余震對重力壩損傷破壞影響研究

李偉康，崔 笑

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635；2.中國電建北京勘測設計研究院，北京 100024)

1 概 述

一次完整的地震事件包括前震、主震及余震，據許多地震實測資料記載，強震過后短時間內往往會有大量余震的產生。在抗震研究初期，人們只研究主震對結構的破壞作用，但隨著對抗震研究的不斷深入，國內外多數學者開始注意到強余震對結構的損傷破壞有著重要影響。在20世紀80年代，Mahin最先選取實測主余序列對非線性單自由度體系進行動力分析，結果發現相比于單主震作用，主余震作用會增加結構的延性需求。Ludovico等[1]通過試驗研究了余震對受損鋼筋混凝土柱的作用，結果發現鋼筋混凝土柱的剛度隨延性系數的增加而急劇下降，殘余位移角與屈服位移角有近似的拋物線關系。楊福劍、王國新等[2]選取了10條實測主余序列，從損傷耗能的角度研究了主余震對RC框架的影響作用，結果發現主余震作用下RC框架的損傷耗能平均值相比于單主震作用下的RC框架的損傷耗能平均值增幅近30%。于曉輝等[3]基于動力增量法對一個5層鋼筋混凝土框架進行了實測主余序列及人工主余序列影響研究，結果發現基于隨機法構造的人工主余序列會對混凝土框架造成更明顯的損傷破壞，使用余震和主震的峰值加速度比能對余震作用下的增量損傷進行較為準確的預測。基于目前重力壩抗震分析中往往只考慮主震的作用而忽視了余震對重力壩損傷破壞產生的影響，本文以Koyna重力壩為研究對象，對比研究單主震以及主余震作用后的壩體損傷區域分布、位移以及損傷耗能情況，為重力壩抗震設計提供參考。

2 重力壩損傷模型的建立及驗證

2.1 工程概況及有限元模型

Koyna重力壩壩高103 m，壩基底部和壩頂寬分別為70.2和14.8 m，壩前水位91.75 m(圖1)。有限元模型見圖2。地基范圍為上下游、深度方向地基各取1.5倍壩高。模型中防滲帷幕中心線距壩體上游面7 m，帷幕深度為1/2壩前水位高度，取45.5 m。壩體設為塑性損傷材料，壩基為線彈性材料。

圖1 壩體-庫水壩基尺寸示意圖

圖2 Koyna重力壩有限元模型

計算采用的壩體混凝土、基巖材料參數見表1和表2，防滲帷幕取值與壩體混凝土相同。

表1 壩體混凝土材料屬性

表2 基巖材料屬性

2.2 損傷模型的驗證

為了驗證建立的Koyna重力壩損傷模型的正確性，將本文計算出的Koyna重力壩損傷破壞情況與前人的實驗結果進行對比驗證。同時輸入水平向峰值加速度為0.474 g和豎向峰值加速度為0.312 g的Koyna實測地震波(圖3)。在截斷邊界處施加黏彈性人工邊界[4]，以防止地震波發生反射。

圖3 Koyna實測地震波

由圖4和圖5中可以看出，Koyna重力壩損傷區域出現在壩踵及壩體下游折坡處。地震結束時，壩體折坡處附近形成上下游貫通的裂縫，壩體從壩踵位置沿壩基交界面進行開裂，計算結果與文獻[5]實驗結果接近，可以驗證本文建立的Koyna重力壩損傷模型的正確性。

圖4 Koyna損傷分布圖

圖5 Koyna模型試驗結果[5]

3 主余震對重力壩損傷破壞影響分析

人造主余震時程曲線見圖6，水平向主震峰值加速度為0.316 g。根據文獻[5]可知，余震峰值加速度與主震峰值加速度的比值PGA=0.852 6，豎向峰值加速度取為水平向峰值加速度的2/3。本文主震持時取為31 s，余震持時取為22 s，主震與余震中間間隔10 s，總時長63 s。為了防止地震波反射，需要在壩基模型的遠端節點建立合適的邊界條件。本文通過在壩基截斷邊界處設置黏彈性邊界[4]，來模擬遠域地基輻射阻尼對地震波的影響，并基于時程分析法分析了主余震作用下的重力壩損傷破壞情況。

圖6 人造主余震時程曲線

3.1 主余震對壩體損傷區域的影響研究

圖7為重力壩在遭受單主震及主余震作用下的壩體損傷區域分布圖。其中，圖7(a)為單主震作用后的壩體損傷區域分布圖，可以看出單主震作用下壩體在下游折坡處和壩踵位置產生了損傷破壞。圖7(b)為主余震作用后的壩體損傷區域分布圖，可以看出壩踵損傷區域變化不明顯，壩體在下游折坡處的損傷區域進一步向上游方向發展，說明余震對壩體的損傷破壞產生了一定的影響。

圖7 壩體塑性區分布圖

3.2 主余震對重力壩位移的影響研究

圖8為主余震作用后的壩頂水平向位移時程曲線圖。由圖8可以看出，主震作用后壩頂殘余位移為1.583 cm，而主余震作用后壩頂殘余位移為1.867 cm，變形幅度增加17.94%，說明強余震對壩體的變形有重要作用。

圖8 壩頂水平向位移時程曲線圖

3.3 主余震對重力壩損傷耗能影響研究

為定量分析余震對重力壩損傷破壞產生的影響，提取壩體損傷耗能時程曲線，見圖9。單主震作用后壩體損傷耗能為3.794 kN·m，主余震作用后壩體損傷耗能為5.121 kN·m，增幅為34.98%，說明余震對重力壩的損傷破壞有著重要的影響，在重力壩抗震安全評價過程中應考慮余震造成的影響。

圖9 壩體損傷耗能時程曲線圖

4 結 論

本文從損傷區域分布、位移以及耗能3個方面對比研究了單主震以及主余震作用后的結果。主要結論如下：

1)相比于單主震作用，余震對壩體的二次損傷破壞作用主要集中在壩體下游折坡處，對壩踵處的二次損傷破壞作用不明顯。

2)余震作用后，壩體變形量增加17.94%，損傷耗能增加34.98%，說明強余震對重力壩有著顯著的損傷破壞作用，建議在重力壩抗震安全評價過程中應考慮強余震產生的影響。