深厚覆蓋層高土石壩地震加速度響應分析

張大鵬,馬震岳

(大連理工大學建設工程學部,遼寧大連 116024)

深厚覆蓋層高土石壩地震加速度響應分析

張大鵬,馬震岳

(大連理工大學建設工程學部,遼寧大連 116024)

采用二維有限元軟件GeoStudio對高土石壩進行動力響應分析,應用等效線性方法計算深厚覆蓋層上高土石壩的地震加速度分布情況,對比分析了不同壩高、不同覆蓋層厚度以及不同抗震設防烈度下所得到的加速度分布規律。結果表明,以上三方面因素對地震加速度響應均存在不可忽略的影響。

深厚覆蓋層;二維有限元;高土石壩;地震加速度響應

在地震作用下,壩體的加速度響應與壩體安全關系密切,是研究地震時土石壩破壞機制及其抗震措施的重要因素[1]。近年來,隨著我國水利事業的蓬勃發展,考慮到水資源開發的客觀需要,很多高土石壩工程被提上了建設日程,事實表明,我國水利資源豐富的西南部大多存在深厚的覆蓋層,又屬于地震頻發的地區,壩址的選取經常受到了地質條件的限制[2],在這類地區修建壩體就需要充分考慮地震發生時深厚覆蓋層對壩體加速度的影響。所以,為了更好的研究壩體的抗震加固范圍及分析壩坡穩定等大壩安全問題,深厚覆蓋層上的高土石壩加速度響應分析是很有必要的。

根據SL274—2001《碾壓式土石壩設計規范》中的規定:高度在30 m以下的為低壩,高度在30 m至70 m之間的為中壩,高度超過70 m的為高壩[3]。本文通過等效線性法分別對壩高為100 m,200 m和300 m的心墻堆石壩進行二維有限元分析,研究壩頂加速度響應峰值和壩頂加速度放大倍數的變化特點,并分析不同壩高、不同抗震設防烈度和不同厚度覆蓋層對加速度分布的影響。

1 算 例

1.1 本構模型

計算包括靜力和動力計算,靜力計算采用彈塑性模型,動力計算采用等價粘彈性模型[4]。國內的用于土石壩動力計算的程序很多是以QUAD-4程序為基礎,在彈性的迭代計算中,每個單元計入與應變有關的剪切模量和阻尼比,再求得與應變水平相應的剪切模量和阻尼比[5]。即用等價粘彈性本構模型將一個非線性問題轉化為線性問題。

1.2 計算工況及參數

考慮不同覆蓋層厚度,不同壩高的心墻堆石壩,在不同抗震設防烈度下的加速度響應情況,由于篇幅有限,將部分計算工況列于表1。壩體的上、下游壩坡坡比均為1∶2,上、下游壓重坡比均為 1∶2.5,心墻坡比1∶5,過渡料坡比1∶4。模型網格尺寸取為 4 m。以工況15為例,網格剖分圖如圖1所示,材料計算參數見表2、表3,模量衰減曲線及阻尼增加曲線見參考文獻[6]。

土石壩的動力響應分析目前大多只考慮由基巖發生的剪切波向上傳播對壩體的作用,而忽略壓縮波的影響[7],故本文動力計算采用剪切波地震動輸入。在考慮不同的抗震設防烈度對加速度響應的影響時,用輸入不同的設計基本地震加速度值的方法代替,根據相關規范,二者關系列于表4。基于《水工建筑物抗震設計規范》[8]和《水工建筑物》,覆蓋層土層為中硬場地土,按規范有關場地類別的劃分規定,覆蓋層厚度20 m、40 m、60 m、80m、100m 均為二類場地,采用埃爾森特羅(EL Centro)地震波作為計算的地震荷載比較合適。埃爾森特羅(EL Centro)地震波的時間間隔為0.02 s,持續時間取前30 s,加速度時程曲線如圖2所示。

表1 計算工況

圖1 有限元網格圖

表2 靜力計算參數

表3 動力計算參數

表4 抗震設防烈度和設計基本地震加速度值的對應關系

圖2 加速度時程曲線圖

2 計算結果與分析

對100 m、200 m和300 m高的心墻堆石壩進行不同設計工況下的二維有限元加速度響應計算,將所得數據繪制成關系曲線,在此基礎上,研究不同工況條件下壩頂加速度響應峰值和壩頂加速度放大倍數的變化規律,并進行分析比較。

圖3為不同壩高的壩頂加速度響應峰值在不同地震加速度值條件下,隨覆蓋層增厚的變化情況。

圖3 不同壩高在不同覆蓋層時壩頂加速度響應峰值比較

依據以上曲線關系分析壩頂加速度響應峰值隨覆蓋層厚度增加的數值變化規律,從中也可以比較不同輸入地震加速度值和壩體高度對加速度響應峰值的影響。如圖3所示:壩高一定,輸入相同地震加速度條件下,隨著覆蓋層厚度的增加,壩頂加速度響應峰值呈非線性規律,整體趨勢是下降的,在這個過程中,壩頂加速度響應峰值在輸入地震加速度值較大時會有相對更明顯的變化;相同覆蓋層厚度,輸入相同的的地震加速度值,壩體低的壩頂加速度響應峰值相對較大。通過比較和分析三個不同高度壩體的數據曲線,可以得出以下結論:壩高一定,隨著覆蓋層厚度的增加,由于土體的阻尼作用的積累效應,壩頂加速度響應峰值呈明顯減小趨勢。對于輸入地震加速度值較大,高度相對較低的土石壩,加速度響應峰值隨覆蓋層增厚的過程中下降的幅度相對較大。

