西納川水庫(kù)心墻壩基巖上覆土層影響下動(dòng)力響應(yīng)特征研究

李一峰

(中國(guó)水利水電第四工程局有限公司，青海 西寧 810007)

水工建筑安全穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力響應(yīng)特征密切相關(guān)，而其響應(yīng)特征由于多種因素有所關(guān)聯(lián)，比如閘門、心墻壩等水工建筑物，運(yùn)營(yíng)可靠性與其自身設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)，同時(shí)也與工程運(yùn)營(yíng)公開密不可分。針對(duì)水工建筑物進(jìn)行靜力響應(yīng)特征計(jì)算，有助于推動(dòng)水利工程安全可靠運(yùn)營(yíng)。黃利國(guó)、楊松等為研究閘門或水閘等水利設(shè)施的靜力特征，設(shè)計(jì)了不同水位工況下的結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算，從閘門或水閘等結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移等特征，評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或工程運(yùn)營(yíng)可靠性。張中昊等、王博等、孔憲京等為探討靜、動(dòng)力響應(yīng)綜合特征，借助仿真計(jì)算或模型試驗(yàn)方法，探討了防滲墻、閘門以及心墻壩等水工結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移以及加速度等響應(yīng)變化特征，為實(shí)際工程運(yùn)營(yíng)、建設(shè)提供依據(jù)。針對(duì)水工建筑動(dòng)力響應(yīng)特征，反映了結(jié)構(gòu)抗震能力，曾欣等、曹洋等引入不同的地震動(dòng)荷載研究方法，如振型分解法、反應(yīng)譜疊加等，研究了閘墩、水閘等結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特征與設(shè)計(jì)參數(shù)關(guān)系，探討最適合結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方案，極大豐富了水工建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)參考成果。本文為研究西納川水庫(kù)心墻壩結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特征，設(shè)計(jì)探討了不同心墻厚度、不同峰頻地震波下動(dòng)力特征計(jì)算，為西納川水庫(kù)工程抗震設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

2 研究概況

2.1 工程簡(jiǎn)介

西納川水庫(kù)乃是西寧地區(qū)重要水利樞紐工程，具有防洪、灌溉、輸供水等水利工程，設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)后最大庫(kù)容量可達(dá)1133.8萬m3，最大壩高為56.8m，主壩軸長(zhǎng)為461m，控制流域面積超過1500km2，惠及農(nóng)田超過3萬畝，實(shí)現(xiàn)西寧東南部地區(qū)豐、枯水季供水效率不低于95%。西納川水庫(kù)工程包括有心墻主壩、泄洪閘、引水隧洞以及配套輸水灌渠等，工程建設(shè)布置如圖1所示，采用圍堰導(dǎo)流施工方式，設(shè)計(jì)導(dǎo)流量為420m3/s，堰體內(nèi)設(shè)置有防滲墻、止水面板以及土工防滲膜等防滲結(jié)構(gòu)，堰坡內(nèi)最大滲透坡降不超過0.15，墻底部水頭值低于40m，設(shè)計(jì)方案經(jīng)模擬運(yùn)營(yíng)表明，圍堰浸潤(rùn)線不超過堰坡1/3，最大孔隙水壓力低于400kPa。溢洪道工程與導(dǎo)流洞平行，位于主壩右側(cè)，涵蓋進(jìn)水段、泄槽段以及消能段在內(nèi)，軸長(zhǎng)為352m，采用寬尾墩、消能池以及尾坎等消能措施，最大消能率為47.8%，泄流量280m3/s，下游消能池出流段平穩(wěn)流速約為2.7m/s。根據(jù)溢洪道工程靜、動(dòng)力特征計(jì)算，其最大拉應(yīng)力不超過1.9MPa，拉應(yīng)力主要集中于泄槽與進(jìn)水渠耦接段，泄流段為階梯式溢流面，最大階梯尺寸為0.6m×0.45m，共有10級(jí)過渡段階梯與12級(jí)均勻段階梯，有效支撐起溢洪道泄流消能。溢洪道工程中溢流閘立面設(shè)計(jì)如圖2所示，進(jìn)、出水渠段坡度分別為1/0.5、1/1，采用弧形鋼閘門作為擋水建筑，閘墩頂為倒梯形，設(shè)置橫梁與心墻主壩頂相接，泄洪最高水面線未超過溢流閘墩承臺(tái)底部，閘門面板上最大靜水壓力低于280kPa，設(shè)計(jì)最大泄流量為330m3/s，在該極限工況下閘墩、閘門以及壩頂連接梁等構(gòu)件應(yīng)力均滿足安全允許值。不僅如此，西納川水庫(kù)作為農(nóng)業(yè)灌溉重要調(diào)節(jié)水源，心墻壩左側(cè)建設(shè)有節(jié)制閘樞紐如圖3所示，作為下游輸水灌渠重要控水樞紐。從西納川水庫(kù)運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定性考慮，溢洪道、溢流閘以及節(jié)制閘等均依附于心墻主壩，而該壩體作為水庫(kù)發(fā)揮各項(xiàng)水利功能的關(guān)鍵，其上覆蓋土層厚度超過70m，且在不同壩段分布有不同覆蓋土層，如粗粒砂巖、細(xì)粒砂巖等。為確保西納川水庫(kù)運(yùn)營(yíng)可靠性，結(jié)合抗震設(shè)計(jì)分析，并基于心墻壩基巖上覆蓋土層特性差異，評(píng)價(jià)心墻壩結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特征影響變化。

