高心墻堆石壩的動(dòng)力響應(yīng)和抗震分析

路玲

（河南省豫北水利工程管理局，河南 新鄉(xiāng) 453002）

1 引言

由于高心墻堆石壩建設(shè)對(duì)大壩建設(shè)的重要性，許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行研究，袁上豐等對(duì)已經(jīng)建好的多座高心墻堆石壩進(jìn)行研究，通過大壩的外部特征和內(nèi)部材料壩擬定多種計(jì)算參數(shù)，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

目前中國(guó)對(duì)于高心墻堆石壩的抗震特性進(jìn)行了多方面的研究，但未考慮高心墻堆石壩的動(dòng)力響應(yīng)和其抗震情況。文章基于有限元數(shù)值模擬，通過位移變化探究高心墻堆石壩的動(dòng)力響應(yīng)和抗震特性，并進(jìn)行分析。

2 模型建立

2.1 工程概況

如文章以某高心墻堆石壩工程為研究對(duì)象，該地區(qū)在河床附近需開挖高程2.88 km，其中基底厚2 m，由混凝土制成，石壩則由礫石制造，有較好的加固作用。大壩的高度為296 m，寬16 m，坡比分為上下游，分別為1∶2.00和1∶1.90，并且在相應(yīng)位置設(shè)置馬道。高心墻堆石壩在河床附近，附近地形較為復(fù)雜，因此通過數(shù)字模擬對(duì)大壩進(jìn)行建模，并對(duì)模型進(jìn)行分析。

2.2 參數(shù)計(jì)算

此數(shù)值模擬研究主要針對(duì)在地震作用下，大壩的破壞情況，其中主要研究的是其剪切破壞，通過屈服準(zhǔn)則定理，得出強(qiáng)切屈服函數(shù)為：

通過表參數(shù)，輸入到數(shù)值模擬之中，并且為了研究地震的情況對(duì)大壩的影響，得出計(jì)算方案，如表2所示。

表1 數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)表

表2 計(jì)算方案表

3 模型分析

3.1 動(dòng)力反應(yīng)

由表3 可知，表明了各項(xiàng)方向的放大倍數(shù)，由此得出在不同地震波下大壩頂端軸線的加速度放大倍數(shù)的分布情況。

表3 動(dòng)力反應(yīng)計(jì)算結(jié)果表

對(duì)于超越概率1%和超越概率2%的放大倍數(shù)曲線的具體情況是相似的，其中當(dāng)場(chǎng)地譜為0.50時(shí)，其工況的放大倍數(shù)都達(dá)到了最大值，并且曲線在場(chǎng)地譜為0.50～0.70時(shí)放大倍數(shù)曲線下降到上升，但總體放大倍數(shù)隨場(chǎng)地譜的增大先增大后減小。

超越概率1%的高度歸一比超過0.80時(shí)，工況才接近，但超越概率2%的高度歸一比為0.80時(shí)，兩種工況就已經(jīng)接近。其中當(dāng)加速度放大倍數(shù)在2.50時(shí)，高度歸一比都趨于穩(wěn)定，但加速度放大倍數(shù)在1.00～2.50時(shí)，曲線呈遞增關(guān)系。

通過上述可以看出，大壩在地震作用下，其加速度分布較為合理，并且本數(shù)值模擬研究動(dòng)力反應(yīng)情況，主要考慮其穩(wěn)定性。

3.2 永久變形

由表4可知，表明了大壩在每個(gè)工況下的永久變形位移情況變化，由此得出在不同地震波作用下大壩頂端軸線的位移沉降情況。

表4 永久變形計(jì)算結(jié)果表 單位：m

大壩頂端軸線的位移分布情況，對(duì)于超越概率1%和超越概率2%的豎直位移曲線是相似的，都是先增大后減小，并且在場(chǎng)地譜為0.50左右時(shí)，其位移都達(dá)到了最大值；不同工況的水平位移情況，超越概率1%的水平位移比超越概率2%的水平位移的場(chǎng)地譜要長(zhǎng)，但水平位移與場(chǎng)地譜呈正相關(guān)，但當(dāng)場(chǎng)地譜接近1.50時(shí)，就不會(huì)在提高了。其中當(dāng)水平位移在0.90左右之時(shí)，水平位移在上升，但場(chǎng)地譜卻在下降。

