烏東德高拱壩振動(dòng)臺(tái)動(dòng)力模型試驗(yàn)研究

熊 堃,胡清義,曹去修

(1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430010;2.國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心,湖北 武漢 430010)

中國(guó)特高拱壩遭受震害的實(shí)例并不多,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),國(guó)內(nèi)外24座100 m級(jí)高拱壩受到影響的僅為8座,修建在強(qiáng)震區(qū)的壩高200 m以上的高拱壩經(jīng)受強(qiáng)震作用的實(shí)例更少。同時(shí),中國(guó)現(xiàn)行抗震規(guī)范[1]主要針對(duì)高度200 m以下拱壩,當(dāng)前拱壩抗震設(shè)計(jì)研究經(jīng)驗(yàn)還難以全面滿(mǎn)足中國(guó)西部高地震烈度區(qū)的一系列200 m級(jí)到300 m級(jí)高拱壩工程建設(shè)的要求[2]。在缺乏足夠且有效的高拱壩原型地震破壞觀測(cè)資料的情況下,振動(dòng)臺(tái)動(dòng)力模型試驗(yàn)是研究探討高拱壩地震破壞模式和破壞機(jī)理的有效途徑之一。

自20世紀(jì)60年開(kāi)始,中國(guó)水利水電科學(xué)研究院[3-7]就開(kāi)始逐步開(kāi)展拱壩及重力壩的振動(dòng)臺(tái)動(dòng)力模型破壞試驗(yàn)的研究工作,研究提出了模型相似材料、振動(dòng)臺(tái)地震波輸入、大壩-地基-庫(kù)水相互作用、壩體橫縫、壩肩關(guān)鍵滑裂體和人工阻尼邊界等一系列試驗(yàn)技術(shù),最大限度模擬了影響拱壩地震響應(yīng)的各種主要因素,并應(yīng)用于龍羊峽、溪洛渡、小灣、大崗山等工程,試驗(yàn)結(jié)果為深入認(rèn)識(shí)拱壩在地震作用下的響應(yīng),全面評(píng)價(jià)拱壩的抗震性能提供了重要依據(jù)。大連理工大學(xué)[8-10]、清華大學(xué)[11-12]、河海大學(xué)[13]等單位也開(kāi)展了高拱壩動(dòng)力模型試驗(yàn)研究方面的工作。鐘紅等[14]針對(duì)拱壩在地震作用下的破壞機(jī)理問(wèn)題,通過(guò)動(dòng)力模型破壞試驗(yàn)以及數(shù)值模擬的相互驗(yàn)證,指出大壩頂拱中部附近是高拱壩抗震設(shè)防的關(guān)鍵部位。王海波等[7]指出了拱壩系統(tǒng)動(dòng)態(tài)物理模型的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在模型邊界條件模擬和模型材料與模型加工2個(gè)方面,其中模型邊界條件涉及到拱壩系統(tǒng)有限模型的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射阻尼效應(yīng)模擬和系統(tǒng)地震動(dòng)輸入模擬,模型材料主要困難在于抗拉強(qiáng)度的模擬,其關(guān)系到壩體損傷破壞成果。

金沙江烏東德水電站是中國(guó)第四座、世界第七座跨入千萬(wàn)千瓦級(jí)行列的巨型水電站,混凝土雙曲拱壩最大壩高270 m,設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度0.285g,校核地震動(dòng)峰值加速度0.348g,大壩抗震安全問(wèn)題較為突出。本文給出了烏東德拱壩振動(dòng)臺(tái)動(dòng)力模型試驗(yàn)的研究成果,與數(shù)值模擬計(jì)算成果[15]進(jìn)行對(duì)比,分析烏東德拱壩的地震破壞模式與抗震薄弱環(huán)節(jié),該成果為大壩的抗震安全評(píng)價(jià)與抗震措施設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 工程概況

烏東德大壩為拋物線(xiàn)雙曲拱壩,最大壩高270 m,抗震設(shè)防類(lèi)別為甲類(lèi),設(shè)計(jì)地震和校核地震加速度代表值分別取基準(zhǔn)期100 a內(nèi)超越概率2%和1%的地震動(dòng)峰值加速度,分別為0.285g、0.348g。在大壩體形的抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中,采用了“靜力設(shè)計(jì),動(dòng)力調(diào)整”的新方法[15],以動(dòng)力拱梁分載反應(yīng)譜法開(kāi)展抗震分析并不斷調(diào)整大壩體形,使其在基本烈度地震的條件下滿(mǎn)足拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范的應(yīng)力控制指標(biāo),提高了壩體抗震性能?？尚行匝芯侩A段大壩體形的特征參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1,三維效果見(jiàn)圖1。