圖1 工程建設(shè)布置示意

圖2 溢流閘立面設(shè)計(jì)

圖3 節(jié)制閘樞紐

2.2 建模研究

基于西納川水庫(kù)心墻壩設(shè)計(jì)方案，采用ADINA仿真計(jì)算平臺(tái)建立心墻壩模型，如圖4(a)所示。該模型中簡(jiǎn)化了部分附屬水工建筑，包括了心墻料、上、下游堆筑料以及基巖上覆蓋土層、基巖層等，共有3個(gè)大類分區(qū)，每一個(gè)分區(qū)相應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)有所差別，實(shí)際取值按照室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)設(shè)定，上覆蓋土層厚度H根據(jù)研究壩段確定。本文研究模型取自兩個(gè)壩段，壩高為52m，針對(duì)粗、細(xì)粒砂巖兩種不同土性的覆蓋層，相應(yīng)的厚度按照覆蓋土層平均厚度確定，設(shè)定為65m，土體黏聚力分別設(shè)定為35k、42kPa，中值粒徑分別為3.6、1.2mm。圖4(b)為壩體心墻獨(dú)立模型，曲率半徑為8.5×10-4，心墻長(zhǎng)度為62m，均為瀝青混凝土材料，其厚度設(shè)計(jì)參數(shù)還待優(yōu)化，相似工程研究表明心墻壩厚度分布為0.3～0.8m。計(jì)算模型中頂、底面均為單法向約束與全約束邊界，研究工況設(shè)定上游水位為52.5m，采用四邊體與六邊形單元進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分，共有86274個(gè)單元，76286個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖4 心墻壩計(jì)算模型

為確保計(jì)算結(jié)果可靠性，采用自然監(jiān)測(cè)地震波作為研究動(dòng)荷載，蘭州地震波的水平、法向加速度時(shí)程特征如圖5所示。采用時(shí)程譜分解方法，對(duì)心墻壩結(jié)構(gòu)輸入地震動(dòng)荷載，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為30s，3種地震波峰頻均為0.2g，按照基本峰頻的1/4、2/4、3/4分別確定動(dòng)荷載研究工況分別為0.05g、0.1g、0.15g。心墻壩2種上覆土層的動(dòng)剪切模量系數(shù)分別為890、2260，力學(xué)本構(gòu)滿足粘彈性模型，相應(yīng)動(dòng)力放大系數(shù)按照剪切模量系數(shù)確定，法向剛度均為0.75，在動(dòng)荷載研究工況與相關(guān)覆蓋土層參數(shù)的輸入下，研究心墻壩體動(dòng)力響應(yīng)變化特征。

圖5 地震波時(shí)程特征曲線

本工程心墻壩模型中包括了覆蓋土層特性、心墻厚度兩大因素，后者按照對(duì)比研究的原則，分別設(shè)定心墻厚度為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8m，在粗、細(xì)粒砂巖2種不同覆蓋土層下，研究心墻壩動(dòng)力響應(yīng)特征受自身設(shè)計(jì)參數(shù)以及地震波外荷載影響變化特性。

3 心墻壩結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)心墻壩結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)影響

