水利水電工程大壩附屬結構的抗震設計

馮洪偉

摘 要：隨著我國水利工程建設的日益深入，各類新型大壩技術已得到了廣泛的應用，取得了一定的成效。但值得注意的是，近年來我國不同地區地震頻發，對水利大壩的整體安全性能造成了嚴重的威脅，應引起水利部門的重視。本文意在，對當前我國水利工程大壩存在的問題進行系統化分析，并提出具體大壩抗震附屬結構的方法，僅供參考。關鍵詞：水利水電；工程大壩；附屬結構；抗震設計近年來我國逐步進入信息化時代，經濟產業結構的調整與優化為我國水利水電工程建設注入了新時代的活力。而我國部分地區地理環境相對特殊，當地水電大壩受到地震的影響較大，已受到了水利部門專家學者的高度重視。因此，應用新型大壩方針附屬結構是當前我國水利部門的首要任務。1 水利大壩防震技術存在的問題我國作為世界上最大的發展中國家，具有悠久的水利發展史，通過構建大壩以降低水患對日常生產生活的影響，是人類利用自然、改造自然的重要表現。而隨著社會主義市場經濟的高速運轉，各類科學技術水平日益提升，帶動了人民物質生活的日益豐富；人口數量與人口密度的逐年激增，對于水利工程建設提出了更高的時代要求，既要提升大壩整體的防水性能，又要有效增加大壩的整體抗震能力，充分提升社會安全指數。值得注意的是，雖然近年來我國水利工程投資力度有所增強，但部分地區的大壩的使用時間較長，修建時間也相對久遠，加之長期性、高強度、高頻率的水流沖刷與侵蝕，使我國各地區的大壩的防震性能銳減。與此同時，部分地區開展大壩修筑的時間較早，所采取的修筑技術相對落后，建筑材料隨時間推移發生了風沙化現象，當遭遇高強度地震時，大壩的安全性難以保證；個別區域的水利工程規劃設計不當，致使當地大壩的承載性能難以抵擋高強度的水流沖刷，當地水利部門又缺乏行之有效的解決辦法，致使各類大壩開裂、空隙現象逐年累積，形成了嚴重的歷史遺留問題。除上述因素以外，隨著城市化、工業化建設的日益深入，在推動了社會經濟發展的同時，也造成了不同程度的生態環境污染，污染嚴重的地區生態平衡遭受永久性破壞，加之綠化樹木的大規模無節制砍伐，致使城市水土流失現象日益加劇，森林的鎖水能力有所減弱，致使水患災害日益嚴重，已成為阻礙我國未來發展的重要問題。21世紀我國逐步進入信息化時代，我國水利工程未來的發展面臨著機遇與挑戰并存的局面；一方面，各類新型技術在大壩構建過程中的廣泛應用，在一定程度上提升了水利工程建設水平，水利工程的發展逐步向科學化、合理化的方向穩步邁進；另一方面，山體滑坡、地震等自然災害日益加劇，也對現有的大壩防震性能提出了挑戰。與此同時，個別地震頻高發區區尚未形成系統化的大壩構建與管控措施，在面對大規模地震災害時，大壩的方針能力捉襟見肘。當前我國水利工程大壩設施中存在的缺陷與不足，嚴重威脅了人民日常生產生活。新時期，我國水利部門根據實際防震的要求制定了一系列的大壩結構標準，而在實際的大壩勘測檢查過程中發現，我國部分地區的大壩整體結構未充分滿足建筑條件。大壩的殼體部分與其承重墻體的夯實程度不達標，傳統的大壩修筑過程中，往往采用機械鉆孔與人工作業的方式對大壩基體位置進行夯實，其水平密度與強度與預期設計圖紙的規定標準間存在一定的差異。除此以外，大壩墻體內部的壩土分布不均勻，個別壩體位置受損嚴重，更有甚者壩體局部地區出現了大規模塌方，嚴重威脅了當地人民生產生活的安全。2 附屬結構的動力分析方法現就上述大壩附屬結構的存在的問題提出分析方法，分述如下。2.1 壩后滑雪式溢洪道這類附屬結構一般出現在拱壩工程中，其體積龐大，對壩體的剛度和質量影響都很大，在進行壩體動力分析時，一不能忽略壩體和附屬結構間的藕聯影響，必須將附屬結構連同壩體一起，紅成一個體系進行動力分析用傳統的拱、梁分載法不易處理，需要用有限單元扶求解分析時，只需將附屬結構隨壩體一起劃分單元，求解并無特殊之處，對于象這類有自動形成網格的程序，只要補充人工輸入附加單元和節點信息，并未增加許多前處理一作量，可以利用預留的地基網格節點一號，帶寬也不致過大。對我國廣東省高、兩側有這類溢洪道的泉水雙曲拱壩，按上述步驟進行了有限元動力分析，計算結果與現場實測的壩體動態特性吻合較好而忽略溢洪道附屬結構單獨計算壩體的結果與現場實測結果相差較遠。圖1為有附加的溢洪道單元的網絡模型。2.2 壩面孔口閘墩、導培等我國不少高壩工程，如二灘、李家峽等拱壩都遇到這類情況這類附屬結構的特點是大多處于壩面較高部位，分布在壩面多處，結構多呈板狀，厚度不大，但沿高程及自上下游方向可能延伸相當長度因而其垂直水流方向的剛度不大，可能產生一定的動態效應對重力壩的導墻等。因此，可以不計其對壩體動力反應的反饋影響，只是在做壩體動力分析時，適當考慮附屬結構的附加質量影響類似壩頂附屬結構那樣，將壩面各附屬結構所在部位的壩體反應作為其輸人，單獨進行動力分析。3 簡化分析方法上述壩頂輕型結構和壩面孔口墩、導墻等附屬結構的動力分析方法，雖然原則上是可行的，但在實際高壩工程設計中，求解附屬結構所在部位壩體的反應時程，并進而求得其樓層反應譜，還是比較繁雜的特別對為數不少的孔口閘墩、導墻、挑流鼻坎等附屬結構，計算工作量更大而這類附屬結構，一旦受震損壞，通常易在一個枯水期內修復，其抗震設防要求應低于大壩本身因此，除了個別需要進行專門研究的情況外，似需要進一步加以簡化。4 結束語綜上所述，大壩的多數附屬結構可單獨進行抗震分析。本文建議的簡化分析方法概念清晰，簡便實用由分析與算例顯見，為減少壩上附屬結構的地震荷載，降低附屬結構的動力放大系數月值至關重要，這就意味著壩體與附屬結構的有效振型頻率需相互錯開，工程設計時應予注意。參考文獻[1]段偉，李積啟.水利水電工程大壩混凝土護坡現澆施工工藝探究[J].福建質量管理，2017（12）.[2]劉鳴.水利水電工程中的大壩工程安全監測控制[J].江西建材，2017（22）：130-131.[3]李豐洲.淺議灌漿技術在水利水電工程大壩施工中的應用[J].工程技術：全文版，2017（2）：00267-00267.