乌东德高拱坝振动台动力模型试验研究

2023-09-01胡清义曹去修

人民珠江 2023年8期

熊堃,胡清义,曹去修

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北武汉 430010;2.国家大坝安全工程技术研究中心,湖北武汉 430010)

中国特高拱坝遭受震害的实例并不多,据不完全统计,国内外24座100 m级高拱坝受到影响的仅为8座,修建在强震区的坝高200 m以上的高拱坝经受强震作用的实例更少。同时,中国现行抗震规范[1]主要针对高度200 m以下拱坝,当前拱坝抗震设计研究经验还难以全面满足中国西部高地震烈度区的一系列200 m级到300 m级高拱坝工程建设的要求[2]。在缺乏足够且有效的高拱坝原型地震破坏观测资料的情况下,振动台动力模型试验是研究探讨高拱坝地震破坏模式和破坏机理的有效途径之一。

自20世纪60年开始,中国水利水电科学研究院[3-7]就开始逐步开展拱坝及重力坝的振动台动力模型破坏试验的研究工作,研究提出了模型相似材料、振动台地震波输入、大坝-地基-库水相互作用、坝体横缝、坝肩关键滑裂体和人工阻尼边界等一系列试验技术,最大限度模拟了影响拱坝地震响应的各种主要因素,并应用于龙羊峡、溪洛渡、小湾、大岗山等工程,试验结果为深入认识拱坝在地震作用下的响应,全面评价拱坝的抗震性能提供了重要依据。大连理工大学[8-10]、清华大学[11-12]、河海大学[13]等单位也开展了高拱坝动力模型试验研究方面的工作。钟红等[14]针对拱坝在地震作用下的破坏机理问题,通过动力模型破坏试验以及数值模拟的相互验证,指出大坝顶拱中部附近是高拱坝抗震设防的关键部位。王海波等[7]指出了拱坝系统动态物理模型的难点主要体现在模型边界条件模拟和模型材料与模型加工2个方面,其中模型边界条件涉及到拱坝系统有限模型的远场辐射阻尼效应模拟和系统地震动输入模拟,模型材料主要困难在于抗拉强度的模拟,其关系到坝体损伤破坏成果。

金沙江乌东德水电站是中国第四座、世界第七座跨入千万千瓦级行列的巨型水电站,混凝土双曲拱坝最大坝高270 m,设计地震动峰值加速度0.285g,校核地震动峰值加速度0.348g,大坝抗震安全问题较为突出。本文给出了乌东德拱坝振动台动力模型试验的研究成果,与数值模拟计算成果[15]进行对比,分析乌东德拱坝的地震破坏模式与抗震薄弱环节,该成果为大坝的抗震安全评价与抗震措施设计提供了依据。

1 工程概况

乌东德大坝为拋物线双曲拱坝,最大坝高270 m,抗震设防类别为甲类,设计地震和校核地震加速度代表值分别取基准期100 a内超越概率2%和1%的地震动峰值加速度,分别为0.285g、0.348g。在大坝体形的抗震设计过程中,采用了“静力设计,动力调整”的新方法[15],以动力拱梁分载反应谱法开展抗震分析并不断调整大坝体形,使其在基本烈度地震的条件下满足拱坝设计规范的应力控制指标,提高了坝体抗震性能。可行性研究阶段大坝体形的特征参数和技术指标见表1,三维效果见图1。

图1 大坝体形三维效果

表1 乌东德拱坝体形特征参数、技术指标

2 模型设计

乌东德高拱坝振动台动力模型试验委托中国水利水电科学研究院工程抗震研究中心[16]完成,该试验对拱坝、坝体横缝、地基、库水及无限地基的辐射阻尼效应等影响拱坝系统地震响应的主要因素进行了模拟。试验首先在正常蓄水位和死水位条件下分别进行设计地震动水平和校核地震动水平的加振,以评价拱坝在设计地震和校核地震条件下的抗震安全度,然后在正常蓄水位条件下进行超载加振,以研究大坝地震的破坏模式与极限抗震能力。

