基于有限元法的大壩抗震安全評價(jià)

(1.山西省汾河二庫管理局，山西 太原 030012；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210098)

1 工程概況

汾河二庫位于太原市尖草坪區(qū)與陽曲縣交界的懸泉寺，上游距汾河水庫80km，下游距太原市區(qū)30km[1]。控制流域面積2348km2，多年平均入庫徑流量1.45億m3，工程由攔河大壩、供水發(fā)電洞和引水式發(fā)電站組成。攔河大壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂長227.7m，壩頂高程912.00m，最大壩高88m。大壩中部設(shè)溢流表孔壩段，共3孔，孔口尺寸12m×6.50m(寬×高)，總長48m，溢流堰堰頂高程902.00m。溢流表孔壩段兩側(cè)設(shè)泄流沖沙底孔，均為2孔，孔口尺寸5.80m×6m(寬×高)，進(jìn)口底板高程859.00m，總庫容1.33億m3。汾河二庫是汾河上游干流上一座以防洪、供水為主，兼有發(fā)電、旅游等綜合效益的大(2)型水利樞紐工程。

工程原地震設(shè)計(jì)烈度為7度，根據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)[2]，工程區(qū)域地震動(dòng)峰值加速度為0.20g，地震基本烈Ⅷ度，因此，需按8度地震對大壩進(jìn)行抗震安全評價(jià)。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

選取溢流表孔壩段0+125斷面建立三維有限元模型，為了計(jì)算簡便，將壩體和邊界條件進(jìn)行了相應(yīng)的簡化。壩基深度取52m，順?biāo)鞣较蛉?32m，壩軸線方向基巖外延67m。模型見圖1。

圖1 壩體有限元計(jì)算斷面圖

依據(jù)《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB 35047—2015)[3]以及《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 319—2005)[4]，抗震設(shè)計(jì)荷載組合為特殊組合(2)，考慮荷載組合包括自重+正常蓄水位水壓力+揚(yáng)壓力+泥沙壓力+浪壓力+地震作用。其中正常蓄水位905.70m，地震作用依據(jù)地震動(dòng)基本參數(shù)峰值加速度0.20g、特征周期0.40s由人工生成地震加速度值確定(見圖2～圖4)。

圖2 X向加速度(順河方向)

圖3 Y向加速度(豎直方向)

圖4 Z向加速度(壩軸方向)

大壩混凝土密度為2526kg/m3，彈性模量E=26.90GPa，泊松比μ=0.167；基巖密度為2750kg/m3，彈性模量E=50GPa，泊松比μ=0.20。

3 大壩抗震安全計(jì)算

3.1 動(dòng)力分析結(jié)果

采用時(shí)程分析方法[5-6]計(jì)算泄流沖沙底孔壩段的動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)位移，壩頂順河向最大位移47.12mm，豎直方向最大位移-16.51mm。壩踵處為壓應(yīng)力，最大值為3.71MPa，壩趾處為壓應(yīng)力，最大值為6.32MPa，滿足混凝土應(yīng)力要求。圖5～圖8為壩體位移及應(yīng)力響應(yīng)典型時(shí)程過程，圖9為壩體典型位移分布。

圖5 壩頂位移時(shí)程過程(順河向)

圖6 壩頂位移時(shí)程過程(豎直方向)

圖7 壩踵應(yīng)力時(shí)程過程

圖8 壩趾應(yīng)力時(shí)程過程

3.2 抗滑穩(wěn)定復(fù)核

經(jīng)計(jì)算，溢流表孔壩段抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為2.62。根據(jù)規(guī)范要求，對于抗剪斷強(qiáng)度分析，特殊組合(2)安全系數(shù)應(yīng)不小于2.3?？梢?，溢流表孔壩段在地震作用工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

3.3 孔口應(yīng)力分析

孔口應(yīng)力主要分析了進(jìn)口部位A、B兩處的X、Y

向應(yīng)力。相對來說，拉壓應(yīng)力都較小，上部A點(diǎn)拉應(yīng)力0.5MPa左右，壓應(yīng)力在1.7MPa左右；對于B點(diǎn)，拉應(yīng)力在0.8MPa左右，壓應(yīng)力稍大，為3MPa左右，能夠滿足混凝土強(qiáng)度要求?？卓趹?yīng)力測點(diǎn)見圖10，A點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程過程見圖11，B點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程過程見圖12。

圖9 位移分布

4 結(jié) 論

在高烈度地震作用下，重力壩的抗震安全直接關(guān)系到下游人民生命和財(cái)產(chǎn)安全，因此，對重力壩的抗震安全研究具有較大的現(xiàn)實(shí)意義[7]。本文通過大型通用有限元軟件ANSYS，建立充分模擬基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)的三維模型，采用模態(tài)分析反應(yīng)譜法[8-9]進(jìn)行地震動(dòng)力計(jì)算，對大壩的應(yīng)力應(yīng)變、抗滑穩(wěn)定及孔口應(yīng)力進(jìn)行分析，進(jìn)而綜合評價(jià)大壩抗震安全性。結(jié)果表明：在8度地震情況下，大壩抗震安全滿足規(guī)范要求，其研究成果對類似工程具有一定參考和借鑒意義。

圖10 孔口應(yīng)力測點(diǎn)

圖11 孔口A點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程過程

圖12 孔口B點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程過程