九甸峡水利枢纽面板堆石坝地震反应特性研究

九甸峡水利枢纽面板堆石坝地震反应特性研究

甘肃桃河九滩峡节水工程是一项集水区、城乡生活节水、工业节水、生态环境用水于一体的大型节水工程。同时，农业灌溉、发电、防洪等综合利用功能。正常蓄水位为2822.00m，正常洪水位为205.11m，总蓄水位为9.43亿3m。它是完全国家调整的。该项目的规模属于所有iii级项目。拦河坝为混凝土面板堆石坝,最大高度136.5m,为1级建筑物,地震设防烈度为8度。面板堆石坝按100年一遇洪水设计,洪峰流量为2560m3/s;按5000年一遇洪水校核,洪峰流量为4650m3/s。坝址地形地质条件复杂,峡谷内断裂较为发育。坝址河道顺直,谷底宽40～50m,右岸相对较缓,发育Ⅲ级侵蚀堆积阶地,基座面高度25～30m、宽度70～90m,上覆盖厚10～60m的松散堆积物,其后为50°崖坡至引洮平台;左岸陡峻,近河床为80°的基岩陡壁,高度40～80m,局部凹进形成负坡。根据河心钻孔揭示,左岸发育有宽15～20m的河床深槽,最大深度54～56m,沿坝址区河谷平面曲折展布。根据设计方案,河床趾板处清除覆盖层18m左右,然后在覆盖层上浇筑平趾板,趾板以下覆盖层防渗采用混凝土防渗墙。经研究比较,在河床趾板上游设一连接板,并与混凝土防渗墙柔性对接,以保证从防渗墙到连接板、软基平趾板的变形协调。在三维静力分析的基础上,本文对该坝的动力特性进行了深入计算研究,给出了设计地震曲线及峰值加速度时的动力反应特性,包括坝体和面板的加速度反应、位移反应、应力反应,以及周边缝和面板接缝的位移反应等,揭示了峡谷地形和深厚覆盖层地质条件下面板堆石坝地震反应的一般规律,分析了该坝的抗震稳定性,论证了设计方案的合理性,提出了抗震设计建议。1动态分析和模型1.1动三轴动剪切模量模型采用等效非线性粘弹性模型,即假定坝体堆石料和地基覆盖层土为粘弹性体,用等效剪切模量G和等效阻尼比λ这2个参数来反映土的动应力应变关系的2个基本特征:非线性和滞后性,并表示为剪切模量和阻尼比与动剪应变的关系。其关键是要确定最大动剪切模量Gmax与平均有效应力的关系,以及动剪切模量与动阻尼比的关系。根据动三轴试验成果,最大动剪切模量Gmax可以表示为:Gmax=Κpa(σ´0Ρa)n(1)Gmax=Kpa(σ′0Pa)n(1)式中:σ′0为平均有效应力;Pa为大气压力;K为模量系数;n为模量指数;Gmax、σ′0和Pa采用同一量纲。动剪切模量比和动阻尼比与动剪应变γ的关系曲线由试验测得。动力计算时,直接输入相应的关系曲线,根据应变值进行内插和外延取值,用于计算。1.2接触面单元的设置面板和堆石是2种不同性质的材料,且两者的弹性模量相差悬殊,在荷载的作用下可能沿接触面产生滑移或开裂,出现变形不连续现象,因此,有必要在面板和堆石体之间的接触面上设置无厚度的接触面单元。接触面单元的动力模型采用河海大学的试验成果。剪切劲度K与动剪应变γ的关系为:Κ=Κmax1+ΜΚmaxτfγ(2)K=Kmax1+MKmaxτfγ(2)剪切劲度K与阻尼比λ的关系为:λ=(1+ΚΚmax)λmax(3)Κmax=Cσ0.7n‚τf=σntanδλ=(1+KKmax)λmax(3)Kmax=Cσ0.7n‚τf=σntanδ式中:σn为接触面单元的法向应力;δ为接触面的内摩擦角;λmax为最大阻尼比;M,C为试验参数。1.3．4坝面为倾斜面板时地震期间,库水作用动水压力采用附加质量法进行计算,即把动水压力对坝体地震反应的影响用一等效的附加质量考虑,与坝体质量相叠加来进行动力分析。