含裂縫拱壩在地震荷載作用下的局部損傷研究

段會(huì)文

（中國(guó)電力建設(shè)集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650033）

含裂縫拱壩在地震荷載作用下的局部損傷研究

段會(huì)文

（中國(guó)電力建設(shè)集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650033）

提出了含裂縫拱壩的動(dòng)力分析方法，采用彌散裂縫模型模擬混凝土的開(kāi)裂行為。將該方法應(yīng)用于某300.0 m級(jí)高拱壩帶縫工作時(shí)的局部損傷研究，考慮了裂縫位置對(duì)局部損傷程度的影響。結(jié)果表明，拱向裂縫在遭遇地震時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同程度的局部損傷。裂縫位于壩體中部高程時(shí)的局部損傷程度比位于壩體底部高程時(shí)嚴(yán)重；拱向裂縫距離壩體下游面越近，局部損傷越嚴(yán)重。拱向裂縫附近的局部損傷可能貫通甚至擴(kuò)展到鄰近壩段，因此，對(duì)壩體中的裂縫應(yīng)及時(shí)加以處理。

拱壩；裂縫；動(dòng)力反應(yīng)；局部損傷

1 問(wèn)題的提出

中國(guó)是建造拱壩最多的國(guó)家，幾乎占全世界拱壩數(shù)量的1/2。近年來(lái)，我國(guó)已建、在建和近期擬建的大型水電工程，大多數(shù)采用200.0 ～ 300.0 m級(jí)的高拱壩方案，且這些拱壩大多數(shù)建于高地震烈度區(qū)。如位于瀾滄江的小灣水電站，壩高294.5 m(已建最高拱壩)；位于金沙江的白鶴灘和溪洛渡水電站，壩高分別為289.0，278.0 m；位于黃河的拉西瓦水電站，壩高250.0 m；位于雅礱江的錦屏一級(jí)水電站，壩高305.0 m(在建最高拱壩)。拱壩體型單薄，屬相對(duì)柔性的復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，其在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)非常復(fù)雜。裂縫會(huì)降低拱壩的整體性，如不及時(shí)控制，遭遇地震后，裂縫可能貫通而導(dǎo)致壩體局部破壞甚至潰決。

由于設(shè)計(jì)方法的缺陷、粗放型大規(guī)模施工的質(zhì)量難以控制等眾多因素，要建造永不開(kāi)裂的混凝土高拱壩是很困難的，尤其是對(duì)于300.0 m級(jí)的高拱壩，很多技術(shù)難題更是始料未及。隨著壩體的不斷澆筑，自重應(yīng)力增大；蓄水后水位上升，靜水壓力增大，以及地震荷載作用下動(dòng)水壓力的產(chǎn)生，均有可能導(dǎo)致裂縫發(fā)展。

當(dāng)前，針對(duì)拱壩和混凝土重力壩遭遇強(qiáng)震后的損傷破壞分析方法及模型試驗(yàn)研究已有很多報(bào)導(dǎo)[1-6]，而對(duì)于拱壩產(chǎn)生裂縫后，拱壩的動(dòng)力分析模型及裂縫附近的局部損傷還研究甚少。國(guó)際大壩委員會(huì)抗震專委會(huì)主席Martin Wieland等[7]提出了拱壩遭遇地震損傷后，混凝土壩塊的穩(wěn)定性分析簡(jiǎn)化方法，并應(yīng)用于土耳其德里內(nèi)爾拱壩(250.0 m)的動(dòng)力穩(wěn)定性分析；常曉林等[8]對(duì)緊水灘拱壩施工期形成的多條水平裂縫進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，研究了裂縫穩(wěn)定性與裂縫位置和縫面滲透壓力的關(guān)系；張雄[9]等針對(duì)小灣拱壩出現(xiàn)的拱向裂縫，分析了水位上升后，裂縫的穩(wěn)定性，并研究了2種裂縫加固處理措施的效果。本文以某300.0 m級(jí)高拱壩為例，分析了地震荷載作用下，含裂縫拱壩的局部損傷行為。

2 含裂縫拱壩的有限元模型

某300.0 m級(jí)混凝土雙曲拱壩，設(shè)計(jì)地震加速度為0.197g。為了分析地震荷載作用下，含裂縫拱壩的局部損傷情況，采用ANSYS軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬。其中，庫(kù)水采用Fluid30聲學(xué)流體單元模擬，具有壓力自由度；壩體—壩基滿足彈性方程，壩體采用Solid65混凝土單元，可以模擬混凝土開(kāi)裂行為。壩體與庫(kù)水交界面上滿足力的平衡條件，庫(kù)水自由面約束壓力自由度，庫(kù)尾采用無(wú)限邊界，壩基截?cái)噙吔缟喜捎灭椥匀斯み吔纾捎肳ildlife地震波激振。按順河向(X方向)峰值加速度為設(shè)計(jì)地震加速度0.197g對(duì)Wildlife波進(jìn)行等比例縮放，橫河向(Z方向)和豎向(Y方向)峰值加速度取順河向的2/3，修正后的波形見(jiàn)圖1，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)20.00 s，時(shí)間步長(zhǎng)取0.02 s，Wildlife波的反應(yīng)譜與規(guī)范譜的對(duì)比見(jiàn)圖2。

