西納川水庫心墻壩基巖上覆土層影響下動力響應特征研究

李一峰

(中國水利水電第四工程局有限公司，青海 西寧 810007)

水工建筑安全穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)靜、動力響應特征密切相關，而其響應特征由于多種因素有所關聯(lián)，比如閘門、心墻壩等水工建筑物，運營可靠性與其自身設計參數(shù)有關，同時也與工程運營公開密不可分。針對水工建筑物進行靜力響應特征計算，有助于推動水利工程安全可靠運營。黃利國、楊松等為研究閘門或水閘等水利設施的靜力特征，設計了不同水位工況下的結(jié)構(gòu)仿真計算，從閘門或水閘等結(jié)構(gòu)的應力、位移等特征，評價結(jié)構(gòu)設計或工程運營可靠性。張中昊等、王博等、孔憲京等為探討靜、動力響應綜合特征，借助仿真計算或模型試驗方法，探討了防滲墻、閘門以及心墻壩等水工結(jié)構(gòu)的應力、位移以及加速度等響應變化特征，為實際工程運營、建設提供依據(jù)。針對水工建筑動力響應特征，反映了結(jié)構(gòu)抗震能力，曾欣等、曹洋等引入不同的地震動荷載研究方法，如振型分解法、反應譜疊加等，研究了閘墩、水閘等結(jié)構(gòu)動力響應特征與設計參數(shù)關系，探討最適合結(jié)構(gòu)抗震設計方案，極大豐富了水工建筑結(jié)構(gòu)抗震設計參考成果。本文為研究西納川水庫心墻壩結(jié)構(gòu)動力響應特征，設計探討了不同心墻厚度、不同峰頻地震波下動力特征計算，為西納川水庫工程抗震設計提供了理論依據(jù)。

2 研究概況

2.1 工程簡介

西納川水庫乃是西寧地區(qū)重要水利樞紐工程，具有防洪、灌溉、輸供水等水利工程，設計運營后最大庫容量可達1133.8萬m3，最大壩高為56.8m，主壩軸長為461m，控制流域面積超過1500km2，惠及農(nóng)田超過3萬畝，實現(xiàn)西寧東南部地區(qū)豐、枯水季供水效率不低于95%。西納川水庫工程包括有心墻主壩、泄洪閘、引水隧洞以及配套輸水灌渠等，工程建設布置如圖1所示，采用圍堰導流施工方式，設計導流量為420m3/s，堰體內(nèi)設置有防滲墻、止水面板以及土工防滲膜等防滲結(jié)構(gòu)，堰坡內(nèi)最大滲透坡降不超過0.15，墻底部水頭值低于40m，設計方案經(jīng)模擬運營表明，圍堰浸潤線不超過堰坡1/3，最大孔隙水壓力低于400kPa。溢洪道工程與導流洞平行，位于主壩右側(cè)，涵蓋進水段、泄槽段以及消能段在內(nèi)，軸長為352m，采用寬尾墩、消能池以及尾坎等消能措施，最大消能率為47.8%，泄流量280m3/s，下游消能池出流段平穩(wěn)流速約為2.7m/s。根據(jù)溢洪道工程靜、動力特征計算，其最大拉應力不超過1.9MPa，拉應力主要集中于泄槽與進水渠耦接段，泄流段為階梯式溢流面，最大階梯尺寸為0.6m×0.45m，共有10級過渡段階梯與12級均勻段階梯，有效支撐起溢洪道泄流消能。溢洪道工程中溢流閘立面設計如圖2所示，進、出水渠段坡度分別為1/0.5、1/1，采用弧形鋼閘門作為擋水建筑，閘墩頂為倒梯形，設置橫梁與心墻主壩頂相接，泄洪最高水面線未超過溢流閘墩承臺底部，閘門面板上最大靜水壓力低于280kPa，設計最大泄流量為330m3/s，在該極限工況下閘墩、閘門以及壩頂連接梁等構(gòu)件應力均滿足安全允許值。不僅如此，西納川水庫作為農(nóng)業(yè)灌溉重要調(diào)節(jié)水源，心墻壩左側(cè)建設有節(jié)制閘樞紐如圖3所示，作為下游輸水灌渠重要控水樞紐。從西納川水庫運營穩(wěn)定性考慮，溢洪道、溢流閘以及節(jié)制閘等均依附于心墻主壩，而該壩體作為水庫發(fā)揮各項水利功能的關鍵，其上覆蓋土層厚度超過70m，且在不同壩段分布有不同覆蓋土層，如粗粒砂巖、細粒砂巖等。為確保西納川水庫運營可靠性，結(jié)合抗震設計分析，并基于心墻壩基巖上覆蓋土層特性差異，評價心墻壩結(jié)構(gòu)動力響應特征影響變化。