振动台台面尺寸5 m×5 m,最大载重量20 t,试验模型总体布置与试验情况见图2,包括坝基、坝体、水库及阻尼边界。长度比尺受振动台的最大载重量及台面尺寸所限取为280;试验中由于库水液体只能采用普通水,故材料密度比尺取为1.0;同时,试验只能在常重力场条件下进行,加速度比尺取为1.0;弹性模量比尺取为250。弹性范围内其他比尺均可由上述4个基本相似比尺算出,见表2。

a)模型布置设计

表2 模型相似比尺

拱坝坝体采用特制砌块砌筑而成,砌块采用以硫酸钡、氧化铅及滑石粉为主的混合原料,自然干燥加压成型方法制备,材料控制指标主要包括容重、弹性模量、抗拉强度等,以准确模拟坝体的受力特性与开裂损伤状况。实际坝体模型材料的抗拉强度为0.009 39 MPa,对应原型C18035混凝土的静态抗拉强度2.55 MPa,试验模型材料强度满足相似率比尺要求。根据已有的研究成果,除横缝张开量之外,模拟数条主要横缝即可反映横缝对坝体动力响应的主要影响,该模型坝体上设置了7条横缝。地形基础用特制加重橡胶黏接砌筑而成,基础范围上下游各取约一倍坝高,左右岸及底部约半倍坝高,模型横河向长度为2.7 m,顺河向长度为2.2 m、总高为1.334 m,水库长度约为2.83倍坝高。室内试验模型仅包括有限范围的水库和基础,为了减小有限基础边界的影响,沿模型基础四周设置了阻尼液模拟的人工阻尼边界,通过能量消耗近似反映模型有限范围基础之外的无限域的动力影响,使试验条件更为接近实际工程条件。

试验模拟上游正常蓄水位975.00 m和死水位945.00 m两种工况。根据以往的研究成果,淤沙及下游水位对动力响应的影响较小,在试验中未予考虑。输入的地震波时程为按抗震规范设计反应谱拟合生成的人工地震波、实际记录Koyna(柯依那)地震波和Loma Prieta(洛马普列塔)地震波。振动台实际的输入地震动根据模型基础与振动台的刚性连接条件进行了一定调整,在进行超载试验时只对地震波的幅值进行放大,不同激振水平的时程波形完全相似。

试验中共采用5类170通道测点进行数据采集,分别为加速度计、位移计、应变计、缝位移计及动水压力计。

3 坝体动力响应

3.1 坝体动力特性

坝体的基本动力特性根据0.05g水平白噪声激振条件下坝体加速度响应分析计算得到,根据试验结果,在正常蓄水位条件下大坝原型基频2.21 Hz,为正对称振型。图3为根据坝顶5个测点的传递函数得到的在各试验工况下的顺河向第一阶频率变化曲线,从低水位至满库的频率下降主要是由于动水压力所引起,在设计地震各工况加载前后大坝动力特性变化甚微,之后的频率下降是坝体刚度下降的反映,结合与其他观测结果可判断坝体损伤发展过程。图4给出了正对称、反对称各第一阶振型的示意。

图3 加载前后坝体顺河向基频变化曲线

a)正对称第一振型

采用拱梁分载法AOAD软件计算所得大坝基频为2.29 Hz,采用有限元软件ABAQUS计算的大坝基频为2.4 Hz,相应振型均为正对称,与模型试验成果基本一致。

3.2 坝体加速度反应

试验显示,大坝顺河向加速度放大倍数较大,且上部拱冠响应最大而向两岸逐渐减小。图5为设计地震及超载工况顶拱顺河向最大加速度的分布,以向下游为正,无特别标注的坝前均为正常蓄水位。设计地震条件下拱冠坝顶与坝趾最大加速度峰值比,顺河向基本上在12.3～14.9倍,正常蓄水位人工波坝顶顺河向最大加速度1.329g。有限元数值分析相应工况最大加速度1.290g,模型量测值与计算值基本一致。在地震超载工况,5.0倍超载以后,拱冠部位加速度变化剧烈,与此时拱冠附近坝体出现了水平开裂有关。