通過上述可以看出，大壩在地震作用下，永久位移分布較為合理，并且數(shù)值模擬研究永久變形情況，主要考慮其穩(wěn)定性。

3.3 加固措施

對(duì)于大壩的抗震的加固措施，主要通過數(shù)值模擬對(duì)模型進(jìn)行分析，計(jì)算不同的工況，得出其加固范圍，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行加筋，在大壩頂端的60 m 左右，中間部分為100 m 左右加筋，加筋筋材的間距為10 m左右，具體情況如圖1所示。

圖1 加筋筋材分布圖

通過圖1的加筋筋材分布情況，對(duì)超越概率2%的場(chǎng)地譜進(jìn)行進(jìn)一步研究，對(duì)其動(dòng)力進(jìn)行分析加筋效果。對(duì)比加筋與未加筋的效果，不難發(fā)現(xiàn)，加筋之后，大壩中軸線的豎直位移要高于加筋的，說(shuō)明加筋之后，能明顯提升大壩的穩(wěn)定性加筋之后相較于未加筋，需要場(chǎng)地譜需要達(dá)到更大值，水平位移才會(huì)更大，并且未加筋大壩的水平位移變化趨勢(shì)始終快于加筋大壩水平位移變化趨勢(shì)。

3.4 能力分析

由于對(duì)于地震作用下，大壩能力分析沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，由此通過多因素對(duì)其綜合評(píng)價(jià)，主要通過加筋前后大壩豎向變形情況和安全系數(shù)的分析情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過數(shù)值模擬，計(jì)算不同加速度峰值下的變形情況。對(duì)于未加筋的大壩，其沉降深度會(huì)隨著加速度峰值的上升而上升，加筋大壩與未加筋大壩相似，但加筋大壩的沉降情況要低于未加筋大壩，并且占高比也小于未加筋大壩，說(shuō)明加筋之后，大壩的穩(wěn)定性得到了提升。而對(duì)于安全系數(shù)的變化情況，大壩在面對(duì)地震波的情況下，安全系數(shù)會(huì)隨著加速度峰值的上升而下降，但加筋大壩的下降幅度要低于未加筋大壩，由此說(shuō)明大壩經(jīng)過加筋之后，能夠提升大壩的安全系數(shù)，為工程施工提供參考。

4 結(jié)論

①超越概率1%和超越概率2%的放大倍數(shù)曲線的具體情況是相似的，放大倍數(shù)隨場(chǎng)地譜的增大先增大后減小。高度歸一比則當(dāng)加速度放大倍數(shù)在2.5時(shí)，高度歸一比都趨于穩(wěn)定，但加速度放大倍數(shù)在1.0～2.5時(shí)，曲線呈遞增關(guān)系。說(shuō)明加速度分布較為合理。②超越概率1%和超越概率2%的豎直位移曲線是相似的，都是先增大后減小，對(duì)于水平位移情況，超越概率1%的水平位移比超越概率2%的水平位移的場(chǎng)地譜要長(zhǎng)，但水平位移與場(chǎng)地譜呈正相關(guān)。說(shuō)明永久位移分布較為合理。③大壩加筋之后，面對(duì)地震波的作用，其穩(wěn)定性能明顯得到提升。對(duì)于未加筋的大壩，其沉降深度會(huì)隨著加速度峰值的上升而上升，加筋大壩與未加筋大壩相似，但加筋大壩的沉降情況要低于未加筋大壩，并且占高比也小于未加筋大壩，安全系數(shù)則隨著加速度峰值的上升而下降，但加筋大壩的下降幅度要低于未加筋大壩，說(shuō)明大壩經(jīng)過加筋之后，能夠提升大壩各項(xiàng)性能，為工程施工提供參考。