圖1 工程建設布置示意

圖2 溢流閘立面設計

圖3 節(jié)制閘樞紐

2.2 建模研究

基于西納川水庫心墻壩設計方案，采用ADINA仿真計算平臺建立心墻壩模型，如圖4(a)所示。該模型中簡化了部分附屬水工建筑，包括了心墻料、上、下游堆筑料以及基巖上覆蓋土層、基巖層等，共有3個大類分區(qū)，每一個分區(qū)相應的物理力學參數(shù)有所差別，實際取值按照室內(nèi)力學試驗設定，上覆蓋土層厚度H根據(jù)研究壩段確定。本文研究模型取自兩個壩段，壩高為52m，針對粗、細粒砂巖兩種不同土性的覆蓋層，相應的厚度按照覆蓋土層平均厚度確定，設定為65m，土體黏聚力分別設定為35k、42kPa，中值粒徑分別為3.6、1.2mm。圖4(b)為壩體心墻獨立模型，曲率半徑為8.5×10-4，心墻長度為62m，均為瀝青混凝土材料，其厚度設計參數(shù)還待優(yōu)化，相似工程研究表明心墻壩厚度分布為0.3～0.8m。計算模型中頂、底面均為單法向約束與全約束邊界，研究工況設定上游水位為52.5m，采用四邊體與六邊形單元進行模型網(wǎng)格劃分，共有86274個單元，76286個節(jié)點。

圖4 心墻壩計算模型

為確保計算結(jié)果可靠性，采用自然監(jiān)測地震波作為研究動荷載，蘭州地震波的水平、法向加速度時程特征如圖5所示。采用時程譜分解方法，對心墻壩結(jié)構(gòu)輸入地震動荷載，持續(xù)時長為30s，3種地震波峰頻均為0.2g，按照基本峰頻的1/4、2/4、3/4分別確定動荷載研究工況分別為0.05g、0.1g、0.15g。心墻壩2種上覆土層的動剪切模量系數(shù)分別為890、2260，力學本構(gòu)滿足粘彈性模型，相應動力放大系數(shù)按照剪切模量系數(shù)確定，法向剛度均為0.75，在動荷載研究工況與相關覆蓋土層參數(shù)的輸入下，研究心墻壩體動力響應變化特征。

圖5 地震波時程特征曲線

本工程心墻壩模型中包括了覆蓋土層特性、心墻厚度兩大因素，后者按照對比研究的原則，分別設定心墻厚度為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8m，在粗、細粒砂巖2種不同覆蓋土層下，研究心墻壩動力響應特征受自身設計參數(shù)以及地震波外荷載影響變化特性。

3 心墻壩結(jié)構(gòu)參數(shù)對心墻壩結(jié)構(gòu)動力響應影響

3.1 壩體加速度響應特征

基于上覆蓋土層不同土性下心墻壩動力響應特征計算，獲得了心墻不同厚度下壩體加速度響應特征變化如圖6所示。依據(jù)圖中加速度響應特征可知，心墻厚度愈大，則加速度響應水平愈高，心墻厚度增大，提高了壩體質(zhì)量放大系數(shù)，進而在動力響應計算中呈現(xiàn)較大的加速度響應水平。在粗粒砂巖覆蓋層中，壩體高度9m處心墻厚度0.3m下加速度響應值為0.3m/s2，而心墻厚度0.4、0.6、0.7m下相應加速度響應值較之分別提高了56.4%、161.2%、287.5%，尤以心墻厚度0.7、0.8m下加速度響應水平增幅顯著。從壩體加速度相應均值對比來看，在粗粒砂巖覆蓋層中，心墻厚度0.3m時響應均值為0.51m/s2，而隨心墻厚度每遞增0.1m，則加速度響應水平平均提高了36%，尤以在心墻厚度0.7、0.8m方案下，加速度響應均值平均提高了50.3%。當上覆蓋土層為細粒砂巖時，隨心墻厚度0.1m遞增，壩體結(jié)構(gòu)加速度響應均值平均提高了31.4%，心墻厚度0.3、0.5、0.8m下分別為0.27、0.5、1.35m/s2，同時也是在心墻厚度0.7、0.8m下加速度響應均值具有較顯著增幅，最大增幅達64.5%。分析表明，心墻對壩體動力響應特征影響包括了自身抗震能力和自重系數(shù)兩方面，當心墻厚度遞增，一方面可增大壩體結(jié)構(gòu)抗震能力，但不可忽視過大的結(jié)構(gòu)自重，會進一步加劇結(jié)構(gòu)動力響應特征，尤以心墻厚度超過一定節(jié)點，壩體結(jié)構(gòu)的動力響應水平將處于心墻體不可控狀態(tài)。

圖6 心墻不同厚度下壩體加速度響應特征

對比2種覆蓋土層下動力響應水平差異可知，同是心墻厚度0.4m，細粒砂巖覆蓋層下壩體高度15m處加速度響應值為0.3m/s2，而粗粒砂巖在該壩體高度、心墻厚度下較前者增大了72.9%；不止于此，對比壩體加速度響應均值，粗粒砂巖覆蓋層在心墻厚度0.5、0.8m下較之細粒砂巖覆蓋層分別增大了71.7%、70.8%。由此可知，粗粒砂巖在壩體動力響應中更為活躍，同時，細粒砂巖覆蓋層心墻壩加速度響應水平受心墻厚度影響弱于粗粒砂巖，表明前者細粒砂巖覆蓋層對地震波能量傳輸更為不利，更利于壩體結(jié)構(gòu)抗震。

