神树水电站混凝土面板堆石坝高趾墙及面板动力响应分析

司才龙，刘 灿

（甘肃省水利水电勘测设计研究院，甘肃 兰州730000）

面板堆石坝因其高安全性、经济性和广泛的适应性，在国内得到了广泛应用，在甘肃省内也是相当普遍，特别是九甸峡水电站、龙首二级水电站、宝瓶河水电站等工程［1-5］。

杂木河神树水电站枢纽工程位于甘肃省武威市杂木河干流中游峡谷段，属Ⅲ等中型工程。其趾板高趾墙基础坐落在弱风化岩面2 576.0m高程上，墙顶宽度为5m，墙顶高程为2 588.0m，上游坡面坡度为1∶0.3，下游坡面坡度为了满足碾压要求设置为1∶0.5，最大墙高12.0m，最大底宽12.8m（图1）。

工程区是一个多构造体系交织复合地区，且祁吕系、陇西系又是现今活动的主要构造体系。毛藏寺以北17km处是挽近期活动明显的北西西向的皇城-上古城断裂，以南15km是挽近期活动明显的北西西向的横梁山断裂带。河西系的龙首山-冷龙岭隆起沿北北西方向横跨河西走廊，与北西西向构造复合，这就是走廊地区历次强震的构造背景，1927年5月23日的古浪大地震就发生在这一复合部位。枢纽工程场区50年超越概率10%地震动峰值加速度为0.316g，特征周期为0.45s。

本文通过地震荷载作用下堆石坝与高趾墙系统的分析模型，运用数值分析方法，对混凝土面板堆石坝系统进行动力计算，分析混凝土面板堆石坝及高趾墙的动力响应。

图1 神树水电站面板堆石坝典型设计横剖面

1 混凝土面板堆石坝与高趾墙系统分析模型

分析数值模型采用有限差分软件FLAC3D。地震荷载作用下混凝土面板堆石坝与高趾墙分析模型是由混凝土面板堆石坝、高趾墙、岩基组成。

混凝土面板堆石坝材料采用弹塑性材料模型和Mohr-Coulomb强度屈服准则，同时采用Cable单元模拟高趾墙底部锚杆［6］。锚杆为全长黏结型，锚杆竖直打入基岩，锚杆水平向间距1.5m，长2.75 m，深入基岩2.25m。梅花型布置。锚杆选取文献［7］中提供的参数，锚杆密度ρ=2 100kg／m3，弹性模量200GPa，砂浆黏结力10MPa，砂浆刚度20 MPa，锚杆孔洞周长0.314m，砂浆摩擦角45°。

模型设置自由边界，左右边界固定水平位移，下边界固定水平和竖直位移［8］。沿混凝土面板竖向每隔5m设置一个监测点监测面板变形，同时在高趾墙顶部、底部、直墙顶端各设置2个监测点。

2 数值计算

2.1 算例概况与计算条件

实际工程中混凝土面板堆石坝系统是具有非均质、非连续、非线性等复杂特性的人工地质体，在数值分析中如果考虑上述各种因素，问题将十分复杂［9］。为了研究地震激励下的动力响应规律，混凝土面板堆石坝系统假设岩土体材料为弹塑性材料，采用Mohr-Coulomb强度准则，将系统概化为图2模型，模型尺寸符合郑颖人［8］等提出的动力模型边界要求。在动力分析中，因边界上存在波的反射，会对动力分析的结果产生一定影响，使得模型边界的设置和处理成为关键问题之一。

图2 面板堆石坝分析模型

本文中边坡模型的边界条件设定为：坝体坡面和坝体顶为自由边界；左侧和右侧边界施加水平方向的位移约束，同时施加黏滞边界条件；模型底部设置水平和垂直方向位移约束，并施加黏滞边界条件。在进行动力分析时，地震波选取Kobe波，将地震波进行滤波和基线校正后输入模型底部。滤波的目的是过滤掉原有地震波中的高频分量，减少计算单元。输入波为加速度时程，将加速度进行积分得到的最终速度和最终位移不为0，则在动力计算结束时模型底部会出现继续的速度和残余的位移，需要对加速度时程进行基线校正。调整后的地震波见图3所示。

图3 调整后的Kobe波

模型中的土和岩体的物理力学参数选取具有代表性的勘察所得的实验数据，如表1所示。土和堆石体本构模型选取摩尔-库伦准则。

表1 混凝土面板堆石坝主要材料物理力学参数

2.2 计算结果分析

2.2.1 高趾墙底部锚杆作用

在各种工况下对此混凝土堆石坝进行计算，计算工况见表2。

表2 四种计算工况

通过工况一和工况二，工况三和工况四的计算结果，发现在高趾墙底部是否存在插筋对坝体整体位移量影响较小。

同时在工况一下，坝顶监测点（防浪墙底部）水平位移为3.04mm，在工况二下位移同为3.04 mm。在工况三下，坝顶监测点水平位移为16.85 mm，在工况二下位移为16.84mm。底部锚杆对坝体整体影响较小。