3.1 壩體加速度響應(yīng)特征

基于上覆蓋土層不同土性下心墻壩動(dòng)力響應(yīng)特征計(jì)算，獲得了心墻不同厚度下壩體加速度響應(yīng)特征變化如圖6所示。依據(jù)圖中加速度響應(yīng)特征可知，心墻厚度愈大，則加速度響應(yīng)水平愈高，心墻厚度增大，提高了壩體質(zhì)量放大系數(shù)，進(jìn)而在動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算中呈現(xiàn)較大的加速度響應(yīng)水平。在粗粒砂巖覆蓋層中，壩體高度9m處心墻厚度0.3m下加速度響應(yīng)值為0.3m/s2，而心墻厚度0.4、0.6、0.7m下相應(yīng)加速度響應(yīng)值較之分別提高了56.4%、161.2%、287.5%，尤以心墻厚度0.7、0.8m下加速度響應(yīng)水平增幅顯著。從壩體加速度相應(yīng)均值對(duì)比來看，在粗粒砂巖覆蓋層中，心墻厚度0.3m時(shí)響應(yīng)均值為0.51m/s2，而隨心墻厚度每遞增0.1m，則加速度響應(yīng)水平平均提高了36%，尤以在心墻厚度0.7、0.8m方案下，加速度響應(yīng)均值平均提高了50.3%。當(dāng)上覆蓋土層為細(xì)粒砂巖時(shí)，隨心墻厚度0.1m遞增，壩體結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)均值平均提高了31.4%，心墻厚度0.3、0.5、0.8m下分別為0.27、0.5、1.35m/s2，同時(shí)也是在心墻厚度0.7、0.8m下加速度響應(yīng)均值具有較顯著增幅，最大增幅達(dá)64.5%。分析表明，心墻對(duì)壩體動(dòng)力響應(yīng)特征影響包括了自身抗震能力和自重系數(shù)兩方面，當(dāng)心墻厚度遞增，一方面可增大壩體結(jié)構(gòu)抗震能力，但不可忽視過大的結(jié)構(gòu)自重，會(huì)進(jìn)一步加劇結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特征，尤以心墻厚度超過一定節(jié)點(diǎn)，壩體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)水平將處于心墻體不可控狀態(tài)。

圖6 心墻不同厚度下壩體加速度響應(yīng)特征

對(duì)比2種覆蓋土層下動(dòng)力響應(yīng)水平差異可知，同是心墻厚度0.4m，細(xì)粒砂巖覆蓋層下壩體高度15m處加速度響應(yīng)值為0.3m/s2，而粗粒砂巖在該壩體高度、心墻厚度下較前者增大了72.9%；不止于此，對(duì)比壩體加速度響應(yīng)均值，粗粒砂巖覆蓋層在心墻厚度0.5、0.8m下較之細(xì)粒砂巖覆蓋層分別增大了71.7%、70.8%。由此可知，粗粒砂巖在壩體動(dòng)力響應(yīng)中更為活躍，同時(shí)，細(xì)粒砂巖覆蓋層心墻壩加速度響應(yīng)水平受心墻厚度影響弱于粗粒砂巖，表明前者細(xì)粒砂巖覆蓋層對(duì)地震波能量傳輸更為不利，更利于壩體結(jié)構(gòu)抗震。

3.2 壩體主應(yīng)力響應(yīng)變化

基于心墻壩動(dòng)力響應(yīng)特征計(jì)算，獲得了壩體大主應(yīng)力影響變化如圖7所示。從壩體大主應(yīng)力變化特征可知，在粗粒砂巖覆蓋層中，同一峰頻地震波下，壩體大主應(yīng)力隨心墻厚度為“遞增-遞減-二次遞增”變化，其中二次遞增幅度高于一次增幅。粗粒砂巖覆蓋層中，地震波峰頻0.1g中，心墻厚度0.3m下大主應(yīng)力為1.02MPa，而厚度0.4、0.6、0.8m下心墻厚度較之分別提高了26.4%、32%、101.6%，但在心墻厚度0.5～0.6m中大主應(yīng)力具有遞減變化，而在心墻厚度0.3～0.5m與0.6～0.8m中大主應(yīng)力分別具有平均增幅20.8%、23.7%。特別的，不同峰頻地震波工況下大主應(yīng)力隨厚度變化的降幅段、增幅段均是如此，表明地震波峰頻對(duì)大主應(yīng)力受心墻厚度影響變化趨勢(shì)無顯著效應(yīng)。