圖4為不同壩高的壩頂加速度響應峰值在不同覆蓋層厚度條件下,隨輸入的地震加速度值增大而發生變化的情況。

圖4 不同壩高在輸入不同加速度峰值時壩頂加速度響應峰值比較

依據以上曲線關系分析壩頂加速度響應峰值隨輸入地震加速度的增加而發生變化的規律,從中也可以比較不同覆蓋層厚度和壩體高度對加速度響應峰值的影響。如圖4所示:壩高一定時,相同覆蓋層條件下,隨著輸入的地震加速度值的提升,大壩頂部的加速度響應峰值的變化趨勢是增大的,這類規律在相對較低的壩體表現的更為顯著。通過比較和分析三個不同高度壩體的數據曲線,可以得出以下結論:隨著輸入的地震加速度值的增大,壩頂加速度響應峰值呈明顯上升趨勢。對于覆蓋層較薄,壩高相對較低的土石壩,加速度響應峰值隨輸入地震加速度增大過程中上升的幅度相對較大。隨著覆蓋層的增厚和壩高的增加,這種上升的趨勢會被不同程度的削弱。

圖5為不同壩高的壩頂加速度放大倍數在不同的輸入地震加速度值條件下,隨覆蓋層增厚的變化情況。

依據以上曲線關系分析壩頂加速度放大倍數隨覆蓋層增厚的數值變化規律,從中也可以比較壩體高度和輸入不同的地震加速度對壩頂加速度放大倍數的影響。如圖5所示,三個不同高度的土石壩的壩頂的加速度放大倍數的范圍均在1.5～4.5倍之間,在覆蓋層從20 m增加到100 m的過程中表現出較復雜的非線性變化特性,但是總體來看,同一壩高,在相同地震加速度輸入條件下,壩頂加速度的放大倍數隨著覆蓋層的增厚呈較明顯的減小趨勢。通過比較和分析三個不同高度壩體的數據曲線,可以得出以下結論:隨著覆蓋層厚度的增加,土體的阻尼作用得到了積累,壩頂加速度放大倍數呈明顯減小趨勢;隨著輸入的地震加速度值增大,土體的阻尼作用隨之增大,壩頂加速度放大倍數呈明顯減小趨勢。在輸入地震加速度值變大的過程中,隨著壩高的增加,壩頂加速度放大倍數的下降趨勢變得越發平緩。在地震加速度輸入值較小情況下,壩頂加速度放大倍數受覆蓋層厚度影響更大。

圖5 不同壩高的壩頂加速度放大倍數比較

3 結 語

壩體地震反應中,土體在動力作用下呈現出明顯的非線性特性和阻尼作用,又考慮到不同壩高等影響因素的綜合作用,導致深厚覆蓋層上高土石壩的加速度響應情況變得極其復雜。

深厚覆蓋層上的高土石壩一般建立于地形比較復雜的深山峽谷中,地質條件極其復雜,考慮到土體本身的非線性,使得在研究高土石壩加速度響應分析時應充分重視以上因素帶來的三維效應,應在此基礎上對三維分析方面進行深入研究。

[1]張 銳,遲世春,林 皋,等.地震加速度動態分布及對高土石壩壩坡抗震穩定的影響[J].巖土力學,2008,29(4):1072-1076.

[2]趙劍明,溫彥鋒,劉小生,等.深厚覆蓋層上高土石壩極限抗震能力分析[J].巖土力學,2010,31(8):41-47.

[3]林繼鏞.水工建筑物(第四版)[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

[4]楊志磊,沈振中,趙 斌,等.納子峽面板砂礫石壩地震反應特性有限元分析[J].水利與建筑工程學報,2011,9(3):130-133.

[5]趙劍明,劉小生,袁林娟,等.超高心墻堆石壩大型振動臺模型試驗及數值模擬[J].水力發電學報,2011,30(6):20-24.

[6]孔憲京,婁樹蓮,鄒德高,等.筑壩堆石料的等效動剪切模量與等效阻尼比[J].水利學報,2001,32(8):20-25.

[7]朱亞林,孔憲京,鄒德高,等.高土石壩地震反應和破壞機理分析[J].巖土工程學報,2010,32(9):1362-1366.

[8]中國水利水電科學研究院.DL 5073-2000.水工建筑物抗震設計規范[S].北京:中國電力出版社,2001.

Analysis on Seismic Acceleration Response of High Earth-rock Dam on Deep Overburden Foundation

ZHANG Da-peng,MA Zhen-yue
(Faculty of Infrastructure Engineering,DalianUniversity of Technology,Dalian,Liaoning116024,China)

In order to study the acceleration distribution of high earth-rock dams on deep overburden foundation,the seismic acceleration distribution laws of the dams are compared and analyzed here with equivalent linear method by using 2D finite element software(GeoStudio)and considering the height of dam,the thickness of overburden layer and seismic intensity.The results show that the influence of these three factors on seismic acceleration response could not be ignored.

deep overburden foundation;2D FEM;high earth-rock dam;seismic acceleration response

TV641.1

A

1672—1144(2012)05—0161—04

2012-04-06

2012-05-16

張大鵬(1985—),男(漢族),遼寧省鐵嶺市人,碩士研究生,研究方向為深厚覆蓋層高土石壩動力響應分析。