水庫(kù)高土石壩地震動(dòng)力反應(yīng)特性試驗(yàn)研究

劉小婧

（志丹縣水務(wù)局地下水監(jiān)督監(jiān)測(cè)管理站，陜西 志丹 717500）

1 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，電力需求以及節(jié)能減排和環(huán)保的壓力越來越大，水電能源開發(fā)作為清潔能源的必要性與日俱增。然而開發(fā)水電能源也存在一定困難，工程建設(shè)的穩(wěn)定及安全問題亟待解決，現(xiàn)如今工程人員必須解決的問題為在地質(zhì)條件較為復(fù)雜的地區(qū)開展高壩建設(shè)工程。考慮到水電能源開發(fā)中土石壩建設(shè)的重要性，高土石壩的穩(wěn)定性以及抗震研究已逐漸成為工程熱點(diǎn)。

當(dāng)前關(guān)于土壩的動(dòng)力特性研究已有許多理論和計(jì)算方法，在此基礎(chǔ)上，學(xué)者利用計(jì)算機(jī)編寫了相關(guān)子程序?qū)ν潦瘔蔚牡卣饎?dòng)力響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，這種方法更簡(jiǎn)單便捷，且較為科學(xué)，然而目前在強(qiáng)震中幸存下來的高巖壩較少，故關(guān)于高巖壩的地震數(shù)據(jù)量較少，利用現(xiàn)有資料對(duì)相關(guān)程序進(jìn)行運(yùn)用和改進(jìn)受限。利用地震模擬震動(dòng)臺(tái)可以為這些程序提供更多相關(guān)數(shù)據(jù)，而且可以開展模型壩的地震動(dòng)力響應(yīng)研究。大型土石壩振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)可以為土石壩的結(jié)構(gòu)-動(dòng)力特性的研究提供一定的數(shù)據(jù)參考。

以某水電站為研究對(duì)象構(gòu)建與之對(duì)應(yīng)的大壩試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，分別構(gòu)建心墻壩與面板壩的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，研究高土壩的地震?dòng)力特性響應(yīng)，以便對(duì)三個(gè)模型地震動(dòng)力特性試驗(yàn)結(jié)果做對(duì)比分析，為其它大壩和相似工程的抗震設(shè)計(jì)提供一定的參考，同時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)也可以用來檢驗(yàn)和改進(jìn)土石壩現(xiàn)有的理論方法及計(jì)算機(jī)程序。

2 土石壩結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備選用中國(guó)建筑科學(xué)研究院的三向六自由度大型高性能地震模擬振動(dòng)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)規(guī)模為長(zhǎng)6 m、寬6 m，試驗(yàn)開展時(shí)該試驗(yàn)臺(tái)為國(guó)內(nèi)最大振動(dòng)臺(tái)。

2.2 模型設(shè)計(jì)與制作

以某水電站為模型原型構(gòu)建心墻壩A、B模型與面板壩試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。所進(jìn)行的三次模型試驗(yàn)相似理論基礎(chǔ)為以重力場(chǎng)為基礎(chǔ)的巖土結(jié)構(gòu)振動(dòng)模型試驗(yàn)相似關(guān)系。每次試驗(yàn)時(shí)需要兩個(gè)大壩模型—壩段模型和整體模型，模型壩高度為1 m，模型壩幾何尺寸相似常數(shù)為1/H，其中H 代表原型壩壩高；模型壩密度相似常數(shù)為1；模型壩變形模量相似常數(shù)主要通過原型壩材料和模型壩材料的動(dòng)態(tài)變形試驗(yàn)確定。通過以上相似常數(shù)計(jì)算可得模型所需其它相似常數(shù)，模型所有相似常數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)相似常數(shù)匯總表

模型壩填筑分7層，前6層每層厚度15 cm，第7層厚度10 cm，填筑密度嚴(yán)格把控。每層填筑體平坦度由垂直河向和平行河向兩個(gè)方向進(jìn)行把控。心墻壩模型填筑順序?yàn)椋菏紫葘?duì)模型進(jìn)行分層，使用模板填充心墻，對(duì)各層進(jìn)行填充，最后填筑壩體上下游堆石體。同時(shí)，堆石壩體填筑后，每層填筑體由垂直河向和平行河向兩個(gè)方向整平，而后再施工混凝土板。

2.3 試驗(yàn)內(nèi)容和方法

試驗(yàn)的內(nèi)容主要包括研究模型壩在振動(dòng)影響下的動(dòng)力破壞以及面板壩受地震影響發(fā)生的應(yīng)力-應(yīng)變反應(yīng)。

