近断层地震动作用下重力坝损伤特性研究

吴 宇，张卫云，顾 冬，祝福源，崔 笑

(1.南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210000；2.河海大学水利水电学院，江苏 南京 210024；3.水发规划设计有限公司，山东 济南 272037；4.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024)

0 引 言

20世纪末到21世纪初发生的几次大地震，如1995年的日本Kobe地震、1999年的台湾Chi-Chi以及2003年的伊朗Bam地震等均应具有明显的破裂方向性效应和速度脉冲特征，对结构造成了重大的损坏。我国绝大多数的高坝大库均集中于我国西部地区，而这一地区正是我国地震高发地区，因而研究近断层脉冲地震动对水工结构动力响应的影响具有重要意义。梅伟等[1]研究了近断层脉冲型地震动对黏土心墙土石坝动力响应的影响；唐彧杰等[2]研究了近断层脉冲型地震动对高拱坝动力响应的影响；宋健等[3]研究了近断层脉冲型地震动对土质边坡动力响应的影响。

在近断层地震动对重力坝动力响应影响研究方面，张社荣等[4]针对近断层脉冲型地震动对重力坝损伤累积破坏的影响进行了研究。但在研究过程中仅考虑了向前方向性效应及无脉冲效应地震动对重力坝损伤累积破坏的影响，忽略了滑冲效应对重力坝动力响应的影响。为了更为全面地了解近断层脉冲型地震动作用下的重力坝损伤特性，本文以Koyna重力坝为例建立了塑性损伤模型，并对模型的正确性进行了验证。从坝体损伤区域分布、坝顶关键点位移以及坝体损伤耗能情况3个方面出发，对比研究了具有向前方向性效应、滑冲效应和无脉冲效应近断层地震动对重力坝损伤特性的影响。

1 近断层脉冲型地震动选取

1999年的台湾Chi-Chi地震动拥有大量含脉冲特性的地震波。为了更为全面地了解近断层脉冲型地震动作用下的重力坝损伤特性，本文从Chi-Chi地震动选取了6条地震波，如表1所示，向前方向性效应、滑冲效应及无脉冲效应地震波各2条。所选地震动均来自PEER[2]强震数据库，将所有地震波统一调幅为0.2g，地震动持时均为90 s。PGA、PGV、PGD分别表示地震动峰值加速度、峰值速度、峰值位移，PGV/PGA是反映速度脉冲的参数，PGV/PGA>0.2时速度脉冲特性较为明显[5]。图1～图3给出了典型的具有向前方向性效应、滑冲效应及无脉冲效应的地震波的加速度、速度和位移时程曲线。从图1～图3可以看出，具有向前方向性效应的TCU051-EW波呈现出明显的双向往复形式的脉冲，具有滑冲效应的TCU071-EW波呈现出明显的单向运动形式脉冲。

表1 脉冲型/非脉冲型地震记录

图1 TCU051-EW地震波时程曲线(向前方向性效应)

图2 TCU075-EW地震波时程曲线(滑冲效应)

图3 TCU071-EW地震波时程曲线(无脉冲效应)

2 近断层脉冲型地震动对重力坝损伤特性影响研究

2.1 工程概况及有限元模型

Koyna重力坝坝高103 m，坝基底部和坝顶宽分别为70.2、14.8 m，坝前水位91.75 m，下游折坡处距地面67 m，折坡处以下坡比为1∶0.75，建立图4所示有限元模型。地基范围为：上下游及深度方向地基各取1.5倍坝高。模型中防渗帷幕中心线距坝体上游面7 m，帷幕深度为1/2坝前水位高度，取45.5 m。坝体设为塑性损伤材料[6]，坝基为线弹性材料。

图4 Koyna重力坝有限元模型

计算采用的坝体混凝土、基岩材料参数见表2和表3，防渗帷幕取值与坝体混凝土相同。

表2 坝体混凝土材料属性

表3 基岩材料属性

2.2 损伤模型的验证

为了说明本文建立的Koyna重力坝塑性损伤模型能较为真实地反映出大坝在地震作用下的动力响应，将本文计算出的Koyna重力坝仿真结果与模型试验结果进行对比验证。

同时输入水平向峰值加速度为0.474g和竖向峰值加速度为0.312g的Koyna实测地震波如图5所示。在截断边界处施加粘弹性人工边界[7]以防止地震波发生反射。

图5 Koyna重力坝实测地震波

本文计算出的仿真结果如图6所示，坝体折坡处在震后形成贯穿上下游的裂缝，坝踵位置出现损伤开裂，计算结果与文献[8]模型试验结果相似，说明本文建立的Koyna重力坝塑性损伤模型能较好地模拟大坝在地震作用下的动力响应。

