强地震作用下混凝土重力坝抗震安全评价

丁 柱,张立翔，段其品，王旭东

(昆明理工大学建筑工程学院,云南昆明650500)

强地震作用下混凝土重力坝抗震安全评价

丁 柱,张立翔，段其品，王旭东

(昆明理工大学建筑工程学院,云南昆明650500)

采用新的地震动参数对重力坝进行抗震复核,分析强地震作用下坝体的抗震稳定安全性。采用反应谱法和时程分析法分别计算结构的地震动力响应,分析其自振特性,确定结构的薄弱部位,并提出有效可行的抗震加固措施。评价结果表明：在坝踵和坝趾附近区域及上下游折坡处出现了小范围的损伤,并未形成贯穿上下游的屈服区域,混凝土重力坝的安全性能满足新的地震参数要求,结构设计合理,能够抵御高强度地震。

混凝土重力坝；反应谱法；时程分析法；抗震安全评价

0 引 言

我国目前已经修建了很多水电站,如景洪水电站、三峡水电站、糯扎渡水电站、龙滩水电站等,这些水电站大部分位于我国西南地区,而这些地区正是地震高发区,并且地质条件复杂。这些水电站大多采用重力坝作为挡水建筑物,因重力坝具有安全可靠、施工方便,便于机械化施工；对地形和地质条件的适应能力强；枢纽泄洪容易解决等优点,故在全世界被广泛采用[1]。高坝和大型水库一旦遭受严重的地震,将威胁下游地区的生命财产安全,因此,研究重力坝的地震特性至关重要。为了给重力坝抗震设计提供最真实的数据资料和参考依据,需要采用新的地震动参数对重力坝进行抗震复核。应用反应谱法和时程分析法分别计算结构的地震动力响应,对比两种方法的计算结果,验证结果的可靠性,这在指导大坝及其系统的抗震安全运行方面具有一定的研究意义[1- 4]。

某水电站是一座以发电为主,兼顾航运,并具有防洪、供水、旅游等综合利用效益的水电站,工程等级为一等,枢纽采用一字形布置, 主要建筑物为一级建筑物。该工程挡水建筑物采用碾压混凝土重力坝。坝顶高程612 m,最大坝高108 m。水库正常蓄水位602 m,死水位591 m,校核洪水位609.4 m。

根据《水工建筑物抗震设计规范》[8],大坝的工程抗震设防类别为甲类,抗震概率水准采用基准期100年超越概率2%,基岩水平峰值加速度采用0.35g；非壅水建筑物的抗震设防类别为乙类,抗震概率水准采用基准期50年超越概率5%,基岩水平峰值加速度为0.23g。根据《水电工程防震抗震研究设计及专题报告编制暂行规定》,大坝的校核地震标准取为基准期100年超越概率1%的地震校核水准,相应水平向基岩峰值加速度为0.415g。

该水电主要建筑物已于2009年底建成投入发电营运,为做好电站碾压混凝土重力坝的抗震复核,拟通过动力分析计算,对典型坝段进行抗震性能复核,做出坝体抗震安全性的评价。

1 计算方法[2]

进行反应谱分析时,按照振型叠加法的思想,按照式(1)求出结构振型{Φ}和频率[Ω]

[K][Φ]=[M][Φ][Ω2]

(1)

式中,[K]、[M]分别为结构的刚度矩阵和质量矩阵。

获得前n阶模态对应的模态矩阵,引入坐标变换,令

{u}=[Φ]{y}

(2)

式中,y为对应的广义坐标；{u}为结构的位移向量。利用振型的正交性,将控制方程解耦得到关于第j个广义坐标yj的解耦方程为

(3)

(4)

时程分析方法可以确定地震荷载作用下任意时刻的动力响应,时间历程分析求解的基本运动方程是：

(5)

[C]=α[M]+β[K]

(6)

式中,α为质量阻尼系数；β为刚度阻尼系数。根据《水工建筑物抗震设计规范》[8],重力坝阻尼比ζ=0.05～0.1,本工程取ζ=0.08,根据结构动力学基本方法,取第一、第二阶模态频率作为计算依据,可求出相应α和β为

(7)

式中,ξ1、ξ2分别为第一、第二模态阻尼比。本项目计算是取ξ1=ξ2=ξ；ω1、ω2分别为第一、第二阶模态角频率[4]。

由于结构的动力学响应可以看作是各阶模态的组合,时间步长应小到能够分辨对整体响应有贡献的最高阶模态。参照规范,重力坝“地震作用效应影响不超过5%的高阶振型可以略去不计”的规定,据此确定相应的模态频率对应振动周期,同时考虑所使用的地震波的采样频率,综合确定计算时间步长[6- 8]。

坝-基体系是混凝土坝抗震分析中常用的模型,考虑坝、基的相互作用效应,一般上、下游以及垂直方向的基岩可取坝高的0.5～1.0,并采用无质量地基模型描述基岩的作用效应。在此情况下,地震输入无论采用基底输入方式或坝基界面(建基面)输入方式,对坝-基系统的地震效均会应有一定的影响。采用将地震波作为自由场运动从坝-基模型系统的基底输入的方式进行计算[10]。

2 动力计算模型

2.1 计算模型

建模采用整体坐标系(X,Y,Z),其中,X正向为顺河流方向,Y正向为铅垂向上方向,Z正向为横河流指向右岸。模型约束施加在基岩上：上、下游端面约束X方向；垂直坝轴线方向的两个侧面约束Z方向；基底面约束Y方向。几何模型全部使用8结点6面体单元划分,模型共计201 840个单元(包含地震动水附加质量单元),270 312个结点,模型有限元网格如图1所示,模型材料参数见表1。

