沥青混凝土心墙坝心墙与基座模型抗震试验研究

孔宪京，许诏君，邹德高1，，徐斌1，，周晨 光1，

（1.大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024；2.大连理工大学 水利工程学院，辽宁 大连 116024）

0 引言

1988年第16届国际大坝会议上曾提出沥青混凝土心墙坝是今后高土石坝最有竞争力的坝型之一［1］.国际著名土石坝沥青混凝土心墙坝工专家Saxegaard也曾指出，沥青混凝土心墙防渗在未来将有着广阔的前景［2］.沥青混凝土心墙具有良好适应变形能力、抗冲蚀能力、抗老化能力等，已成为国际大坝委员会（ICOLD）推荐的坝型.随着现代施工工艺和技术的进步，沥青混凝土心墙坝在我国得以迅速发展.近些年来，多座百米级的沥青混凝土心墙坝相继建成，如茅坪溪防护坝（坝高104m）、冶勒水电站（坝高124.5m）及正在设计的去学坝，坝高170m.

目前，对沥青混凝土心墙的研究也越来越广泛，主要包括沥青混凝土材料、配合比、应力应变性能等［3－4］.窦兴旺等对冶勒大坝模型进行了振动台试验，验证了数值分析时考虑坝体－地基相互作用数学、力学模型的正确性［5］.Baziar等对沥青混凝土心墙坝模型进行了离心机模型试验，研究表明在冲击荷载下，沥青心墙的剪应变很小，大坝的动力反应在安全范围内［6］.但沥青心墙与基座之间连接型式在地震作用下的破坏机制研究尚未见报道.

本文通过振动台模型试验，针对心墙与基座的两种不同接头型式，精心设计两组工况进行类比试验，着重分析在地震作用下不同接头型式心墙与基座间的错动、心墙的倾斜及玛蹄脂层的渗漏情况，以期为沥青混凝土心墙坝的抗震设计提供参考.

1 振动台模型试验概况

1.1 试验设备

振动台模型试验采用大连理工大学工程抗震研究所研制的水平与垂直两向激励的水下振动台进行.最大水平向加速度可达1g，最大竖向加速度可达0.7g，工作频率为0.1～50 Hz.本试验将模型放入4.0m×1.5m×0.8m 的大型钢槽内，钢槽用高强螺栓固定在振动台上［7］.试验采用ARH－100、AF－5F、ARF－100A－T型号的加速度传感器对模型加速度响应进行监测.高速高清相机的采样频率为25Hz，图像分辨率为4 096×3 072（约1 200万像素）.试验设备如图1所示.

图1 试验设备Fig.1 Test apparatus

1.2 试验方法与模型加工

图2为振动台试验模型设计尺寸图.限于试验条件以及模型相似关系，本文将实际工程常用的两种接头型式以约1∶9的比例进行缩尺，在其他外部条件一致的情况下，进行类比试验，定性地为实际工程提供参考.为了使两种接头具有完全相同的外部条件，需保证承受相同的侧压作用和地震动，并将两种接头模型对称地放在同一模型槽中进行试验.

图2 试验模型设计尺寸（单位：m）Fig.2 Size of test model（unit：m）

图3为某实际工程拟用的两种接头型式方案尺寸，图4为加工后的两种接头模型.底部为混凝土基座，内部预埋通水管道，并采取防堵措施；在基座上浇筑一层沥青玛蹄脂，并于该层上施加渗透水压；上部为心墙及压重部分，高度为60cm.其中沥青心墙制作参照水工沥青混凝土的试验规程［8］.

在模型制作和试验过程中，室内平均温度均在10～12℃.沥青混凝土的配比为某水利枢纽工程所用实际配比，符合土石坝沥青混凝土心墙的设计规范要求［1］，其骨料级配曲线如图5所示（w为小于某粒径的土质量分数，d为土颗粒直径）.沥青玛蹄脂自制配比为m（沥青）∶m（矿粉）∶m（粗砂）＝1∶0.5∶0.5，锯末含量为总质量的5%.

图3 两种接头型式细部尺寸（单位：m）Fig.3 The detail size of two different joints（unit：m）

图4 两种接头模型照片Fig.4 Photograph of two different joints

图5 沥青混凝土骨料级配曲线Fig.5 Gradation curve of asphalt concrete aggregate

图6为制作完成后的振动台试验模型.为了模拟实际工程蓄水后沥青混凝土心墙两侧压力，模型槽不同部位填料采用不同的密度，如图6（a）所示.同时利用透明有机玻璃管，如图6（b）所示，通过预埋管道，对模型玛蹄脂层施加3m 水头的渗透水压，检测两种接头处的防渗性能.

两种接头模型放入钢槽相应位置，混凝土底座两侧均用槽钢焊接固定.心墙两侧分别填筑不同密度的粗砂和锯末.填筑完成后，心墙底部竖向压应力约为30kPa.试验借助加速度传感器和高速高清相机等设备，观测两种接头在地震荷载下的错动、倾斜、渗漏等现象，以及两种接头模型振动破坏过程的差异.

图6 试验模型照片Fig.6 Photograph of test model

1.3 采集设备布置及地震动输入

图7为加速度传感器布置图，共埋置13个水平向加速度传感器.在模型槽正面放置高速高清相机，以同步采集、记录整个模型的振动过程，用于后期图像分析.