試驗(yàn)方法為：試驗(yàn)過程中，通過觀察、現(xiàn)場(chǎng)錄像、拍照等手段對(duì)壩體的變形以及破壞進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)設(shè)置應(yīng)變花環(huán)測(cè)定該區(qū)域的應(yīng)變響應(yīng)；試驗(yàn)結(jié)束后，通過測(cè)量研究滑坡的深度和破壞模式，通過應(yīng)變花環(huán)得到面板的應(yīng)變數(shù)據(jù)，并依據(jù)材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系確定出面板的應(yīng)力數(shù)據(jù)。研究重點(diǎn)在于研究心墻壩以及面板壩的地震動(dòng)力響應(yīng)的不同點(diǎn)，因此不對(duì)面板壩的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)做具體研究。

2.4 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

由于輸入地震振動(dòng)類型和輸入形式有所不同，故將整個(gè)試驗(yàn)分為較多小試驗(yàn)，再根據(jù)振動(dòng)幅度將每個(gè)小試驗(yàn)分為若干各方案。其中，地震振動(dòng)類型包括白噪聲、壓縮普通地震波以及規(guī)范正弦波，地震振動(dòng)輸入形式有水平垂直河向以及水平平行河向、三向輸入三種形式。地震振動(dòng)輸入順序遵循先小震后大震，先單向后多向，最后高幅值規(guī)范正弦波的原則。為準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到模型壩的變形，每次輸入地震波前后都要對(duì)模型壩進(jìn)行白噪聲掃描。

3 高土石壩結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

3.1 大壩結(jié)構(gòu)的動(dòng)力（自振）特性

分析三個(gè)模型壩試驗(yàn)結(jié)果可知：心墻壩和面板壩在受到低振幅白噪聲激發(fā)時(shí)，少量靠近壩基的點(diǎn)在某些工況其振動(dòng)不明顯，其它監(jiān)測(cè)點(diǎn)的均發(fā)生了明顯振動(dòng)，且各點(diǎn)自振頻率值較為接近，自振頻率變化不均一；壩體內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)阻尼系數(shù)與邊界條件有關(guān)，即壩體周圍、壩基、山體位置的阻尼系數(shù)受到邊界條件的限制，壩頂阻尼系數(shù)稍大于壩谷中段，大多數(shù)情況下，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的阻尼系數(shù)變化都較小，其阻尼比相對(duì)比較穩(wěn)定；振動(dòng)水平不同時(shí)，壩體不同方向的形變基本保持一致，但形變幅度有所不同。圖1 是心墻壩B 沿豎直方向和沿橫河方向振型系數(shù)沿壩高方向和壩頂軸線方向的變化情況。分析圖1可知，模型壩受地震作用，大壩結(jié)構(gòu)位移的動(dòng)力響應(yīng)基本呈水平分布，動(dòng)力響應(yīng)最大的區(qū)域?yàn)榕c壩頂距離較近的河谷中央壩段處，其周圍區(qū)域的位移動(dòng)力響應(yīng)相對(duì)較小。

圖1 振型系數(shù)沿壩高方向和壩頂軸線方向的分布圖

基于模型壩結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性參數(shù)測(cè)試的總體結(jié)構(gòu)分析可以得出，大壩結(jié)構(gòu)受地震影響時(shí)其振動(dòng)模態(tài)較為明顯，監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)的自振頻率和阻尼系數(shù)的測(cè)試值離散性更強(qiáng)，大壩模態(tài)系數(shù)保持在一定水平。土石壩在地震影響下其振型相對(duì)比較穩(wěn)定，根據(jù)彈性理論計(jì)算所得大壩動(dòng)力特性參數(shù)可以反應(yīng)出模型壩自振特性。而土石壩組成結(jié)構(gòu)為是散粒狀結(jié)構(gòu)，其材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為高度非線性特性，故而其動(dòng)力特性參數(shù)表現(xiàn)出具有一定的離散性。