圖1 大壩體形三維效果

表1 烏東德拱壩體形特征參數(shù)、技術(shù)指標(biāo)

2 模型設(shè)計(jì)

烏東德高拱壩振動(dòng)臺(tái)動(dòng)力模型試驗(yàn)委托中國(guó)水利水電科學(xué)研究院工程抗震研究中心[16]完成,該試驗(yàn)對(duì)拱壩、壩體橫縫、地基、庫(kù)水及無(wú)限地基的輻射阻尼效應(yīng)等影響拱壩系統(tǒng)地震響應(yīng)的主要因素進(jìn)行了模擬。試驗(yàn)首先在正常蓄水位和死水位條件下分別進(jìn)行設(shè)計(jì)地震動(dòng)水平和校核地震動(dòng)水平的加振,以評(píng)價(jià)拱壩在設(shè)計(jì)地震和校核地震條件下的抗震安全度,然后在正常蓄水位條件下進(jìn)行超載加振,以研究大壩地震的破壞模式與極限抗震能力。

振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面尺寸5 m×5 m,最大載重量20 t,試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂傮w布置與試驗(yàn)情況見(jiàn)圖2,包括壩基、壩體、水庫(kù)及阻尼邊界。長(zhǎng)度比尺受振動(dòng)臺(tái)的最大載重量及臺(tái)面尺寸所限取為280;試驗(yàn)中由于庫(kù)水液體只能采用普通水,故材料密度比尺取為1.0;同時(shí),試驗(yàn)只能在常重力場(chǎng)條件下進(jìn)行,加速度比尺取為1.0;彈性模量比尺取為250。彈性范圍內(nèi)其他比尺均可由上述4個(gè)基本相似比尺算出,見(jiàn)表2。

a)模型布置設(shè)計(jì)

表2 模型相似比尺

拱壩壩體采用特制砌塊砌筑而成,砌塊采用以硫酸鋇、氧化鉛及滑石粉為主的混合原料,自然干燥加壓成型方法制備,材料控制指標(biāo)主要包括容重、彈性模量、抗拉強(qiáng)度等,以準(zhǔn)確模擬壩體的受力特性與開(kāi)裂損傷狀況。實(shí)際壩體模型材料的抗拉強(qiáng)度為0.009 39 MPa,對(duì)應(yīng)原型C18035混凝土的靜態(tài)抗拉強(qiáng)度2.55 MPa,試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒牧蠌?qiáng)度滿(mǎn)足相似率比尺要求。根據(jù)已有的研究成果,除橫縫張開(kāi)量之外,模擬數(shù)條主要橫縫即可反映橫縫對(duì)壩體動(dòng)力響應(yīng)的主要影響,該模型壩體上設(shè)置了7條橫縫。地形基礎(chǔ)用特制加重橡膠黏接砌筑而成,基礎(chǔ)范圍上下游各取約一倍壩高,左右岸及底部約半倍壩高,模型橫河向長(zhǎng)度為2.7 m,順河向長(zhǎng)度為2.2 m、總高為1.334 m,水庫(kù)長(zhǎng)度約為2.83倍壩高。室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢H包括有限范圍的水庫(kù)和基礎(chǔ),為了減小有限基礎(chǔ)邊界的影響,沿模型基礎(chǔ)四周設(shè)置了阻尼液模擬的人工阻尼邊界,通過(guò)能量消耗近似反映模型有限范圍基礎(chǔ)之外的無(wú)限域的動(dòng)力影響,使試驗(yàn)條件更為接近實(shí)際工程條件。

試驗(yàn)?zāi)M上游正常蓄水位975.00 m和死水位945.00 m兩種工況。根據(jù)以往的研究成果,淤沙及下游水位對(duì)動(dòng)力響應(yīng)的影響較小,在試驗(yàn)中未予考慮。輸入的地震波時(shí)程為按抗震規(guī)范設(shè)計(jì)反應(yīng)譜擬合生成的人工地震波、實(shí)際記錄Koyna(柯依那)地震波和Loma Prieta(洛馬普列塔)地震波。振動(dòng)臺(tái)實(shí)際的輸入地震動(dòng)根據(jù)模型基礎(chǔ)與振動(dòng)臺(tái)的剛性連接條件進(jìn)行了一定調(diào)整,在進(jìn)行超載試驗(yàn)時(shí)只對(duì)地震波的幅值進(jìn)行放大,不同激振水平的時(shí)程波形完全相似。