图7 加速度传感器布置Fig.7 The placement of acceleration sensors

为便于观察和分析，试验所用地震动输入为水平向的正弦增幅波，频率为10Hz，在第90s时峰值加速度达到最大值1g.图8为振动台试验时输入的加速度时程图.加速度

图8 加速度时程Fig.8 Acceleration time history

1.4 工况设计

表1给出了本文的两组试验设计工况.工况1两模型之间填筑密度为1.65g／cm3的粗砂，两侧填筑密度为1.15g／cm3的粗砂与锯末混合料，心墙两侧密度差为0.5g／cm3.工况2两模型之间填筑密度为1.65g／cm3的粗砂，两侧填筑密度为0.4g／cm3的锯末，心墙两侧密度差为1.25g／cm3.

2 试验结果及分析

2.1 结构整体变形

两种工况在振动后变形情况基本一致，填料粗砂振动后沉降约1cm.图9（a）、（b）分别给出了工况2试验前后结构的整体变形图.

图9 工况2结构整体变形图Fig.9 Overall deformation of structure for Case 2

2.2 玛蹄脂层的相对错动分析

采用PIV 图像分析方法［9］，对振动过程中采集的高清图像进行处理，得到关键点的位移变化，进一步研究玛蹄脂层的相对错动情况.

图10（a）、（b）分别绘制了工况1与工况2下玛蹄脂层的相对错动位移δ的时程图.工况1中，水平接头的最大错动位移δmax约为1.3mm，最大剪应变γmax约为13%；而弧形接头的δmax约为0.9 mm，γmax约为9%.工况2 中，水平接头的δmax约为2.0 mm，γmax约为10%；而弧形接头的δmax约为0.8mm，γmax约为4%.从整个时程来看，玛蹄脂层的错动位移随着玛蹄脂层厚度和心墙两侧压力差的增加而增大.在这两种试验工况下，水平接头错动位移都略大于弧形接头.

图10 沥青玛蹄脂层相对错动位移时程Fig.10 The relative dislocation displacement time history of asphalt mastic layer

2.3 心墙的倾斜分析

振动过程中，除沥青玛蹄脂层的错动外，心墙还发生了一定程度的倾斜，可采用心墙上下端部位移差Δ来计算心墙的倾斜角度.

图11为两种工况下心墙上下端部位移差的时程图.工况1中，水平接头情况下心墙上下端部位移差最大值Δmax约为0.7mm，弧形接头情况下Δmax约为1.8 mm.工况2 中，水平接头情况下Δmax约为1.5mm，弧形接头情况下Δmax约为2.5 mm.两种型式接头的心墙倾斜角度α均不到1°，随着玛蹄脂层厚度和压力差的增加，倾斜幅度有所增大.在两种工况中，弧形接头情况下心墙的倾斜程度比水平接头的稍大.

图11 心墙上下端部位移差时程Fig.11 The displacement difference time history of two ends of core wall

心墙模型的变形情况可用图12来表示.两种接头型式中，由于玛蹄脂层的错动和两侧填土压力差的作用，心墙下部向外错动，心墙上部向中间倾斜.

图12 模型变形示意图Fig.12 Deformation sketch map of model

2.4 渗漏情况分析

本次试验在混凝土基座里预埋通水管道，在玛蹄脂层施加3m 渗透水头，通过图6（b）中所示的透明有机玻璃管中水的液面变化观察两种接头的渗漏情况.两种工况下，在振动前后均对玛蹄脂层施加3m 渗透水头，并持续2d.结果发现，两种工况下，两种接头在振动前后都没有发生渗漏现象.需要说明，由于试验施加的水头压力偏小，两种工况的渗透压力均小于临界渗透压力.

3 模型数值模拟验证

由于物理模型很难满足相似关系，其结果仅定性或半定量地揭示两种接头型式的优劣，需要通过数模分析方法进一步印证模型试验结论的可靠性.

二维有限元模型如图13所示，尺寸与振动台试验模型一致.静力计算中填筑料、沥青玛蹄脂及沥青混凝土心墙，均采用线弹性模型，表2为线弹性模型材料计算参数；动力计算采用等效线性模型，动剪切模量系数K＝448，动剪切模量指数n＝0.36，泊松比μ＝0.33，归一化的动剪切模量、阻尼比与动剪应变关系曲线见图14；残余变形模型采用改进沈珠江模型［10］，粗砂C1＝0.08，C2＝1.00，C3＝0，C4＝0.30，C5＝1.00.地震动输入与振动台输入一致.有限元模型底部和两侧均采用刚性边界.

图13 有限元模型Fig.13 Finite element model

有限元计算软件采用大连理工大学工程抗震研究所自主开发的岩土工程非线性有限元分析程序——GEODYNA［11］.

表2 线弹性模型参数Tab.2 Parameters of linear－elastic model

图14 砂土Gd／G0－γd和λ－γd关系曲线Fig.14 Gd／G0－γdandλ－γdrelationships curve for sand

对工况2进行了数值模拟，并针对玛蹄脂层厚度进行了敏感性分析，分别研究了厚度为1cm和3cm 时接头震后的错动和倾斜情况.

表3为有限元计算震后玛蹄脂层的错动量及心墙倾斜情况.结果表明：数值模拟的结果与试验结果定性规律相吻合，即同等条件下，弧形接头比水平接头的错动量小，而心墙的倾斜程度比水平接头的大；随着玛蹄脂层厚度的增加，错动与倾斜均有所增大.

表3 数值模拟计算结果Tab.3 Results of the numerical simulation

4 结论

（1）水平接头型式心墙与基座之间的相对错动略大于弧形接头.

（2）弧形接头型式心墙倾斜程度比水平接头型式稍大.

（3）增加玛蹄脂层厚度和心墙两侧压力差后，接头处的错动位移和心墙的倾斜量均增大.

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