堆石壩壩肩岸坡段防滲墻地震反應(yīng)規(guī)律

董園林++鄧銳敏++陳書燕

摘 要：以某堆石壩工程為背景，采用基于子模型法的三維非線性有限元對(duì)其右岸岸坡段防滲墻進(jìn)行地震反應(yīng)規(guī)律研究，采用薄層單元模擬各種接觸面，壩體材料及覆蓋層采用Hardin-Drnevich本構(gòu)模型，分析得到岸坡段防滲墻與壩基防滲墻地震動(dòng)力反應(yīng)規(guī)律有較大差異。設(shè)計(jì)地震對(duì)岸坡段防滲墻的運(yùn)行狀態(tài)影響較大，考慮岸坡段防滲墻的抗震安全性是非常必要的。

關(guān)鍵詞：岸坡段防滲墻 堆石壩 動(dòng)力反應(yīng) 子模型法

混凝土防滲墻是深厚覆蓋層壩基上比較有效和經(jīng)濟(jì)的垂直防滲設(shè)施，諸多學(xué)者對(duì)壩基防滲墻的應(yīng)力變形狀態(tài)進(jìn)行了深入探討，但對(duì)岸坡段防滲墻應(yīng)力變形狀態(tài)研究較少。岸坡段防滲墻是對(duì)兩岸壩肩覆蓋層進(jìn)行防滲處理的主要措施，其結(jié)構(gòu)形式與壩基防滲墻差別較大，導(dǎo)致兩者應(yīng)力變形分布規(guī)律有較大差異。

某瀝青混凝土心墻堆石壩最大壩高91.5m，壩址處河道基本順直，河谷呈較為對(duì)稱的“V”型。在壩軸線附近，現(xiàn)代河床位于河谷右岸，覆蓋層厚35m～85m；左岸壩軸線處基巖裸露，右岸坡面局部見基巖出露，其余坡面則被第四系崩、坡積及泥石流混合堆積塊、碎石夾粘土所覆蓋，厚度18m～50m。場(chǎng)地地震基本烈度為7度。本文采用子模型技術(shù)對(duì)該瀝青堆石壩岸坡段防滲墻進(jìn)行了精細(xì)模擬，在三維非線性靜力分析基礎(chǔ)上，基于時(shí)程法對(duì)岸坡段防滲墻進(jìn)行了地震動(dòng)力計(jì)算分析，以揭示岸坡段防滲墻的靜動(dòng)力特性，從而對(duì)抗震安全性作出正確評(píng)價(jià)并為同類工程提供參考。

計(jì)算模型

堆石壩岸坡段防滲墻、防滲墻上下游接觸以及防滲墻與心墻之間的接頭等多個(gè)細(xì)部構(gòu)造與大壩整體結(jié)構(gòu)尺寸相差十分懸殊，將其與大壩整體同時(shí)進(jìn)行有限元計(jì)算分析具有一定的難度。因此有必要采用子模型技術(shù)以降低整體建模的難度以及提高關(guān)心部位結(jié)構(gòu)的計(jì)算精度。圖1為大壩有限元整體模型及岸坡段防滲系統(tǒng)子模型。其中有限元整體模型規(guī)模為39884個(gè)結(jié)點(diǎn)、38754個(gè)單元。岸坡段子模型中包括岸坡段防滲墻、部分防滲墻心墻以及防滲墻與心墻的接頭等細(xì)部。該子模型由30425個(gè)結(jié)點(diǎn)、29348個(gè)單元組成。

基巖和混凝土均采用線彈性本構(gòu)模型，且動(dòng)彈模在靜彈模的基礎(chǔ)上提高30%，采用無(wú)質(zhì)量地基。靜力計(jì)算中基巖彈模取10GPa，泊松比0.3；岸坡段防滲墻及其接頭彈模均取2.5GPa，泊松比0.167，密度2400 kg/m3。土石料和瀝青混凝土的靜力本構(gòu)關(guān)系采用Duncan雙曲線E-B模型，動(dòng)力本構(gòu)關(guān)系采用Hardin-Drnevich模型，防滲墻上下游側(cè)的泥皮以及墻底殘?jiān)雀鞣N接觸面采用有厚度的動(dòng)力薄層單元來(lái)模擬。

綜合考慮壩址地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、潛在震源震級(jí)及震中距等因素，動(dòng)力計(jì)算中選取Taft三向地震波進(jìn)行分析。工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。

計(jì)算結(jié)果分析

1、岸坡段防滲墻加速度反應(yīng)

圖2（a）為岸坡段防滲墻頂部加速度包絡(luò)值分布曲線。在Taft波作用下，三個(gè)方向加速度反應(yīng)由右側(cè)向左側(cè)逐漸增大，由于岸坡段防滲墻位置較壩基防滲墻高，但其位于右岸壩肩覆蓋層中，故加速度反應(yīng)較壩基防滲墻大且較瀝青混凝土心墻小。

2、岸坡段防滲墻動(dòng)力變形

圖2（b）為岸坡段防滲墻頂部動(dòng)位移包絡(luò)值分布；由圖可知，動(dòng)位移反應(yīng)由墻右側(cè)到左側(cè)逐漸增大，在防滲墻左側(cè)墻頂附近動(dòng)位移反應(yīng)最大；由于河床中央壩體的沉降變形，將岸坡段防滲墻向河床中央拖拽，使得防滲墻整體有向左岸變形的趨勢(shì)。

3、岸坡段防滲墻地震動(dòng)應(yīng)力

在Taft波的作用下，岸坡段防滲墻因?yàn)槲挥趬渭珥敳浚瑒?dòng)應(yīng)力反應(yīng)較大。動(dòng)靜疊加后，防滲墻最大橫河向正應(yīng)力表現(xiàn)為全斷面基本受拉，拉應(yīng)力區(qū)域擴(kuò)大，橫河向最大拉應(yīng)力由靜力工況下的4.07 MPa增加為6.13 MPa，增幅達(dá)50.6%，出現(xiàn)在防滲墻右岸墻頂。圖3為經(jīng)動(dòng)靜疊加后防滲墻中心縱剖面橫河向正應(yīng)力超過C40混凝土動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度2.223 MPa的區(qū)域。

結(jié)論

堆石壩岸坡段防滲墻位于右岸壩肩，動(dòng)力反應(yīng)較壩基防滲墻大。在Taft地震波作用下，加速度反應(yīng)由防滲墻右側(cè)向左側(cè)逐漸增大，這與壩基防滲墻動(dòng)力反應(yīng)在河床中央最大的規(guī)律不同。

由于河床中央壩體的沉降變形，將岸坡段防滲墻向河床中央拖拽，使得防滲墻整體有向左岸變形的趨勢(shì)，與壩基防滲墻橫河向位移向河床中央收縮變形的規(guī)律不同。

動(dòng)靜疊加后，本工程案例中岸坡段防滲墻橫河向拉應(yīng)力超過C40混凝土抗拉強(qiáng)度的區(qū)域相對(duì)于靜力工況增大，橫河向最大拉應(yīng)力較靜力工況增幅達(dá)50.6%，局部區(qū)域增幅可達(dá)146%，因此應(yīng)加強(qiáng)岸坡段防滲墻上部的配筋，并預(yù)埋灌漿管，以便于裂縫發(fā)生后進(jìn)行灌漿封堵。

參考文獻(xiàn)：

[1] 萬(wàn)彪，何蘊(yùn)龍，熊堃.有厚度節(jié)理單元的開發(fā)與應(yīng)用[J].水電能源科學(xué)，2008，26（4）：63-66.

（作者單位：四川省港航開發(fā)有限責(zé)任公司）endprint