拱壩地震動(dòng)水壓力研究進(jìn)展

張志偉,張東明

(二灘水電開發(fā)有限責(zé)任公司,四川成都 610051)

由于大壩事故可能產(chǎn)生災(zāi)難性后果,合理確定地震時(shí)壩面動(dòng)水壓力是地震區(qū)新建壩設(shè)計(jì)和已建壩安全評(píng)估的一個(gè)重要因素。本文就筆者所重點(diǎn)研究的拱壩地震動(dòng)水壓力分析的一些國(guó)內(nèi)外新方法及新進(jìn)展加以闡述。

1 國(guó)外研究情況

地震使大壩發(fā)生振動(dòng),在水庫水體和大壩壩體之間產(chǎn)生相互作用,水庫水體對(duì)大壩會(huì)產(chǎn)生動(dòng)水壓力。進(jìn)行大壩結(jié)構(gòu)分析和工程設(shè)計(jì),應(yīng)當(dāng)考慮地震的影響,必須計(jì)算大壩迎水面的地震荷載—?jiǎng)铀畨毫Α?/p>

對(duì)于地震作用下壩體承受的動(dòng)水壓力的計(jì)算,前人已經(jīng)做了很多有意義的工作,也取得了很多重要的成果[1]。在這方面,一般認(rèn)為 Westergaard是最早涉足的學(xué)者[2]。但是,在Westergaard的研究中忽略了壩體的彈性振動(dòng)因素,所研究的問題歸結(jié)為半無限液體層界面處剛性墻壁微幅振動(dòng)的非常簡(jiǎn)單的聲學(xué)問題。而在水壩地震動(dòng)力分析中,嚴(yán)格的講,應(yīng)該將壩體、庫水和地基三者作為一個(gè)綜合的振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力分析,考慮它們之間的相互作用。

拱壩是三面受約束的空間殼體結(jié)構(gòu),在地震作用下,動(dòng)態(tài)特性十分復(fù)雜。這不僅僅是由于拱壩本身的結(jié)構(gòu)形式及邊界條件很復(fù)雜,更重要的是在壩體、庫水、地基三者的相互作用下振動(dòng)能量的轉(zhuǎn)移,以及不均勻谷壁變化的波動(dòng)效應(yīng)影響下地震輸入的色散效應(yīng)。一方面,壩體在地震作用下振動(dòng)時(shí),帶動(dòng)了庫水的振動(dòng),在庫水內(nèi)產(chǎn)生附加動(dòng)水壓力,動(dòng)水壓力又反過來作用于壩體,改變了壩體的動(dòng)力特性和動(dòng)力反應(yīng),整個(gè)過程反映出強(qiáng)烈的流固耦合振動(dòng)。

拱壩地震動(dòng)水壓力是壩體在地震時(shí)承受的重要荷載,它對(duì)壩體的強(qiáng)度與穩(wěn)定安全度有很大影響。由于問題涉及三維流體與結(jié)構(gòu)的動(dòng)力相互作用,增加了問題的復(fù)雜性與求解的困難。Clough應(yīng)用有限元技術(shù)在不考慮流體壓縮性的條件下求解了拱壩的動(dòng)水壓力[3]。Chopra等應(yīng)用有限元與子結(jié)構(gòu)的耦合系統(tǒng)研究地震動(dòng)水壓力對(duì)拱壩振動(dòng)的影響[4,5]。

對(duì)于拱壩,求解壩面動(dòng)水壓力更為復(fù)雜,需要建立三維分析模型。因此,拱壩動(dòng)水壓力的研究要比重力壩動(dòng)水壓力研究晚一些。Korsubo(1961)[6]最早求得了剛性拱壩在簡(jiǎn)諧地面運(yùn)動(dòng)時(shí)壩面動(dòng)水壓力的解析解,其中拱壩壩體和庫水形狀非常簡(jiǎn)單,壩體為圓柱體的一部分,中心角為 90°,庫岸垂直,庫水區(qū)域呈扇形狀。后來,Penmumalswami和 Kar(1973)利用 Kotsubo的結(jié)果以及傅立葉變換,研究了在地震地面運(yùn)動(dòng)時(shí),拱壩壩面動(dòng)水壓力,但只考慮了沿順河向一個(gè)方面。研究表明:(1)庫水面波可以忽略;(2)庫水不可壓縮假定明顯低估了壩面動(dòng)水壓力,計(jì)算動(dòng)水壓力時(shí)就考慮庫水可壓縮性;(3)應(yīng)用重力壩模型計(jì)算拱壩動(dòng)水壓力,可能導(dǎo)致較大不安全誤差。Zienkiewicz和Nath(1963)[7]忽略了庫水可壓縮性,應(yīng)用電模型實(shí)驗(yàn)分析了拱壩壩面動(dòng)水壓力。當(dāng)壩面垂直時(shí),拱壩壩面動(dòng)水壓力從跨中(對(duì)應(yīng)于二維模型計(jì)算結(jié)果)逐漸向壩肩增加,在壩肩處達(dá)到最大值。Nath(1981)將笛卡兒空間(Cartesian space)變換到指數(shù)壓縮柱坐標(biāo)空間(Logarithmically condensed cylindrical polar space),在變換空間應(yīng)用有限元分析了地面簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí),拱壩壩面動(dòng)水壓力。分析表明,垂直運(yùn)動(dòng)比同樣幅值水平運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的壩面動(dòng)水壓力大。