在工况二下，锚杆轴力为零。在工况四下，从锚杆轴力图4中可以看出，锚杆轴力最大值为11.7 kN。可以看出，在地震作用下锚杆发挥了作用。

在工况四下，研究锚杆随着地震时程的动力响应。取锚杆中部轴力为研究对象，监测锚杆随着地震时程的增加，锚杆内部轴力的变化。计算结果见图5锚杆轴力时程图。从图5中可以看出，随着地震时程的增加，锚杆轴力趋于稳定。且靠近上游的锚杆轴力大于靠后位置的锚杆轴力。此时锚杆限制了高趾墙向上游移动，起到了抗震作用。同时发现在地震波最大峰值到来时，锚杆轴力相应的增大到最大值。随着地震波的衰减，锚杆轴力相应的衰减。

图4 有锚杆地震作用22s后坝体锚杆轴力图

2.2.2 高趾墙对坝体的作用

通过研究图6和图7，在工况一和工况二下，高趾墙顶部位移量明显小于周围堆石体位移量，而高趾墙顶部位置为坝体防水体系中重要的趾板的位置，此时高趾墙有效抑制了混凝土面板堆石坝趾板的位移量，保证了趾板的安全。

分析图8和图9，在工况三和工况四下，在高趾墙高程以下堆石体整体位移量（70cm～74cm）要大于高趾墙以上整体位移量（60cm～70cm），说明了高趾墙有效抑制了地震作用下坝体的位移量，提高 了坝体的抗震性能。

图5 锚杆轴力时程

图6 无锚杆静力下坝体内部水平位移云图

图7 有锚杆静力下坝体内部水平位移云图

图8 有锚杆地震作用22s后坝体内部水平位移云图

图9 无锚杆地震作用22s后坝体内部水平位移云图

图10 有高趾墙坝体塑性区分布

图11 无高趾墙坝体塑性区分布

再来研究在高趾墙是否存在的情况下，坝体内部塑性区分布情况。从图10、图11中可以明显看出有高趾墙的坝体内塑性区要明显少于无高趾墙的坝体。此时验证了高趾墙对坝体整体稳定性的重要作用，此工程中修建高趾墙的合理性。

2.2.3 混凝土面板动力响应

在进行地震数值计算时，监测混凝土面板上的加速度随时程的变化，提取数据，通过研究面板监测点Kpga即监测点加速度峰值放大系数来研究混凝土面板的动力响应。

Kpga放大系数为监测点最大峰值加速度与地震波最大加速度峰值的比值［10］。

混凝土面板沿竖向每隔5m设置一个监测点，共16个监测点，监测其在地震时程中的变化。监测结果见图12、图13。

图12 随高程变化面板监测点竖直方向Kpga

图13 随高程变化面板监测点水平方向Kpga

从图12、图13可以看出，混凝土面板在高程2 617m时，水平和竖直方向的加速度达到了最大值，此高程是上游铺盖的顶点高程。研究得出，在铺盖以下的面板随着高程的增加面板响应加速度不断增加，在上游铺盖顶点处达到最大值。

3 结 论

在本研究中，对甘肃省神树水电站混凝土堆石坝进行了动力仿真分析。从中得到了如下结论：

（1）高趾墙对坝体整体塑性区分布极为重要，高趾墙能减少坝体内塑性区区域。

（2）静力和地震作用下，高趾墙底部锚杆对坝体的整体位移量影响较小。在静力下，锚杆轴力几乎为零，但在地震作用下锚杆轴力显著增大，并且随着地震时程的增加逐渐衰减至一稳定值。

（3）混凝土面板在地震作用下，面板上峰值加速度在上游铺盖顶点以下，随着面板高程的增加而增加，在铺盖顶点处达到最大值。

［1］吕生玺，武维新.高面板堆石坝设计［J］.甘肃水利水电技术，2008，44（6）：380-383.

［2］大连理工大学工程抗震研究所.面板堆石坝动力模型试验与动力分析方法研究（国家“七五”科技攻关项目研究报告）［R］.大连：大连理工大学，1989.

［3］韩国城，孔宪京，李俊杰.面板堆石坝动力破坏性态及抗震措施试验研究［J］.水利学报，1990，（5）：61-67.

［4］大连理工大学工程抗震研究所.面板坝静-动力耦合分析及抗震结构形式与工程措施研究（国家“九五”科技攻关项目研究报告）［R］.大连：大连理工大学，2000.

［5］Isasca，FLAC Version 4.0Manual［M］.Minneapolis：ICG，2002.

［6］Itasca Consulting Group，Inc.FLAC（Fast Lagrangian Analysis 3D）user＇s manual Version3.0［M］.2003.

［7］言志信，刘 灿，任志华，等.锚固岩质边坡在地震作用下的动力响应［J］.铁道建筑，2012，（12）：107-110.

［8］郑颖人，叶海林，黄润秋.地震边坡破坏机制及其破裂面的分析探讨［J］.岩土力学与工程学报，2009，28（8）：1714-1723.

［9］蔡汉成，言志信，王群敏，等.交通荷载作用下边坡动力响应数值分析［J］.西北地震学报，2010，32（2）：220-224.

［10］叶海林，郑颖人，黄润秋，等.锚杆支护岩质边坡地震动力响应分析［J］.后勤工程学院学报，2010，26（4）：1-7.