某心墙砂砾石坝动力变形分析

2011-04-02石亮亮王美懿

东北水利水电 2011年8期

石亮亮，张静，王娜，王美懿，顾滨

（1.中水东北勘测勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130021；2.大连理工大学继续教育学院专业教师中心，辽宁大连 116011）

1 工程介绍

西藏某水利枢纽工程是一座以灌溉、发电为主，兼有下游防洪和城市供水等综合利用的大型水利枢纽[1,2]。大坝为碾压式沥青混凝土心墙砂砾石坝，坝顶高程为4 100.00 m，最大坝高72.30 m，坝体上下游坡均采用三级坡，上游坡度为1∶2.8~1∶2.5。下游坡度均为1∶2.1，坝面均采用干砌石护坡。碾压式沥青混凝土心墙采用变厚度设计，墙厚自顶部0.7 m渐变至下部1.20 m，底部3 m高的沥青混凝土心墙截面由1.20 m扩大到2.5 m。沥青心墙两侧设4 m厚的砂砾石过渡带，沥青混凝土心墙与基础混凝土防渗墙采用混凝土底座连接。

本工程场地的地震基本烈度为Ⅷ度；大坝按100年超越概率为2%的概率水准，其设计地震加速度代表值为412.3 gal，相应地震设计烈度为Ⅸ度。因此，根据规范[4]的要求，有必要对此进行地震变形计算。

2 数值分析软件-FLAC介绍

本文研究计算分析采用快速拉格朗日差分程序，即FLAC。 FLAC[3]是美国ITSCA国际咨询与软件开发公司开发的数值分析软件，它是面向土木工程、交通、水利、石油、采矿工程及环境工程的通用软件系统。可实现对岩石、土和支护结构等建立高级三维模型，进行复杂的岩土工程数值分析与设计等。FLAC是一个利用有限差分方法为岩土工程提供精确有效分析的工具，它可以解决诸多有限元程序难以模拟的复杂工程问题，例如分步开挖、大变形、大应变、非线性及非稳定系统（甚至大面积屈服/失稳或完全塌方）。它结合了有限元和离散元的优点，既考虑了单元本身的变形，同时采用时步迭代，能够反映大变形以及可以考虑不连续面的作用，并且可以计算坝坡变化的全过程。

3 数值模型及计算参数

文中计算模型采用摩尔库伦弹塑性模型。该模型是描述剪切破坏类材料力学行为的经典模型，具有参数少、工程实例多、经验丰富的特点，FLAC商用软件算例中采用这一模型进行土石坝动力分析，得到了很好的结果。本文仅选取坝体典型断面进行研究，并进行简化处理，所建立的数值模型如图1所示。采用位移边界约束条件，模型底面约束水平向和竖向位移。

本文计算所采用的参数根据某典型砂砾石坝获得，所选取的参数如表1和表2所示。

模型计算采用实测地震波为主，选用Elcentrol波，并根据大坝所处场地条件设定峰值加速度为0.412 g，其时程曲线见图2。

4 计算结果分析

在地震波的作用下，坝坡堆石体的塑性状态、位移和应变必将随之发生变化。本文主要从坝体水平位移变化、坝顶的塑性剪应变变化过程、塑性区形成过程、坝体的永久变形、坝体网格变形来研究大坝的动态变形和破坏性态。

表1 摩尔-库伦模型计算参数

表2 线弹性材料参数

4.1坝体水平位移变化

图3所示为不同时刻坝坡水平位移云图。由于上游坡度较缓，下游坡度较陡，因此坝体下游侧颗粒首先失去稳定性，出现向下游侧的滑动，如图3(a)所示。随着振动进一步增强，t=6 s时，上游坝坡也出现浅层石料滑移现象，此时坝坡滑动以表面大范围表层滑动为主。之后，随着振动的持续，上下游坝坡均进一步向下滑移。并且滑动范围向坝体深部不断发展，这表明边坡滑动是一个由表及里的渐近过程。到振动结束即t=30 s时，坝体向上下游水平位移分别为2.68 cm和10.7 cm。向下游侧位移大于上游侧位移，位移趋势符合心墙坝变形的一般规律。由上下游坝坡位移量对比可见，放缓坝坡对减少坝体位移有非常明显的影响。

由图3可以看出，坝体位移最大值出现在坝体附近，并且最大位移集中在坝高4/5以上。因此，应特别关注坝高4/5以上坝体安全性。必要时可采取相关措施，例如加筋、加盖护面板等。

另外，由图3可明显的看出贯通的滑裂面，下游坝坡的滑裂面主要是由剪切破坏形成的。当t＝2 s时，由于坝体已经经历较强的振动，下游坝坡的破坏趋势很明显。直到地震结束，坝坡破坏区域没有太大变化，只是出现坝坡的进一步滑移。因此，地震作用下坝坡破坏是一个渐近的过程，而不是在某一时刻完成。

4.2坝坡的剪应变增量变化

由上述分析可见，地震作用下，高堆石坝宏观破坏性态表现为坝顶1/5范围内沿坝坡浅层的滑移，这往往是由于坝顶出现塑性区贯通引起的。可以根据坝体剪应变增量的分布趋势来判别是否发生塑性区贯通。图4为不同时刻坝体的塑性剪应变增量云图，从图 4（a）中 t＝2 s可以看出，此时的最大剪应变增量为8.8×10-4，主要集中在下游坝坡坝顶部附近，已经形成贯通的剪切滑裂面，而上游侧基本没有塑性应变。此时从图3可以看出，坝体最大水平向位移仅为不到2 cm，所以对坝体危害性较小，仍可认为坝坡是安全的；从图4（b）中t＝6 s可以看出，此时的最大剪应变增量为6.7×10-3，还是主要集中在下游侧坝顶部区域，上游侧也出现塑性流动；随着地震的继续，最大剪应变增量继续增大，最终最大剪应变增量达到1.1×10-2，其位置仍然发生在下游坡坝顶附近，上游坡未出现塑性区贯通。这仍然说明坝坡的破坏是一个渐近的过程，即使经历强震后，坝体的位移量仍较小。随着地震的持续进行，坝坡不断向下滑移，直至破坏。由于坝体结构对地震波的放大效应，坝体上部加速度反应往往较大，大坝遭遇强震而发生破坏时，将首先从剪应变最大的坝顶开始，因此应特别关注坝顶区域的稳定性。

4.3坝体永久变形

图5所示为地震后坝体永久变形图，其中虚线所示为地震前坝体轮廓。对于高坝在地震作用下，地震反应中高振型参与量增大，坝体上部变形增大。借助地震作用后坝体永久变形可以更直观地考察坝体的永久位移变化情况，为了方便观察，将实际的变形图放大了100倍。可以看出，大坝在强震作用下，靠近顶部坝坡表面的单元变形较大，出现向下游侧的坍塌滑移。坝体遭遇强烈振动后，由于坝体结构对地震波的放大效应，坝体上部加速度反应往往较大，靠近坝顶的坝坡表面块石最先出现松动，随着地震波作用时间延长，坝坡浅层块石会发生滑动，最后导致坝顶坍塌。因此需要采取相应的抗震加固措施来抑制顶部坝坡表面单元的坍塌。