自從Westergaard的開創(chuàng)性研究開始,許多研究學(xué)者都在致力于分析壩面動(dòng)水壓力,建立了許多分析模型,但對(duì)于拱壩來講,沒有一種模型包含了影響動(dòng)水壓力的所有重要因素,這樣就有可能使得分析結(jié)果有一定誤差。

2 國(guó)內(nèi)研究情況

(1)清華大學(xué)的閻承大[8]等人,運(yùn)用配點(diǎn)法(Collacation Method)求解U形與梯形河谷的拱壩地震動(dòng)水壓力。計(jì)算中考慮了庫水壓縮性及庫底淤積條件的影響,得到了一種含待定系數(shù)的級(jí)數(shù)形式的解。然后利用壩面加速度響應(yīng)的邊界條件求級(jí)數(shù)的各階系數(shù),進(jìn)而可求解壩面的動(dòng)水壓力。這一方法具有明顯的經(jīng)濟(jì)性與合理精確度。與流體有限元方法相比較,可以節(jié)省大約三分之二的計(jì)算時(shí)間;

(2)章青[9]等人利用加權(quán)余量法給出了一種求解拱壩壩面動(dòng)水壓力的計(jì)算方法,研究了矩形河谷上拱壩壩面動(dòng)水壓力分布規(guī)律,討論了河谷寬高比和拱壩中心角等因素對(duì)壩面動(dòng)水壓力的影響;

(3)邱流潮[10]結(jié)合小灣電站 290m高拱壩,在考慮壩水流固耦合振動(dòng)影響下,分析和計(jì)算了拱壩上游壩面承受的動(dòng)水壓力,并特別對(duì)自由表面重力波的影響問題、庫底對(duì)壓力波的吸收問題、水體壓縮性的影響以及庫水域的有效影響范圍等進(jìn)行了分析。

3 試驗(yàn)研究

(1)文獻(xiàn)[11]結(jié)合國(guó)內(nèi)某高拱壩,首次進(jìn)行了模擬人工邊界阻尼效應(yīng)的拱壩-地基動(dòng)力相互作用的振動(dòng)臺(tái)動(dòng)力模型試驗(yàn)研究,探索了其對(duì)高拱壩地震動(dòng)力影響機(jī)理;

(2)文獻(xiàn)[12]通過室內(nèi)的拱壩模型實(shí)測(cè)以及三向電模擬試驗(yàn)求得振型動(dòng)水壓力,檢驗(yàn)了流固耦合的有限元數(shù)學(xué)模型的結(jié)果與試驗(yàn)吻合。

4 結(jié) 論

大量有關(guān)拱壩壩面動(dòng)水壓力研究的文獻(xiàn)資料表明:庫水可壓縮性、壩體特性、淤砂層特性、地基特性以及庫水-壩體相互作用、庫水-地基相互作用、庫水-庫底淤積砂層相互作用等因素都會(huì)對(duì)壩面動(dòng)水壓力產(chǎn)生影響。在計(jì)算拱壩動(dòng)水壓力時(shí),要綜合考慮這一系列因素。而且,筆者認(rèn)為,水體的壓縮性對(duì)動(dòng)水壓力計(jì)算結(jié)果的影響是巨大的,所以計(jì)算拱壩動(dòng)水壓力時(shí),必須考慮液體的壓縮性的影響。另外,計(jì)算動(dòng)水壓力時(shí),將庫底對(duì)壓力波的影響考慮為既有吸收也有反射才是合理的并較為結(jié)合現(xiàn)實(shí)的。

[1]Westergaard H M.Water Pressures on Dams During Earthquakes[J].Trans.Amer.Soc.Civ.Eng.,1933,98:418-433.

[2]R.Clough,Reservoir Interaction Effects on the Dynamic Response of A rch Dams,Proceedings of USPRC Bilateral Workshop on Earthquake Engineering,Harbin,China,Aug.,1982

[3]Ka-lun Fok,A.K.Chopra,Water Compressibility in Earthquake Response of Arch Dams,Journal of Structural Eng.,ASCE Vol.113,No.5,May,1987

[4]A.K.Chopra,Hydrodynam ic Effects in Earthquake Response of Arch Dams,Proceedings of China-USWorkshop on Earthquake Behavior of Arch Dams,Beijing,China,June,1987

[5]Katsubo S.External forces on arch dams during earthquakes[J].Memoirs Faculty ofEngineering,Kyushu University,Fukuoka,Japan,1961,20(4):327-360.

[6]Zienkiewicz O C,Nath B.Earthquake hydrodynam ic pressures on arch dams an electric analogue solution[J].Proc.Inst.Civ.Eng.,1963,25(May):165-176

[7]閻承大,張楚漢.拱壩地震動(dòng)水壓力分析的配點(diǎn)法 [J]地震工程與工程振動(dòng).1990,10(4).