試驗(yàn)中共采用5類(lèi)170通道測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,分別為加速度計(jì)、位移計(jì)、應(yīng)變計(jì)、縫位移計(jì)及動(dòng)水壓力計(jì)。

3 壩體動(dòng)力響應(yīng)

3.1 壩體動(dòng)力特性

壩體的基本動(dòng)力特性根據(jù)0.05g水平白噪聲激振條件下壩體加速度響應(yīng)分析計(jì)算得到,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,在正常蓄水位條件下大壩原型基頻2.21 Hz,為正對(duì)稱(chēng)振型。圖3為根據(jù)壩頂5個(gè)測(cè)點(diǎn)的傳遞函數(shù)得到的在各試驗(yàn)工況下的順河向第一階頻率變化曲線(xiàn),從低水位至滿(mǎn)庫(kù)的頻率下降主要是由于動(dòng)水壓力所引起,在設(shè)計(jì)地震各工況加載前后大壩動(dòng)力特性變化甚微,之后的頻率下降是壩體剛度下降的反映,結(jié)合與其他觀測(cè)結(jié)果可判斷壩體損傷發(fā)展過(guò)程。圖4給出了正對(duì)稱(chēng)、反對(duì)稱(chēng)各第一階振型的示意。

圖3 加載前后壩體順河向基頻變化曲線(xiàn)

a)正對(duì)稱(chēng)第一振型

采用拱梁分載法AOAD軟件計(jì)算所得大壩基頻為2.29 Hz,采用有限元軟件ABAQUS計(jì)算的大壩基頻為2.4 Hz,相應(yīng)振型均為正對(duì)稱(chēng),與模型試驗(yàn)成果基本一致。

3.2 壩體加速度反應(yīng)

試驗(yàn)顯示,大壩順河向加速度放大倍數(shù)較大,且上部拱冠響應(yīng)最大而向兩岸逐漸減小。圖5為設(shè)計(jì)地震及超載工況頂拱順河向最大加速度的分布,以向下游為正,無(wú)特別標(biāo)注的壩前均為正常蓄水位。設(shè)計(jì)地震條件下拱冠壩頂與壩趾最大加速度峰值比,順河向基本上在12.3～14.9倍,正常蓄水位人工波壩頂順河向最大加速度1.329g。有限元數(shù)值分析相應(yīng)工況最大加速度1.290g,模型量測(cè)值與計(jì)算值基本一致。在地震超載工況,5.0倍超載以后,拱冠部位加速度變化劇烈,與此時(shí)拱冠附近壩體出現(xiàn)了水平開(kāi)裂有關(guān)。

a)設(shè)計(jì)及校核地震

3.3 壩體應(yīng)變反應(yīng)

由于材料非線(xiàn)性特性的限制,試驗(yàn)中不能將所測(cè)的應(yīng)變值換算為壩體應(yīng)力,但可作為判斷壩體受力狀況的依據(jù)。試驗(yàn)量測(cè)結(jié)果分析表明,在設(shè)計(jì)地震條件下,壩體拱向和梁向應(yīng)變分布都比較均勻;地震荷載超載后,壓應(yīng)變隨地震輸入增大而增加,大部分位置的拉應(yīng)變由于受橫縫張開(kāi)的影響最大值未超過(guò)100 με;但在壩體靠近壩頂?shù)?69.00 m高程處,圖6所示,兩拱端拱向的拉應(yīng)變均明顯大于其他位置,尤以下游面更為突出,在4.0倍超載工況之后,該高程下游面動(dòng)拉、壓應(yīng)變快速增大,受拉已超過(guò)材料開(kāi)裂應(yīng)變水平,試驗(yàn)后觀察該部位有開(kāi)裂跡象。

圖6 ▽969高程拱向動(dòng)拉應(yīng)變最大值分布

圖7給出了拱冠梁和左梁剖面的梁向最大拉應(yīng)變分布。在設(shè)計(jì)地震工況,梁向動(dòng)應(yīng)變沿高程分布較為均勻。隨地震輸入的不斷增大,中上部位動(dòng)應(yīng)變?cè)黾虞^快,下游面拉應(yīng)變的變化幅度快于上游面。在5.0倍超載工況之后,左梁下游面距壩頂約103.00 m位置出現(xiàn)開(kāi)裂,試驗(yàn)后目測(cè)觀察也確認(rèn)了宏觀水平向裂縫,在同高程位置的其他梁下游面梁向拉應(yīng)變均較大。

