基于时程分析法混凝土重力坝地震损伤研究

2020-09-23陈建芝

山东水利 2020年9期

陈建芝，冀坤

（鄄城县水务局，山东鄄城 274600）

水力发电在国家能源的组成中占据着重要的地位，水工建筑物的安全就显得尤为重要。混凝土重力坝是应用较多的一种坝型，对重力坝危害最大的自然灾害莫过于地震，研究地震下的混凝土重力坝潜在损伤很有必要[1]。因此，本文将结合时程分析法和混凝土塑性损伤模型对地震下的某碾压混凝土重力坝安全性能展开讨论。

1 混凝土塑性损伤模型

混凝土塑性损伤模型（简称CDP模型）是在混凝土线弹性模型及摩尔—库伦等模型的基础上提出的，CDP模型适用于模拟混凝土动态力学行为，模型将混凝土力学行为分别定义为单轴拉伸和单轴压缩下的应力—应变关系曲线[2,3]。

1.1 单轴压缩应力—应变曲线

混凝土单轴压缩应力—应变的发展为：应力随应变的增加达到屈服强度，在经过强化阶段后达到强度极限后快速衰减。如图1所示。

1.2 单轴拉伸应力—应变曲线

混凝土单轴拉伸应力—应变曲线的发展为：应力达到屈服强度后不发生强化，直接衰减。如图2所示。

2 混凝土重力坝三维模型

2.1 模型参数

图1 混凝土单轴受压应力—应变曲线

图2 混凝土单轴受拉应力—应变演化曲线

某碾压混凝土重力坝坝顶高程1422m，非溢流坝段最大坝高160m，上游坝面以高程1333m为起坡点，起坡点以上坝面垂直，以下坝面坡降比1∶0.3，下游坝面坡降比1∶0.75。坝体混凝土标号C20，动弹性模量，泊松比ν=0.22，混凝土容重γ=2400kg/m3。

2.2 动态及静态荷载

将Koyna地震波以时程加载的方式输入模型得到动态荷载，如图3所示。地震峰值加速度为0.415g，持时17.14s，加载间隔0.02s。静态荷载考虑大坝自重、扬压力、泥沙压力及动水压力[4]。

图3 Koyna地震波

3 重力坝地震损伤情况

3.1 坝体损伤发展

混凝土损伤的表现因素之一是应变，其损伤量的积累伴随着塑性应变的增加，由塑性应变可判断损伤程度。地震前期，坝体损伤首先出现在坝踵，其范围较小且程度较轻，坝趾紧接着发生损伤，这两处损伤区域以坝踵及坝趾为中心扩散；地震中期，坝体混凝土损伤区域由坝踵、坝趾向坝体内部扩散，损伤区域于坝底中部首先连通，该处损伤程度最大；地震后期，坝体下部混凝土损伤区域向上扩散至上游折坡点，如图4所示。

图4 坝体塑性应变图

3.2 坝踵及坝趾应力发展

等效应力（Mises应力）是将节点或单元的应力分量以张量的叠加方式计算而得，提取坝踵及坝趾等效应力时程曲线得到图5、图6。由图5可知，坝踵等效应力具有明显的周期性，应力在地震加载前1s线性增加至约2.8MPa，然后开始波动，应力峰值7.3MPa约于1.2s出现，随后应力平均值开始衰减，于7.5～10s间应力幅值出现短暂激烈波动，随后直至地震结束，应力平均值都基本处于稳定状态，残余应力约为1.5MPa。由图6可知，坝趾等效应力的发展趋势与坝踵类似，应力约于1.8s达到峰值，晚于坝踵应力峰值出现，与坝体损伤情况吻合，应力快速衰减后于2.5～7s趋于稳定，同样于7.5～10s发生短暂激烈波动后再次趋于稳定，残余应力约为1.7MPa。