3.2 大壩結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性影響因素分析

根據(jù)心墻壩A 受不同幅值水平白噪聲激勵(lì)作用所得的一階自振頻率和阻尼比與面板壩一階自振頻率試驗(yàn)過程中的變化情況可得知，壩段模型的自振頻率與水庫(kù)蓄水與否相關(guān)聯(lián)，對(duì)于心墻壩而言，壩體蓄水前的自振頻率比蓄水后的自振頻率大，分析原因可能在于：壩殼堆石材料透水效果好，堆石材料的有效應(yīng)力隨著孔隙水壓力增大而降低，剛度隨之降低，最終導(dǎo)致壩體結(jié)構(gòu)的自振頻率降低。對(duì)于面板壩而言，壩體蓄水前的自振頻率比蓄水后的自振頻率更低，其原因在于：蓄水后面板受水壓力影響，導(dǎo)致堆石體發(fā)生沉降，剛度隨之增加，最終導(dǎo)致壩體結(jié)構(gòu)的自振頻率增加，這與數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)保持一致。模型振動(dòng)試驗(yàn)過程中，面板壩蓄水前后的自振頻率沒有明顯增加，其原因在于：模型體短時(shí)間內(nèi)蓄水，蓄水后立刻開始振動(dòng)試驗(yàn)，其壓實(shí)效果無法完全實(shí)現(xiàn)。

大多數(shù)情況下，在壩基和岸坡的限制作用下，三維模型壩的自振頻率比平面壩段自振頻率稍高，這與心墻壩A和心墻壩B模型壩的試驗(yàn)結(jié)果保持一致。針對(duì)面板壩而言，兩個(gè)模型自振頻率大致相同，其主要原因?yàn)椋好姘鍓蔚靥幪厥獾暮庸鹊囟?，面板壩在河流拐彎處，河谷很窄，河岸兩?cè)岸坡地形不同，兩側(cè)堆石壩結(jié)構(gòu)形態(tài)也差異較大，即左側(cè)邊坡先是陡峭的，然后逐漸變緩，慢慢與壩體相連；右側(cè)邊坡變化不大，但極為陡峭。這種地形使得壩體結(jié)構(gòu)完整性受破壞，壩體受岸坡限制較小，故而模型整體自振頻率不會(huì)高于壩體的自振頻率，甚至模型整體自振頻率比壩體自振頻率更小。

另外，考慮心墻壩A和心墻壩B模型壩的結(jié)構(gòu)類型、壩高、斷面設(shè)計(jì)較為相近，根據(jù)這兩個(gè)模型壩動(dòng)力性能參數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果可知，巖石的動(dòng)力變形性能大壩材料也是影響大壩自振頻率的重要因素。心墻壩B 動(dòng)模量系數(shù)大于2 000，其自振頻率為100 Hz，而與其結(jié)構(gòu)類型、壩高、斷面設(shè)計(jì)均較為接近的雙江口模型堆石壩動(dòng)模量系數(shù)為1 000，其自振頻率為50 Hz。根據(jù)彈性理論，結(jié)構(gòu)的自振頻率與動(dòng)模量的平方根成反比關(guān)系，此次模型試驗(yàn)結(jié)果基本滿足此關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的有效性得以驗(yàn)證?？偟膩碚f，大壩結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性受大壩結(jié)構(gòu)的幾何形狀與大壩材料的動(dòng)力特性影響較大，在大壩設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮。

4 結(jié)論

以某水電站為研究對(duì)象構(gòu)建模型心墻壩A、B與面板壩的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，研究?jī)煞N高土石壩受地震影響的動(dòng)力反應(yīng)特性，主要結(jié)論有：①大壩監(jiān)測(cè)點(diǎn)自振頻率和阻尼系數(shù)具有較小的離散性，大壩模態(tài)系數(shù)大致保持不變，土體和巖石基本穩(wěn)定，材料應(yīng)力與變形的動(dòng)態(tài)關(guān)系具有很強(qiáng)的非線性，動(dòng)態(tài)特性的各個(gè)參數(shù)具有一定的離散性；②利用白噪聲對(duì)模型進(jìn)行激發(fā)所確定的模型結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性參數(shù)值的主要影響因素有壩體內(nèi)部空間位置、輸入白噪聲的幅值水平影響，同時(shí)大壩的幾何形狀、壩體填筑所用材料動(dòng)力特性、水庫(kù)蓄水情況也會(huì)影響大壩結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，大壩設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加以考慮；③高面板堆石壩和高心墻堆石壩兩類堆石壩的抗震性能均較為良好，相較之下，面板壩的抗震性能更好，面板壩優(yōu)抗震性能與面板止水功能設(shè)計(jì)和建造質(zhì)量息息相關(guān)，同時(shí)壩體突出區(qū)域抗震性能相對(duì)較弱，壩體此區(qū)域需加強(qiáng)防護(hù)。