2.2 荷载情况

在大坝的抗震动力分析中,应遵循地震荷载与基本静态荷载组合的原则。永久作用主要考虑自重和淤沙压力；可变作用考虑静水压力、扬压力、浪压力；偶然作用考虑校核洪水位时的静水压力和地震作用。

图1 坝体及基岩有限元网格示意

表1 大坝混凝土材料物理力学参数(静态)

根据《水工建筑物抗震设计规范》规定,该等级的重力坝动力分析应考虑垂直坝轴线方向的水平地震作用和竖向地震作用的组合效应,但竖向地震加速度的代表值取水平向地震代表值的2/3,且竖向地震作用效应应乘以0.5的遇合系数后再与水平向地震作用效应直接相加,以此作为大坝总的地震作用效应[3- 8]。

参照《水工建筑物抗震设计规范》,坝面动水压力PD和附加质量mA分布为

(8)

(9)

式中,Aj为从水面起算的库水深y处上游坝面第j个单元结点控制的面积；H0为对应水位的库水深,即正常蓄水位至建基面的高度[8]。

在地震响应分析中,分别选用1988年云南澜沧-耿马地震时,地震部门在地震站实测记录获得的加速度时程作为地震输入；使用的地震波经过相关部门的修正,并可直接作为地震响应分析使用。在计算时,将使用地震波最大峰值加速调幅到相应计算加速度,竖向地震加速度幅值按水平地震加速度幅值的2/3折减,并与水平地震波同时从基地输入完成时程响应计算。

反应谱曲线和调幅到0.415g后的地震波时程如图2、3所示。

图2 反应谱

图3 加速度时程

3 抗震安全评价

动力分析时,基岩使用无质量地基模型处理,材料阻尼比取0.08。动力特性分析得到的坝段前十阶频率如表2所示,可知,库满时频率变小,附加质量所起的作用相对较大。

表2 坝体自振频率及振动规律

正常蓄水位工况条件下的动态反应与静态反应按最不利原则叠加的结果如图4、5所示。坝体竖直向最大地震动位移发生在坝顶上游侧, 其值为26.16 mm 。坝体应力分布规律较好, 在坝踵和坝趾处以及下游折坡处出现应力集中,但应力集中区域较小；坝体最大拉应力发生在坝体坝踵处,其值为11.13 MPa。

图4 竖直向动静综合位移等值线(单位：m)

图5 动静综合竖直向应力等值线(单位：MPa)

图6 坝踵处竖向位移和第一主应力时程曲线

图7 1.66 s某点竖向位移和应力等值线

根据地震波的时程及频谱特性,坝体最大地震响应量出现在1.66 s时刻(图6),在坝踵处选取一点观察其位移时程和应力时程(图7)。对大坝模型进行迭代法分析,位移时间曲线和应力时间曲线呈现出很相似的趋势。大坝在地震期间往上下游方向来回振动,符合一般规律。

坝体最大垂直位移为21.38 mm,发生在坝顶上游侧(图7a)。建基面上游灌浆廊道区域分布有拉性垂直应力SY,但应力值不超过1.50 MPa,小于C20混凝土抗拉强度。中间排水廊道以后的区域SY均为压性应力,坝趾区域的最大压应力SY为-6.42 MPa。帷幕区域拉性最大垂直应力SY约为2.17 MPa,小于C20混凝土的动态抗拉强度(图7b)。帷幕区域的拉性第一主应力S1约为2.47 MPa,略大于C20混凝土抗拉强度,到桩号D0+013位置S1减小为1.48 MPa(图8)。若按垂直应力SY评价,帷幕是安全的；若按第一主应力评价,帷幕上游侧可能会有轻微损伤。地震波输入时,上游侧帷幕体及上坝体游面一定范围内坝体会受到一定危害,但影响区域很有限,帷幕及坝体主体是完好的,如图9所示。

图8 1.66 s第一主应力S1等值线(单位：MPa)

图9 进入屈服状态的单元分布

4 结 论

通过反应谱法和时程分析法对某电站溢流坝段在新的地震参数作用下的动态反应,得出结论：①溢流坝段在遭受地震作用下,坝体是安全的。②在地震作用下,坝体局部区域会受到不同程度的损伤,这些损伤的区域分布区有限,不会危及坝体的整体安全。③坝踵和坝趾附近区域及上下游折坡处为结果薄弱点,在运行中应加以注意。

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(责任编辑 王 琪)

Seismic Safety Analysis of Gravity Dam under High Earthquake Intensity

DING Zhu, ZHANG Lixiang, DUAN Qipin, WANG Xudong

(Faculty of Civil Engineering and Mechanics, Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500, Yunnan, China)

The stability and safety of gravity dam under strong earthquake is analyzed by using new ground motion parameters. The response spectrum method and time history analysis method are used to calculate the seismic dynamic response of structures respectively. The natural vibration characteristics are analyzed, the weak parts of structure are determined, and then effective seismic strengthening measures are put forward. The evaluation results show that there are small ranges of damage near dam heel and toe and the break slope, and the yield region passing through upstream and downstream is not formed. The safety performance of concrete gravity dam meets the requirements of new seismic parameters. The structure design of dam is reasonable and the dam can withstand high-intensity earthquake．

concrete gravity dam; response spectrum method; time history analysis method; seismic safety evaluation

2016- 07- 13

国家自然科学基金资助项目(51279071)；教育部博士点基金(优先)资助项目(20135314130002)

丁柱(1991—),男,云南昭通人,硕士研究生,研究方向为水工结构工程．

TV311

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0559- 9342(2017)03- 0044- 05