(yīng)力累積持時(shí)等多方面出發(fā)，對(duì)重力壩基于性能的極限抗震能力進(jìn)行了探討。趙劍明等從變形、穩(wěn)定性和防滲體安全方面對(duì)深厚覆蓋層上土石壩的極限抗震能力進(jìn)行了分析。李德玉、張伯艷等采用動(dòng)力非連續(xù)方法，從縫面開(kāi)合度、開(kāi)裂范圍等方面研究了官地、小灣等電站的抗震穩(wěn)定性。本文在線彈性振型分解反應(yīng)譜法和線性、非線性時(shí)程分析的基礎(chǔ)上，從拉應(yīng)力區(qū)范圍(P1)、穩(wěn)定性(P2)、強(qiáng)度校核(P3)、塑性區(qū)破壞范圍(P4)和壩體需求能力比與超應(yīng)力累積持時(shí)(P5)等角度，對(duì)重力壩校核地震工況的抗震能力進(jìn)行綜合復(fù)核。從風(fēng)險(xiǎn)角度出發(fā)，定義大壩的極限抗震能力為

　　壩體需求能力比(RDc，Ratio of Demand-Capac-ity)定義為壩體拉應(yīng)力與混凝土抗拉強(qiáng)度的比值，超應(yīng)力累積持時(shí)為大于抗拉強(qiáng)度的壩體拉應(yīng)力的累積持時(shí)。根據(jù)Ghanaat以及沈懷至等對(duì)混凝土壩破壞等級(jí)的劃分，以12時(shí)，為嚴(yán)重?fù)p傷破壞，如圖1所示。

　　1.2動(dòng)力計(jì)算方法

　　考慮豎向地震作用(按水平向的2/3折減)。進(jìn)行反應(yīng)譜法分析時(shí)采用SRSS方法組合各階振型對(duì)應(yīng)的響應(yīng)。最后，按照最不利情況，將動(dòng)力分量作為正值直接與靜力結(jié)果進(jìn)行疊加。根據(jù)“暫行規(guī)定”和相關(guān)規(guī)范對(duì)該電站新核定的地震動(dòng)參數(shù)和相應(yīng)反應(yīng)譜參數(shù)、譜曲線如表1和圖2所示。

　　考慮到地震作用的隨機(jī)性，分別選用1988年云南瀾滄一耿馬地震時(shí)，壩址區(qū)和竹塘地震站實(shí)測(cè)到的兩條當(dāng)?shù)丶铀俣葧r(shí)程，以及1967年印度Koyna重力壩遭受地震時(shí)的強(qiáng)震記錄進(jìn)行動(dòng)力分析。綜合考慮地震波采樣頻率與高階模態(tài)振動(dòng)周期的影響，取時(shí)問(wèn)步長(zhǎng)△t=0.02s。其加速度時(shí)程如圖3所示。

　　目前邊界條件的考慮大體有三種：考慮地基輻射阻尼、無(wú)質(zhì)量地基模型和模擬無(wú)限地基有限元模型。一般為了更真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，需要在模型的截?cái)噙吔缟霞尤胛脒吔?，由此模擬遠(yuǎn)端地基輻射阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，此時(shí)地基輻射阻尼和材料阻尼的選取應(yīng)綜合考慮，以免重復(fù)計(jì)算阻尼。在頻域方面的處理方法有無(wú)窮元一有限元耦合法、邊界元以及邊界元一有限元耦合法和有限元一邊界元一無(wú)窮元耦合法等。時(shí)域方面的處理方法主要有彈簧一阻尼邊界。此外還有比例邊界元、阻尼抽取法等。無(wú)質(zhì)量地基模型由于不考慮地基輻射阻尼效應(yīng)的影響，使結(jié)構(gòu)響應(yīng)偏大，低估重力壩的抗震安全度。當(dāng)條件允許時(shí)，可考慮模擬無(wú)限地基的有限元模型。由于本文為結(jié)合實(shí)際工程的復(fù)核，鑒于無(wú)質(zhì)量地基模型的保守性，所以在靜力分析時(shí)，基巖自重按初始地應(yīng)力場(chǎng)的方式考慮，而動(dòng)力計(jì)算時(shí)按Clough的無(wú)質(zhì)量地基模型考慮。

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