圖1 Wildlife地震波時(shí)程圖

圖2 Wildlife地震波反應(yīng)譜圖

取壩基尺寸為1 200 m×600 m×1 200 m，庫(kù)水位采用正常蓄水位，對(duì)庫(kù)區(qū)地質(zhì)地形條件進(jìn)行了簡(jiǎn)化。壩基的動(dòng)彈模取26 GPa，密度為2 500 kg/m3，泊松比為0.250；拱壩的動(dòng)彈模取39 GPa，密度為2 400 kg/m3，泊松比為0.163；庫(kù)水密度為1 000 kg/m3，水中聲速為1 430 m/s。在壩體—庫(kù)水、庫(kù)水—壩基的交界面上設(shè)置流固耦合邊界，在庫(kù)尾設(shè)置無(wú)限邊界，基巖截?cái)嗝嫔显O(shè)置彈簧阻尼單元模擬黏彈性人工邊界[11]；不考慮庫(kù)水表面的面波效應(yīng)及庫(kù)底吸收性；壩段間橫縫及裂縫界面采用接觸單元，為了模擬鍵槽對(duì)壩體間相對(duì)滑移的約束作用，本文通過(guò)耦合橫縫界面的切向自由度以忽略壩體間的相對(duì)滑移。采用瑞利阻尼，比例系數(shù)根據(jù)前5階自振頻率由式(1)確定。整體有限元模型見(jiàn)圖3，共劃分單元132 760，其中壩體劃分為43 216個(gè)單元。

式中：α和β分別為質(zhì)量矩陣比例系數(shù)和剛度矩陣比例系數(shù)；ωi為第i階自振頻率(Hz)；ζi為第i階模態(tài)的阻尼比，取前5階模態(tài)的阻尼比為5%，α和β可采用線性回歸得到。

根據(jù)小灣水電站的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，拱向裂縫主要分布在河中壩段的中部和下部高程，裂縫未延伸至壩基，裂縫的高度主要集中在20.0 ～ 50.0 m范圍內(nèi)。選取16 #壩段進(jìn)行分析（見(jiàn)圖4），假設(shè)在16 #壩段下部高程和中部高程的不同位置產(chǎn)生了1條高度約40 m的裂縫，縫面采用接觸單元模擬，計(jì)算工況見(jiàn)表1。工況2 ～ 7的裂縫位置見(jiàn)圖5，工況3的橫縫和裂縫界面接觸單元見(jiàn)圖6。

圖3 有限元模型圖

圖4 16#壩段所在位置圖

表1 計(jì)算工況表

圖5 各工況裂縫位置圖

圖6 工況3橫縫和裂縫界面接觸單元圖

3 分析結(jié)果

工況1的壩體損傷開(kāi)裂情況見(jiàn)圖7，開(kāi)裂部位主要集中于上游面壩基和壩體下游面中上部位，拱冠梁右側(cè)壩段的損傷開(kāi)裂情況比左側(cè)嚴(yán)重，位于河中的13 #、14 #壩段及靠近左岸的1 # ～ 6 #壩段損傷輕微。從力學(xué)上分析，當(dāng)壩體豎向受壓時(shí)，由于泊松效應(yīng)，將在壩體拱向和徑向產(chǎn)生拉應(yīng)變，而壩體拱向變形受到相鄰壩段的約束，因此將在徑向產(chǎn)生較大的拉應(yīng)變，若壩體中含有拱向裂縫，裂縫將會(huì)張開(kāi)。同理，當(dāng)壩體拱向受壓時(shí)，也有可能在徑向產(chǎn)生拉應(yīng)變而導(dǎo)致裂縫張開(kāi)。但分析結(jié)果表明，裂縫界面接觸單元的開(kāi)度接近零，所有工況的最大開(kāi)度僅為0.2 mm（工況7），可能是由于受到相鄰壩段切向約束所致。各工況裂縫面的最大相對(duì)滑移量見(jiàn)表2，在同一高程處，裂縫離壩體下游面越近，滑移量越大；裂縫位于壩體下部高程時(shí)的滑移量比位于中部高程時(shí)的大。