3.2 壩體主應力響應變化

基于心墻壩動力響應特征計算，獲得了壩體大主應力影響變化如圖7所示。從壩體大主應力變化特征可知，在粗粒砂巖覆蓋層中，同一峰頻地震波下，壩體大主應力隨心墻厚度為“遞增-遞減-二次遞增”變化，其中二次遞增幅度高于一次增幅。粗粒砂巖覆蓋層中，地震波峰頻0.1g中，心墻厚度0.3m下大主應力為1.02MPa，而厚度0.4、0.6、0.8m下心墻厚度較之分別提高了26.4%、32%、101.6%，但在心墻厚度0.5～0.6m中大主應力具有遞減變化，而在心墻厚度0.3～0.5m與0.6～0.8m中大主應力分別具有平均增幅20.8%、23.7%。特別的，不同峰頻地震波工況下大主應力隨厚度變化的降幅段、增幅段均是如此，表明地震波峰頻對大主應力受心墻厚度影響變化趨勢無顯著效應。

圖7 地震波不同峰頻下壩體大主應力變化特征

當覆蓋層土性為細粒砂巖時，壩體大主應力隨心墻厚度為持續(xù)遞增變化，但在心墻厚度超過一定節(jié)點后增幅更顯著，在地震波峰頻0.05g中心墻厚度0.3、0.5m下大主應力分別為0.38、0.47m/s2，而在心墻厚度0.3～0.7m中大主應力平均提高了11.6%，在厚度0.7～0.8m中增幅達57.3%。當?shù)卣鸩ǚ孱l增大至0.1g、0.15g后，壩體大主應力受心墻厚度影響變化特征有所差異，如峰頻0.1g在心墻厚度0.6～0.8m中具有較高增幅，平均增幅達29.9%，而峰頻0.15g工況中陡增段出現(xiàn)在心墻厚度0.5m。當?shù)卣鸩ǚ孱l增大，壩體結(jié)構(gòu)隨心墻厚度陡增變化節(jié)點愈為提前。相比之下，不論是何種峰頻地震波，細粒砂巖大主應力響應水平均低于粗粒砂巖，地震波峰頻0.2g下各心墻厚度方案中大主應力差幅分布為2.3%～42.2%，此與細粒砂巖動力響應水平弱于后者有關。

4 地震波外荷載對心墻壩結(jié)構(gòu)動力響應影響

根據(jù)地震波不同峰頻下動力響應計算，獲得了粗、細粒砂巖覆蓋層壩體結(jié)構(gòu)加速度響應特征，如圖8所示。由圖中可知，同一種覆蓋土層中，地震波峰頻愈大，則加速度響應水平愈高，在粗粒砂巖覆蓋層中，峰頻0.05g、0.15g下壩體加速度響應均值分別為0.79、1.95m/s2，隨地震波峰頻0.05g遞增，壩體加速度響應均值平均提高了58.9%，而在細粒砂巖覆蓋層中，加速度響應均值平均增幅為50.2%，后者土性覆蓋層下動力響應水平受地震波峰頻影響敏感較弱。

圖8 地震波不同峰頻下心墻壩加速度響應特征

對比來看，在粗粒砂巖覆蓋層中，各峰頻工況中加速度響應水平均為“緩增-快增”變化，緩、快增幅轉(zhuǎn)變節(jié)點位于壩體高度24m處，地震波峰頻0.1g下快增段加速度響應值平均增大了8.4%。覆蓋土層為細粒砂巖時，4個峰頻工況中加速度響應值均為穩(wěn)定遞增變化，如峰頻0.15g中加速度響應均值為1.04m/s2，平均增幅為5.4%，而在峰頻0.05g、0.1g、0.2g中相應的平均增幅分別為9.6%、6.6%、4.9%。相比之下，細粒砂巖覆蓋層下，壩體結(jié)構(gòu)受地震動荷載影響作用較穩(wěn)定，無突變性，壩體高度方向上加速度響應值增幅也較穩(wěn)定，抗震設計時應尤為關注粗粒砂巖覆蓋層心墻壩。

5 結(jié)論

(1)心墻厚度愈大，加速度響應水平愈高，但厚度0.6m后，響應水平受之影響敏感性增強；細粒砂巖覆蓋層壩體結(jié)構(gòu)加速度、大主應力響應水平均弱于粗粒砂巖覆蓋層。

(2)粗粒砂巖覆蓋層下，壩體大主應力隨心墻厚度變化具有二次遞增段；細粒砂巖覆蓋層壩體結(jié)構(gòu)大主應力隨心墻厚度為遞增，且增大地震波峰頻，壩體大主應力陡增段心墻厚度節(jié)點愈提前。

(3)粗、細粒砂巖覆蓋層中，地震波峰頻增大0.05g，則壩體加速度響應均值分別平均提高了58.9%、50.2%；粗粒砂巖覆蓋層的壩體高度24m處具有加速度響應突變性，而細粒砂巖覆蓋層下響應值穩(wěn)定遞增，較為穩(wěn)定。