近斷層地震動斜入射對拱壩橫縫開度的影響

張天然 徐強

摘要：分析高拱壩在近斷層地震動斜入射作用下的橫縫張開對于大壩安全有著重要意義。為研究地震波斜入射對拱壩橫縫張開的影響，建立考慮壩體橫縫非線性的有限元分析模型，以某混凝土拱壩為研究對象，分析了平面SV波、SH波和P波三維地震動同時斜入射下對拱壩橫縫張開的影響。結果表明，壩體的橫縫開度隨著入射角度的增大呈現逐漸增大的趨勢且30度達到最大開度。

關鍵詞：高拱壩;橫縫非線性;地震動斜入射;黏彈性人工邊界

1 引言

高拱壩在發電、航運，防洪等中起到了極其重要的作用。在近斷層地震作用時，壩體橫縫張開過大可能會造成水庫水的大量釋放，嚴重威脅拱壩的整體安全，因此，研究高拱壩在地震波三維斜入射作用下的橫縫張開迫在眉睫。目前一些學者對結構的抗震分析多假定地震波是垂直向上入射的。當斷層距壩址較近時，地震波可能以某一角度斜向上入射到地表附近。黏彈性人工邊界是一種精度合理的地震動輸入方式。Li和Song采用粘彈性邊界計算分析了隧道在斜入射地震動下的響應[1]。文獻[2]基于黏彈性人工邊界的地震動輸入方法研究了平面SV波和P波斜入射下拱壩的動力響應。以上研究表明黏彈性人工邊界在結構的地震反應分析中的適用性。因此在本論文中采用了基于黏彈性人工邊界的地震動斜入射輸入方法，以高拱壩-水庫-地基體系為整體，分析了三維地震動斜入射下拱壩的上下游面的橫縫張開。

2.地震動輸入模型

本文采用粘彈性人工邊界模型[3]，地震動在節點m上的等效應力表示為

3.高拱壩壩體變形的研究

3.1 ?工程概況與有限元模型：某高拱壩壩高為289米。拱壩共包括30條壩縫。本文中采用混凝土塑性損傷模型且考慮受拉損傷。接觸邊界模型被用來模擬混凝土拱壩的橫縫[5]。混凝土參數和巖石參數參考文獻[3]取值。該主要考慮的靜載有壩的自重和靜水壓力（水位低于壩頂9米），根據Westergaard附加質量添加動水壓力。地震動基于黏彈性人工邊界的地震動斜入射進行輸入[4]，采用有代表性的實測koyna地震動作為基底輸入。

3.2 ?橫縫開度分析

圖1（a）為上游面橫縫開度最大值隨入射角度的變化趨勢圖，隨著入射角度的增加，橫縫開度最大值出現逐漸遞增的趨勢，30度入射時的橫縫最大開度最大為12.56cm。最大開度從0度到30度依次為4.33、5.67、6.33、7.67、10.33、11.67和12.56cm。圖1 （b）為下游面橫縫開度最大值隨入射角度的變化趨勢圖，隨著入射角度的增加，橫縫開度最大值出現逐漸遞增的趨勢，30度入射時的橫縫最大開度最大為13.03cm。最大開度從0度到30度依次為6.43、7.31、8.62、10.12、12.58、12.88和13.03cm。

4 結論

拱壩的橫縫開度隨著入射角度的增大呈現逐漸增大的趨勢，且30度入射時，橫縫最大開度達到最大，考慮 30度為最不利入射角度，斜入射地震動對下游面的橫縫張開影響較明顯。

參考文獻

[1]Li P，Song EX.Three-dimensional numerical analysis for the longitudinal seismic response of tunnels under an asynchronous wave input[J].Computers and Geotechnics，2015，63：229-243.

[2]杜修力，徐海濱，趙密.SV波斜入射下高拱壩地震反應分析[J].水力發電學報，2015，34（4）：139-145.

[3]Chen Jianyun，Cao Xiangyu，Xu Qiang，et al.Exploration on damage mechanism and equivalent damage model of high arch dams under earthquakes[J].KSCE Journal of Civil Engineering，2020，24（4）：1285–1306.

[4]周晨光.高土石壩地震波動輸入機制研究[D].大連理工大學，2009.

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