表2 裂縫面最大相對(duì)滑移量表

工況2 ～ 7的壩體總體損傷開(kāi)裂情況與工況1相似，僅裂縫附近局部區(qū)域有所區(qū)別，各工況16 #壩段的損傷開(kāi)裂情況見(jiàn)圖8，11 #和13 #壩段算上開(kāi)裂情況見(jiàn)圖9?？梢钥闯觯河捎趬误w中部高程部位本身就處于開(kāi)裂的集中區(qū)，該部位的拱向裂縫附近更容易發(fā)生局部損傷，因此，拱向裂縫位于壩體中部高程時(shí)（工況5 ～ 7）的局部損傷程度比拱向裂縫位于壩體底部高程時(shí)（工況2 ～ 4）嚴(yán)重。拱向裂縫距離壩體下游面越近，局部損傷越嚴(yán)重。拱向裂縫靠近壩體上游面時(shí)，局部損傷輕微。工況3壩體下游面中上部位的損傷有向上發(fā)展的趨勢(shì)，其它工況該壩段上游面壩基和壩體下游面中上部位的損傷沒(méi)有明顯發(fā)展。拱向裂縫位于壩體中部高程靠近壩體下游面時(shí)（工況7），裂縫有貫通的趨勢(shì)，應(yīng)引起高度重視。

圖7 工況1壩體損傷開(kāi)裂部位圖

圖8 16#壩段損傷開(kāi)裂情況圖

圖9 11#和13#壩段損傷開(kāi)裂情況圖

16 #壩段拱向裂縫附近的局部損傷沒(méi)有擴(kuò)展到15 #壩段，工況4、6、7的局部損傷擴(kuò)展到了17 #壩段，其它工況的局部損傷沒(méi)有擴(kuò)展到17 #壩段（見(jiàn)圖10）。可以看出：拱向裂縫附近的局部損傷不僅只在本壩段產(chǎn)生，還可能影響鄰近壩段。對(duì)于本文計(jì)算工況，當(dāng)拱向裂縫位于16 #壩段下部高程靠近壩體下游面或16 #壩段中部高程壩體中部和靠近壩體下游面時(shí)，會(huì)使17 #壩段相應(yīng)部位產(chǎn)生局部損傷，拱向裂縫位于16 #壩段中部高程靠近壩體下游面時(shí)（工況7），在17 #壩段相應(yīng)部位產(chǎn)生的裂縫與中上部的裂縫同樣有貫通的趨勢(shì)。

圖10 17#壩段損傷開(kāi)裂情況圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)含有拱向裂縫的拱壩在地震荷載作用下的局部損傷進(jìn)行初步研究，得到如下結(jié)論：

（1）拱向裂縫位于壩體中部高程時(shí)的局部損傷程度比拱向裂縫位于壩體底部高程時(shí)嚴(yán)重；拱向裂縫距離壩體下游面越近，局部損傷越嚴(yán)重；拱向裂縫位于壩體中部高程靠近下游面時(shí)，裂縫有貫通的趨勢(shì)，應(yīng)引起高度重視。

（2）拱向裂縫附近的局部損傷不僅僅只在本壩段產(chǎn)生，在鄰近壩段相應(yīng)部位也可能產(chǎn)生局部損傷，且裂縫同樣有可能貫通。

（3）裂縫的發(fā)展勢(shì)必會(huì)危及整個(gè)大壩的安全，因此，對(duì)壩體中的裂縫應(yīng)引起高度重視，及時(shí)加以處理，尤其是壩體中部高程靠近下游面的裂縫。

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（責(zé)任編輯 郎忘憂）

Local Damage Research of Arch Dam with Crack under Earthquake

Duan Hui - wen
( Kunming Engineering Corporation，Power Construction Corporation of China，Kunming 650033，Yunnan，China)

The dynamic analysis method for arch dam with crack was proposed in this paper，in which smear crack model was employed to simulating cracking behaviors of concrete. Based on this method, the local damage of a 300.0 meters level high arch dam working with crack was studied，considering the influence of crack position to local damage degree. The results show that various degrees of local damage will be produced nearby the crack when arch dam undertakes earthquake. The local damage degree of crack located in dam middle height is more serious than the one in dam lower height. The closer the crack nearby the downstream，the more serious the local damage is. The local damage nearby the crack may coalesce and even spread to neighbour dam section，so timely treatment to these cracks is necessary.

arch dam；crack；dynamic response；local damage

TV697

A

1008 - 701X(2017)03 - 0058 - 04

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.03.017

2016-12-22

段會(huì)文(1974 - )，男，高級(jí)工程師，碩士，主要從事大壩及邊坡監(jiān)測(cè)、巖土工程等方面的研究。