圖7 地震波不同峰頻下壩體大主應(yīng)力變化特征

當(dāng)覆蓋層土性為細(xì)粒砂巖時(shí)，壩體大主應(yīng)力隨心墻厚度為持續(xù)遞增變化，但在心墻厚度超過一定節(jié)點(diǎn)后增幅更顯著，在地震波峰頻0.05g中心墻厚度0.3、0.5m下大主應(yīng)力分別為0.38、0.47m/s2，而在心墻厚度0.3～0.7m中大主應(yīng)力平均提高了11.6%，在厚度0.7～0.8m中增幅達(dá)57.3%。當(dāng)?shù)卣鸩ǚ孱l增大至0.1g、0.15g后，壩體大主應(yīng)力受心墻厚度影響變化特征有所差異，如峰頻0.1g在心墻厚度0.6～0.8m中具有較高增幅，平均增幅達(dá)29.9%，而峰頻0.15g工況中陡增段出現(xiàn)在心墻厚度0.5m。當(dāng)?shù)卣鸩ǚ孱l增大，壩體結(jié)構(gòu)隨心墻厚度陡增變化節(jié)點(diǎn)愈為提前。相比之下，不論是何種峰頻地震波，細(xì)粒砂巖大主應(yīng)力響應(yīng)水平均低于粗粒砂巖，地震波峰頻0.2g下各心墻厚度方案中大主應(yīng)力差幅分布為2.3%～42.2%，此與細(xì)粒砂巖動(dòng)力響應(yīng)水平弱于后者有關(guān)。

4 地震波外荷載對(duì)心墻壩結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)影響

根據(jù)地震波不同峰頻下動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算，獲得了粗、細(xì)粒砂巖覆蓋層壩體結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)特征，如圖8所示。由圖中可知，同一種覆蓋土層中，地震波峰頻愈大，則加速度響應(yīng)水平愈高，在粗粒砂巖覆蓋層中，峰頻0.05g、0.15g下壩體加速度響應(yīng)均值分別為0.79、1.95m/s2，隨地震波峰頻0.05g遞增，壩體加速度響應(yīng)均值平均提高了58.9%，而在細(xì)粒砂巖覆蓋層中，加速度響應(yīng)均值平均增幅為50.2%，后者土性覆蓋層下動(dòng)力響應(yīng)水平受地震波峰頻影響敏感較弱。

圖8 地震波不同峰頻下心墻壩加速度響應(yīng)特征

對(duì)比來看，在粗粒砂巖覆蓋層中，各峰頻工況中加速度響應(yīng)水平均為“緩增-快增”變化，緩、快增幅轉(zhuǎn)變節(jié)點(diǎn)位于壩體高度24m處，地震波峰頻0.1g下快增段加速度響應(yīng)值平均增大了8.4%。覆蓋土層為細(xì)粒砂巖時(shí)，4個(gè)峰頻工況中加速度響應(yīng)值均為穩(wěn)定遞增變化，如峰頻0.15g中加速度響應(yīng)均值為1.04m/s2，平均增幅為5.4%，而在峰頻0.05g、0.1g、0.2g中相應(yīng)的平均增幅分別為9.6%、6.6%、4.9%。相比之下，細(xì)粒砂巖覆蓋層下，壩體結(jié)構(gòu)受地震動(dòng)荷載影響作用較穩(wěn)定，無突變性，壩體高度方向上加速度響應(yīng)值增幅也較穩(wěn)定，抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)尤為關(guān)注粗粒砂巖覆蓋層心墻壩。

5 結(jié)論

(1)心墻厚度愈大，加速度響應(yīng)水平愈高，但厚度0.6m后，響應(yīng)水平受之影響敏感性增強(qiáng)；細(xì)粒砂巖覆蓋層壩體結(jié)構(gòu)加速度、大主應(yīng)力響應(yīng)水平均弱于粗粒砂巖覆蓋層。

(2)粗粒砂巖覆蓋層下，壩體大主應(yīng)力隨心墻厚度變化具有二次遞增段；細(xì)粒砂巖覆蓋層壩體結(jié)構(gòu)大主應(yīng)力隨心墻厚度為遞增，且增大地震波峰頻，壩體大主應(yīng)力陡增段心墻厚度節(jié)點(diǎn)愈提前。

(3)粗、細(xì)粒砂巖覆蓋層中，地震波峰頻增大0.05g，則壩體加速度響應(yīng)均值分別平均提高了58.9%、50.2%；粗粒砂巖覆蓋層的壩體高度24m處具有加速度響應(yīng)突變性，而細(xì)粒砂巖覆蓋層下響應(yīng)值穩(wěn)定遞增，較為穩(wěn)定。