深厚覆蓋層上土石壩地震響應(yīng)分析

朱殿英，董景剛，匡啟兵

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021）

地震作用時，覆蓋層不僅對大壩加速度反應(yīng)有影響，對心墻應(yīng)力，壩體位移等均有影響。本文主要工作為研究深厚覆蓋層土石壩二維地震動力反應(yīng)，初步分析地震情況下覆蓋層對土石壩大壩加速度放大、動位移的影響。

計算過程中以旁多水利樞紐工程壩體參數(shù)為依據(jù)，以心墻壩為例，計算不同覆蓋層厚度對不用壩高地震反應(yīng)的影響，從而得到覆蓋層對大壩反應(yīng)的影響程度，為實際工程提供借鑒。

1 計算模型與參數(shù)

1.1 計算模型

本文計算中采用壩高為 50，100，150，200 m，覆蓋層厚度為 0 m，40，80，120，160，200 m 的心墻壩。壩頂寬度12 m，上下游壩坡均取為1∶1.8。心墻坡比取1/80。壩高100 m，無覆蓋層和覆蓋層100 m大壩有限單元網(wǎng)格見圖1、圖2。

1.2 計算參數(shù)

本章地震反應(yīng)分析采用有限單元法，先進行靜力計算分析，為動力計算提供覆蓋層與壩體的初始應(yīng)力狀態(tài)，然后進行動力部分計算。

1）在靜力計算中，采用鄧肯—張彈性非線模型，在非線性分析中采用中點增量法。靜力模型計算參數(shù)見表1。

2）在動力計算中，采用等效線性粘—彈性模型。

筑壩材料的動力參數(shù)采用表2。地震波時程曲線見圖3。

1.3 計算工況

計算工況見表3。

2 計算結(jié)果分析

2.1 無覆蓋層大壩反應(yīng)的影響

研究建在深厚覆蓋層上大壩動力反應(yīng)時，先計算無覆蓋層時大壩反應(yīng)，即大壩直接建在基巖上。計算模型壩高分別為 50，100，150，200 m，地震動輸入值分別為 0.1，0.2，0.4 g。

大壩隨著輸入加速度值的增大，壩頂加速度放大倍數(shù)減小。隨著壩高的增加，大壩自振周期變長，對應(yīng)反應(yīng)譜段將減小，大壩反應(yīng)有減小的趨勢，如壩高50 m到150 m，反應(yīng)是減小的。但是200 m的大壩反應(yīng)又變大了，可能是高壩頂部鞭梢效應(yīng)的影響。

表1 靜力模型計算參數(shù)（參考旁多水利樞紐工程壩體參數(shù)）

表2 動力模型計算參數(shù)

表3 計算工況

2.2 不同覆蓋層厚度對壩頂加速度放大倍數(shù)的影響

不同覆蓋層厚度對壩頂加速度放大倍數(shù)的影響見圖4。

從圖4可以看出，隨著加速度的增加，壩頂放大倍數(shù)整體上都有減小的趨勢。主要原因是隨著加速度的增加，覆蓋層和壩體的非線性特性增強，阻尼作用增大。但是有覆蓋層情況下和無覆蓋層情況下，大壩動力反應(yīng)并沒有很好的規(guī)律，放大倍數(shù)有大有小。因為覆蓋層對于地震波的頻譜特性有很大影響，再加上模型的頻率對應(yīng)的地震波反應(yīng)譜段有事并不是光滑變化，而是波動的下降或者上升。

2.3 不同覆蓋層厚度對大壩動位移的影響

地震作用對大壩會有動位移，位移過大的話，大壩就會不穩(wěn)定。存在覆蓋層時，對大壩動位移會產(chǎn)生影響。以100 m壩高，覆蓋層厚度分別為40，80，120，160，200 m，輸入地震動為 0.1，0.2，0.4 g，計算覆蓋層對大壩動位移的影響，見圖5。

圖5 覆蓋層對動位移的影響

從圖5可以看出，隨著輸入值的增大，大壩水平動位移逐漸增大。隨著覆蓋層厚度的增加，大壩水平動位移也逐漸增加。地震動越大，地震作用力越大，壩頂動位移也就會增大。在地震作用下，壩基動位移和壩體相對動位移疊加得到壩頂?shù)目倓游灰?。覆蓋層厚度增加，壩基的動位移增大，壩頂總位移也隨之增大。

3 結(jié)語

1）隨著覆蓋層厚度的增加，加速度反應(yīng)整體有減小的趨勢，但是由于模型基頻特性的影響，可能出現(xiàn)時大時小的狀況。

2）隨著輸入值的增大，大壩水平動位移逐漸增大。隨著覆蓋層厚度的增加，大壩水平動位移也逐漸增加。

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