图6 Koyna重力坝损伤分布

2.3 近断层地震动对坝体损伤区域的影响研究

图7为Koyna重力坝在遭受不同特性近断层地震动作用后的坝体塑性损伤分布。其中，图7a、7b为具有向前方向性效应特性地震动作用后的损伤分布，从图7a、7b可以看出，地震过后，在折坡处形成了贯通上下游的裂缝，坝踵位置也出现了严重的损伤开裂现象；图7c、7d为具有滑冲效应特性地震动作用后的损伤分布，从图7c、7d可以看出，地震过后，下游折坡处及坝踵位置出现了轻微的损伤开裂，比向前方向性效应地震动破坏性小很多；图7e、7f为无脉冲效应地震动作用后的损伤分布，从图7e、7f可以看出，地震过后，下游折坡处出现了较为严重的损伤开裂，但未形成贯通的裂缝，坝踵位置的损伤开裂也较为严重，坝体的整体破坏程度轻于向前方向性效应地震动作用结果，重于滑冲效应地震动作用结果。从损伤分布上可以看出，向前方向性效应地震动的破坏作用最为严重，其次为无脉冲效应地震动，滑冲效应地震动破坏性最轻。

图7 坝体塑性损伤分布

2.4 近断层地震动对重力坝位移的影响研究

图8为Koyna重力坝在遭受不同特性近断层地震动作用后的坝顶顺河向位移时程曲线。其中，前1 s为静力作用，1～91 s为地震动作用，静力作用后坝顶位移0.717 cm。图8a、8b为具有向前方向性效应特性地震动作用时的坝顶位移时程曲线，从图8a、8b可以看出，除去静力作用，地震动作用使坝顶分别向顺河向发生位移2.017 cm和2.651 cm；图8c、8d为具有滑冲效应特性地震动作用时的坝顶位移时程曲线，从图8c、8d可以看出，除去静力作用，地震动作用使坝顶分别向顺河向发生位移0.746 cm和0.656 cm；图8e、8f为无脉冲效应地震动作用时的坝顶位移时程曲线，从图8e、8f可以看出，除去静力作用，地震动作用使坝顶分别顺河向发生位移0.376 cm和0.380 cm。从坝体位移可以看出，向前方向性效应地震动作用后位移量最大，其次为无脉冲效应地震动，最后为滑冲效应地震动。说明向前方向性效应地震动的破坏作用最为严重，其次为无脉冲效应地震动，滑冲效应地震动破坏性最轻。

图8 坝顶顺河向位移时程曲线

2.5 近断层地震动对重力坝损伤耗能影响研究

图9为Koyna重力坝在遭受不同特性近断层地震动作用后的坝体损伤耗能时程曲线。从图9可以看出，地震过后，向前方向性效应地震动(TCU082和TCU051)产生的坝体损伤耗散能分别为9.08 kN·m和6.82 kN·m；滑冲效应地震动(TCU075和TCU076)产生的坝体损伤耗散能分别为1.62 kN·m和1.06 kN·m；无脉冲效应地震动(TCU079和TCU071)产生的坝体损伤耗散能分别为5.57 kN·m和4.05 kN·m。从坝体损伤耗能情况可以看出，向前方向性效应地震动作用后坝体产生的损伤耗散能最多，其次为无脉冲效应地震动，最后为滑冲效应地震动。说明向前方向性效应的破坏作用最为严重，其次为无脉冲效应地震动，滑冲效应地震动破坏性最轻。

图9 坝体损伤耗能时程曲线

3 结 论

本文以Koyna重力坝为研究对象建立了塑性损伤模型，从坝体损伤区域分布、坝顶关键点位移以及坝体损伤耗能情况3个方面出发，对比研究了向前方向性效应、滑冲效应和无脉冲效应近断层地震动对重力坝整体损伤特性的影响。结果表明：

(1)向前方向性效应地震动作用下坝体产生的损伤破坏范围、坝顶关键点位移变形及坝体损伤耗能最大，其次为无脉冲效应地震动，滑冲效应地震动造成的影响最小。

(2)向前方向性效应地震动会对重力坝产生更为严重的损伤破坏影响，在重力坝抗震设计过程中应重点关注向前方向性效应地震动造成的影响。

(3)目前的研究中仅考虑了单向近断层地震动对重力坝损伤破坏的影响，水平和竖直地震动耦合作用下的结果如何还需进一步研究。