采用有限单元法计算,当上游坝面为倾斜的面板时,按Westergard近似计算公式,库水动水压力的附加质量为:Μwi=(ψ90)(78)ρ√Η0iziAi(4)Mwi=(ψ90)(78)ρH0izi−−−−−√Ai(4)式中:ρ为水的密度,kg/m3;H0i为结点i所在断面的坝前库水水深,m;zi为计算结点i到水面的水深,m;Ai为结点i的有效面积,m2;ψ为面板与水平面的夹角,(°)。1.4滑动面安全系数采用各单元的应力评价其稳定性,即求出滑动面的方向和分布。根据摩尔-库伦破坏准则,把局部安全系数小于1的区域组合在一起,判断出最危险的复合滑动面,在该面上用总抗滑力和总滑动力的比值来定义安全系数,求出在地震全部持续时间内的安全系数和时间经历的关系,这样在考虑不稳定持续时间的同时,也就评价了根据应力所表明的滑动稳定性。面板与垫层之间的抗剪强度小于堆石体的抗剪强度,其沿接触面滑动的安全系数为:Fs=∑(σitanϕili)+∑(cili)∑(τili)(5)Fs=∑(σitanϕili)+∑(cili)∑(τili)(5)地震时,堆石材料的动力强度不一定低于静力强度,最低限度也可以假定保持静力强度。假定以压应力为正,拉应力为负,在运用有限元法计算出坝体单元的静应力和地震时的动应力后,各单元的局部安全系数按以下计算:LFs=2ccosφ-(σ1+σ3-2ud)sinφσ1-σ3(6)ud用斯开普顿公式计算:ud=(1+μ)(σ1d+σ3d)3(7)复合滑动面的安全系数可以按下列方法定义。滑动圆弧通过单元时,该圆弧用弦来近似。设弦的倾斜角度为α,最大主应力与水平面的夹角为θ,均以从水平线逆时针旋转为正,则单元i滑动面上的作用力为:τi=-(σ1i-σ3i)sin(θi-αi)cos(θi-αi)(8)σi=-σ1isin2(θi-αi)-σ3icos2(θi-αi)+udi(9)设通过单元i的圆弧的弦长为li,则滑动面上的总滑动力为:Τ=∑i(liτi)(10)取抗滑力为滑动面上的极限剪切强度τfi:τfi={σ1i+σ3i-2udi2sinφi+cicosφi}cosφi(11)则总抗滑力为:ΤR=∑i(liτfi)(12)因此,任意时刻的安全系数为:Fs=ΤRΤ(13)2计算参数根据试验参数,坝料的动力计算参数如表1～2所示。所缺参数过渡料按垫层料取值、覆盖层料按次堆石料取值。3地震烈度的计算坝体的动力反应计算考虑“正常蓄水位+地震”的工况,并分析对比了实际记录地震曲线和模拟地震曲线2种不同输入地震曲线的成果,同时计算分析了2种不同超越概率的地震反应。超越概率10%的地震烈度为7.4度,水平向峰值加速度为1.42m/s2(144.8gal),垂直向峰值加速度为0.946m/s2(96.5gal);超越概率2%的地震烈度为8.3度(设计烈度),水平向峰值加速度为2.78m/s2(283.9gal),垂直向峰值加速度为1.86m/s2(189.3gal)。因篇幅所限,这里仅给出超越概率2%的计算成果。计算的时间步长为0.02s,输入的实际地震记录加速度曲线如图1所示。3.1实际补充工程计算的加速度分布在设计三向地震作用下,坝体加速度反应在顺河向、坝轴线向(横河向)和垂直向均较为强烈,且在河床最深部位的坝顶附近最大。坝体下游坡的加速度反应明显大于上游坡。由于河谷狭窄弯曲,坝轴线向的加速度反应较小,垂直向的加速度反应较大,顺河向的加速度反应最大。从计算结果来看,坝顶及坝顶附近下游坡区域的加速度反应比较大。采用2%超越概率的实际地震记录曲线作为输入地震曲线时,堆石体顺河向的最大绝对加速度最大值为10.85m/s2,放大倍数为3.89,发生在河床最深的坝顶下游附近;面板顺河向的最大绝对加速度最大值为10.55m/s2,放大倍数为3.79,发生在河床最深的坝顶附近。