地震荷載作用下某水利樞紐大壩響應機理分析

郭艷玲

(臨沂市蘭山區水務局，山東 臨沂 276000)

0 引 言

地震是一種強烈的地質構造活動，將釋放大量的能量，對既有建筑物的安全產生一定的影響[1-2]。在工程設計階段需要充分考慮地震作用的影響，加強構筑物的抗震措施，以保證其在地震來臨的安全性[3-4]。水工建筑物中，大壩的安全是十分重要的，一旦壩體失穩將造成不可估量的損失。因此，研究大壩地震響應機理是十分必要的。目前，針對大壩地震響應機理的研究主要采用數值模擬方法，且取得了良好的應用效果[5-6]。

1 工程概況

水利樞紐工程是以灌溉、供水、改善生態環境為主，兼顧發電等綜合利用的大(2)型水利樞紐工程?？値烊菁s1.13×108m3，樞紐工程由大壩、洞式溢洪道、導流泄洪洞、引水發電系統、魚道、發電廠房等組成。灌區土地面積>2萬hm2，設計灌溉面積約0.83萬hm2。經過初步比選擬采用混凝土心墻壩。

2 壩體地震加速度響應

在峰值加速度0.15g地震波作用下，壩體動力響應加速度最大值統計表，見表1。場地譜壩體最大橫剖面最大加速度等值線圖，見圖1；規范譜壩體最大橫剖面最大加速度等值線圖，見圖2；實測波壩體最大橫剖面最大加速度等值線圖，見圖3。

順河向/m·s-2

壩軸向/m·s-2

豎直向/m·s-2

順河向/m·s-2

壩軸向/m·s-2

豎直向/m·s-2

順河向/m·s-2

壩軸向/m·s-2

豎直向/m·s-2

計算結果表明：在規范譜場地波(設計地震)作用下，壩體順河向、壩軸向和豎直向絕對加速度最大值分別為7.1 m/s2、5.8m/s2和4.4m/s2，對應的加速度放大倍數分別為4.73、3.87和4.40。在規范譜人工波作用下，壩體順河向、壩軸向和豎直向絕對加速度最大值分別為6.4 m/s2、4.3 m/s2和4.1 m/s2，對應的加速度放大倍數分別為4.26、2..87和4.10。實測波作用下，壩體順河向、壩軸向和豎直向絕對加速度最大值分別為7.5 m/s2、5.7 m/s2和4.7 m/s2，對應的加速度放大倍數分別為5.07、3.80和4.70。

上述3種地震波作用下，壩體反應加速度最大均為順河向，壩軸向次之，豎直向最小，且都隨著壩體高程的增加而增大。其中，順河向和壩軸向表現出明顯的辮梢效應，即在接近壩體區域時，加速度突然放大。而豎向加速度由壩基向壩頂逐漸增加，在同一高程，大體都體現了由壩內方向逐漸向壩坡方向增大的趨勢。

加速度反應表征大壩地震反應的強弱。壩坡或壩頂等部位加速度過大時，可能造成散粒體拋出或滾動，但計算結果表明，地震反應較強烈的區域相對較小，且峰值加速度的作用時間短，因此對整個壩體的安全性造成危害較小，必要時局部可采取抗震加固措施，以保證壩體安全性。

4 壩體動位移響應

在各地震波作用下，壩體動位移最大值統計表，見表2。場地譜壩體最大橫剖面最大動位移等值線圖，見圖4；規范譜壩體最大橫剖面最大動位移等值線圖，見圖5；實測波壩體最大橫剖面最大動位移等值線圖，見圖6。

順河向/cm

壩軸向/cm

豎直向/cm

順河向/cm

壩軸向/cm

豎直向/cm

(a) 順河向/cm

(b) 壩軸向/cm

豎直向/cm

表2 壩體動位移最大值統計表

計算結果表明：在規范譜(設計地震)作用下，壩體順河向、壩軸向和豎直向動位移的最大值分別為8.5cm、6.7cm和2.7cm。在規范譜作用下，壩體順河向、壩軸向和豎直向動位移的最大值分別為7.3cm、4.6cm和1.8cm。實測波作用下，壩體順河向、壩軸向和豎直向動位移的最大值分別為9.7cm、6.1cm和2.9。

根據動位移分布圖可知，各方向的動位移均隨壩體高程增加而增大，在壩頂達到最大值。三種地震波作用下，實測波條件下壩體動位移響應最大。

5 混凝土防滲墻動應力響應

在各地震波作用下，混凝土防滲墻動應力最大值統計表，見表3。場地譜防滲墻壩軸向動應力等值線云圖，見圖7；規范譜防滲墻壩軸向動應力等值線云圖，見圖8；實測波防滲墻壩軸向動應力等值線云圖，見圖9。

表3 混凝土防滲墻動應力最大值統計表

動壓應力/MPa

動拉應力/MPa

(a) 動壓應力/MPa

動拉應力/MPa

(a) 動壓應力/MPa

動拉應力/MPa

計算結果表明：上述3種地震波作用下，防滲墻動應力響應強烈程度為：實測波>場地譜>規范譜。

根據防滲墻應力分布情況可知，地震過程中，防滲墻壩軸向最大瞬時動拉、壓應力均出現在壩頂偏右的位置，豎直向最大瞬時動拉、壓應力出現在中部。壩體內雖出現較大范圍的瞬時動拉應力，但防滲墻在震前滿蓄期以壓應力為主，僅在防滲墻周圍邊緣位置產生范圍較小的拉應力，且其靜態最大壓應力分布區域基本與動態最大拉、壓應力分布區域重合。因此，動靜疊加后，防滲墻仍以壓應力為主，僅在其周圍邊緣位置出現較小的拉應力。

除水工鋼筋混凝土結構外的混凝土水工建筑物的抗震強度計算中，混凝土動態強度和動態彈性模量的標準值可較其靜態標準值提高30%。動、靜作用力疊加后防滲墻邊緣位置的拉應力增大，但混凝土動態抗拉強度也有一定提高。因此，混凝土防滲墻在設計地震及校核地震工況下具有足夠的抗震安全性。

7 結 論

1)地震作用下，順河向壩體絕對加速度響應最大，不同地震波的最大值為：7.5m/s2、5.8 m/s2、4.7 m/s2，對應的加速度放大倍數為：5.07、3.87、4.70。壩體地震響應辮梢效應顯著。

2)不同方向上，隨著壩體高程的增加，動位移響應越明顯，各方向的最大位移為：9.7cm、6.7cm、2.9cm。

3)混凝土心墻在地震作用下出現短暫的拉應力，但大部分區域拉應力小于靜力，疊加后仍以壓應力為主，僅在邊緣區域出現局部的拉應力，設計時應充分考慮壩體結構對地震的放大作用，加強抗震措施。