a)设计及校核地震

3.3 坝体应变反应

由于材料非线性特性的限制,试验中不能将所测的应变值换算为坝体应力,但可作为判断坝体受力状况的依据。试验量测结果分析表明,在设计地震条件下,坝体拱向和梁向应变分布都比较均匀;地震荷载超载后,压应变随地震输入增大而增加,大部分位置的拉应变由于受横缝张开的影响最大值未超过100 με;但在坝体靠近坝顶的969.00 m高程处,图6所示,两拱端拱向的拉应变均明显大于其他位置,尤以下游面更为突出,在4.0倍超载工况之后,该高程下游面动拉、压应变快速增大,受拉已超过材料开裂应变水平,试验后观察该部位有开裂迹象。

图6 ▽969高程拱向动拉应变最大值分布

图7给出了拱冠梁和左梁剖面的梁向最大拉应变分布。在设计地震工况,梁向动应变沿高程分布较为均匀。随地震输入的不断增大,中上部位动应变增加较快,下游面拉应变的变化幅度快于上游面。在5.0倍超载工况之后,左梁下游面距坝顶约103.00 m位置出现开裂,试验后目测观察也确认了宏观水平向裂缝,在同高程位置的其他梁下游面梁向拉应变均较大。

a)拱冠梁

3.4 坝体横缝开度

试验得出的死水位工况横缝最大张开量与正常蓄水位工况基本接近,图8给出了正常蓄水位人工波设计地震条件下试验坝体横缝张开量与有限元数值计算值的比较,图9为拱冠处横缝及左缝在超载时最大缝开度沿高程的分布。

a)上游坝顶

a)拱冠缝

a)下游面

由图8可知试验与计算两者量级一致,但试验数值大于计算值,造成这种差异的主要原因是计算模拟了全部横缝,而试验仅模拟了7条,导致试验得出的单条缝张开量相对较大;此外,计算中假定横缝为零初始间隙,而模型中很难做到绝对零初始间隙,从而减弱了静水作用下横缝缝面的初始压力,导致横缝更易于张开。

在地震超载工况,横缝张开量基本呈均匀增加。最大张开量发生在拱冠横缝位置,6.0倍超载工况最大,此时上游面0.685 mm,下游面0.499 mm,换算至原型分别为214.8、156.5 mm。从图9可以看出横缝开度随高程降低逐渐减小,减小速度较快。

4 坝体损伤开裂状况

根据加速度、应变和位移的量测结果及坝体表面图像监测与目测情况,可知模型坝体在各种工况下损伤开裂发生和发展状况。表3列出了在地震荷载逐渐超载过程中坝体损伤的部位及判断依据。

表3 坝体损伤发展过程

试验显示,在设计地震作用下坝体未见损伤,地震荷载超载2.5倍时靠近顶拱部位的下游坝面坝体左侧出现水平向的宏观开裂,在地震荷载超载至5.0倍的过程中,该部位的开裂逐渐扩展到拱冠,同时其对应的上游坝面位置也有开裂,并在超载倍数达到6.0时上、下游坝面的开裂贯通,形成了独立的可动块体。对于两岸坝肩,根据拱向拉应变最大值增速判断,左、右岸坝肩约在4.0倍超载工况发生开裂损伤。需要指出的是,尽管有上述损伤发生,但地震超载后的坝体维持了静态的稳定,没有发生溃坝。

根据试验及相关计算成果,设计在应力水平较高的建基面附近区域提高了混凝土强度等级;在坝体中上部高拉应力区和易出现损伤开裂区域布置梁向抗震钢筋,以限制地震作用下局部可能产生的裂缝扩展,防止坝体悬臂梁水平错动和断裂。由于横缝在地震过程中张开度较小,不布置过缝钢筋,主要在缝面设置球形键槽,限制坝体在地震作用下沿上下游方向滑动。