a)拱冠梁

3.4 壩體橫縫開(kāi)度

試驗(yàn)得出的死水位工況橫縫最大張開(kāi)量與正常蓄水位工況基本接近,圖8給出了正常蓄水位人工波設(shè)計(jì)地震條件下試驗(yàn)壩體橫縫張開(kāi)量與有限元數(shù)值計(jì)算值的比較,圖9為拱冠處橫縫及左縫在超載時(shí)最大縫開(kāi)度沿高程的分布。

a)上游壩頂

a)拱冠縫

a)下游面

由圖8可知試驗(yàn)與計(jì)算兩者量級(jí)一致,但試驗(yàn)數(shù)值大于計(jì)算值,造成這種差異的主要原因是計(jì)算模擬了全部橫縫,而試驗(yàn)僅模擬了7條,導(dǎo)致試驗(yàn)得出的單條縫張開(kāi)量相對(duì)較大;此外,計(jì)算中假定橫縫為零初始間隙,而模型中很難做到絕對(duì)零初始間隙,從而減弱了靜水作用下橫縫縫面的初始?jí)毫?導(dǎo)致橫縫更易于張開(kāi)。

在地震超載工況,橫縫張開(kāi)量基本呈均勻增加。最大張開(kāi)量發(fā)生在拱冠橫縫位置,6.0倍超載工況最大,此時(shí)上游面0.685 mm,下游面0.499 mm,換算至原型分別為214.8、156.5 mm。從圖9可以看出橫縫開(kāi)度隨高程降低逐漸減小,減小速度較快。

4 壩體損傷開(kāi)裂狀況

根據(jù)加速度、應(yīng)變和位移的量測(cè)結(jié)果及壩體表面圖像監(jiān)測(cè)與目測(cè)情況,可知模型壩體在各種工況下?lián)p傷開(kāi)裂發(fā)生和發(fā)展?fàn)顩r。表3列出了在地震荷載逐漸超載過(guò)程中壩體損傷的部位及判斷依據(jù)。

表3 壩體損傷發(fā)展過(guò)程

試驗(yàn)顯示,在設(shè)計(jì)地震作用下壩體未見(jiàn)損傷,地震荷載超載2.5倍時(shí)靠近頂拱部位的下游壩面壩體左側(cè)出現(xiàn)水平向的宏觀開(kāi)裂,在地震荷載超載至5.0倍的過(guò)程中,該部位的開(kāi)裂逐漸擴(kuò)展到拱冠,同時(shí)其對(duì)應(yīng)的上游壩面位置也有開(kāi)裂,并在超載倍數(shù)達(dá)到6.0時(shí)上、下游壩面的開(kāi)裂貫通,形成了獨(dú)立的可動(dòng)塊體。對(duì)于兩岸壩肩,根據(jù)拱向拉應(yīng)變最大值增速判斷,左、右岸壩肩約在4.0倍超載工況發(fā)生開(kāi)裂損傷。需要指出的是,盡管有上述損傷發(fā)生,但地震超載后的壩體維持了靜態(tài)的穩(wěn)定,沒(méi)有發(fā)生潰壩。

根據(jù)試驗(yàn)及相關(guān)計(jì)算成果,設(shè)計(jì)在應(yīng)力水平較高的建基面附近區(qū)域提高了混凝土強(qiáng)度等級(jí);在壩體中上部高拉應(yīng)力區(qū)和易出現(xiàn)損傷開(kāi)裂區(qū)域布置梁向抗震鋼筋,以限制地震作用下局部可能產(chǎn)生的裂縫擴(kuò)展,防止壩體懸臂梁水平錯(cuò)動(dòng)和斷裂。由于橫縫在地震過(guò)程中張開(kāi)度較小,不布置過(guò)縫鋼筋,主要在縫面設(shè)置球形鍵槽,限制壩體在地震作用下沿上下游方向滑動(dòng)。

5 結(jié)論

a)通過(guò)振動(dòng)臺(tái)動(dòng)力模型試驗(yàn)分析得出了烏東德拱壩自振特性、地震條件下加速度、動(dòng)應(yīng)變及橫縫等動(dòng)力響應(yīng),且與數(shù)值計(jì)算成果基本一致。

b)在極限強(qiáng)震作用下,烏東德高拱壩破壞模式為:建基面附近存在延伸深度有限的局部開(kāi)裂,主要的破壞區(qū)域在于壩體的中上部,頂拱以下約1/3高度以?xún)?nèi)的區(qū)域形成上、下游貫通的梁向宏觀裂縫。

c)模型試驗(yàn)成果顯示:烏東德高拱壩在設(shè)計(jì)與校核地震作用下壩體應(yīng)變狀況較好,壩體橫縫最大張開(kāi)度較小,且極限抗震能力較強(qiáng)。