堆石体横河向的最大绝对加速度最大值为9.28m/s2,放大倍数为3.33,发生在河床最深的坝顶下游附近;面板横河向的最大绝对加速度最大值为8.57m/s2,放大倍数为3.08,发生在河床最深的坝顶附近。堆石体垂直向的最大绝对加速度最大值为10.02m/s2,放大倍数为3.60,发生在河床最深的坝顶下游附近;面板垂直向的最大绝对加速度最大值为8.98m/s2,放大倍数为3.23,发生在河床最深的坝顶附近。坝体下游坡的加速度反应明显大于上游坡。堆石体在坝顶处的最大绝对加速度分布如图2所示。0+118.50断面的最大绝对加速度分布如图3所示,包括顺河向、坝轴线向和垂直向最大绝对加速度分布。3.2坝下坝坡表面走向坝体的最大位移反应为顺河向112mm,横河向72mm,垂直向114mm,发生在河谷最深处的坝顶下游坝坡附近。由于河谷狭窄弯曲,坝体的位移反应较小,坝轴线向的位移反应最小,垂直向的位移反应次之,顺河向的位移反应最大。3.3面板应力反应堆石体应力反应较小,最大第1主应力为846kPa,最大第2主应力为698kPa,最大第3主应力为606kPa。地震期间,最大剪应力反应为372kPa,最大断面0+118.50的最大剪应力反应分布如图4所示。面板的应力反应顺坡向最为强烈,坝轴线向次之,垂直面板向最小。顺坡向最大动应力反应出现在面板中上部,最大动压应力为2765kPa,最大动拉应力为-2342kPa;坝轴线向最大动压应力为908kPa,最大动拉应力为-895kPa;垂直面板向最大动压应力为78kPa,最大动拉应力为-89kPa。面板顺坡向的最大应力反应分布如图5所示。3.4面板缝的拉伸位移地震引起的周边缝的最大位移为:顺缝剪切位移14mm,垂直缝剪切位移16mm,缝面拉伸位移23mm。地震引起的面板缝的最大位移反应为:顺缝剪切位移18mm,垂直缝剪切位移0.02mm,缝面拉伸位移15mm。可见,面板缝和周边缝的地震反应较大,止水设计中应予充分重视。3.5抗疲劳试验(1)坝体局部安全性定义单元的安全系数为潜在破坏面上的抗剪强度与剪应力(包括静剪应力和动剪应力)的比值。地震期间,坝顶下游坡附近少数单元的安全系数在短时间内小于1,但是,这些单元并没有连成一片,且安全系数小于1的持续时间所占比例很小,因此,可以认为坝体的局部安全性是满足要求的。图6为地震10s时刻坝体断面0+118.50的安全系数分布。(2)最小抗滑稳定验算采用拟静力法的简化毕肖普法分析坝坡的稳定性,并同时考虑水平向和垂直向地震作用。在超越概率2%的设计地震作用下,下游坝坡的最小抗滑稳定安全系数为1.31。根据《混凝土面板堆石坝设计规范》SL228-98,对于1级建筑物,在地震作用下(非常运用条件Ⅱ),坝坡的最小抗滑稳定安全系数应不小于1.20,因此,该坝坝坡的整体抗滑稳定性可以满足规范要求。4坝体结构安全性设计(1)在设计三向地震作用下,坝体加速度反应在顺河向、坝轴线向(横河向)和垂直向均较为强烈,且在河床最深部位的坝顶附近最大。坝体下游坡的加速度反应明显大于上游坡。由于河谷狭窄弯曲,坝轴线向的加速度反应较小,垂直向加速度反应较大,顺河向加速度反应最大。坝体的位移反应较小,坝轴线向的位移反应最小,垂直向的位移反应次之,顺河向的位移反应最大。(2)坝体各单元不会产生动力剪切破坏。面板缝和周边缝的地震反应虽相对较大,但通过优化止水设计,面板缝和周边缝可以满足抗震设计要求。(3)面板的地震应力反应顺坡向最为强烈,坝轴线向