振动台模型试验在高面板坝抗震性能研究中的应用

振动台模型试验在高面板坝抗震性能研究中的应用

坝体地震反应特性子铺排水港位于四川省成都市西北60多公里的岷江上游。距四川地震中心仅17公里。水库为混凝土板岩水库，最大水库高度为156m。经历了汶川地震以后,坝体整体性能完好,仅局部发生了破坏,但不影响坝体的整体性能。为此,研究其在不同地震动输入情况下的动力特性,了解坝体在地震过程中的反应和震损情况,分析反应显著的坝体局部,并与实际地震中获得的实测数据进行比较,能够揭示面板堆石坝在地震工况下的地震反应规律,为研究坝体抗震措施和以后面板坝的设计、施工和运行过程中的监测提供借鉴。土石填筑材料动力特性复杂,数值方法难以准确模拟其力学特性,所以振动台模型试验作为一种研究坝体地震反应特性的重要研究手段,获得了大量的应用,也积累了丰富的经验。加速度反应是坝体在地震中非常重要的研究内容,坝体的地震反应和破坏与加速度反应有着直接的关系。本文通过不同地震动输入工况下三维振动台模型试验,研究了紫坪铺面板堆石坝的加速度地震反应特性,得到了加速度坝体内部分布规律以及加速度放大系数沿坝高和坝轴线的分布规律。1土石坝振动台模型坝体材料动力试验结果模型试验设计当中相似比的选取是最为关键的内容,本次模型试验的相似比设计基于中国水利水电科学研究院“九五”国家重点科技攻关项目中得到的土石坝振动台模型试验相似理论和方法,通过对面板坝材料的共振柱低应力动力变形特性试验,得到了振动台模型试验需要的材料动剪模量、动剪模量比和阻尼比。紫坪铺面板坝的三维振动台模型坝高100cm,模型料的相对密度Dr按70%控制,对应的试验控制干密度ρd为1.93g/cm3。模型料的动剪模量比G/Gmax、阻尼比D随动剪应变γ的变化关系如图1所示。坝体原型堆石料的密度为2.16g/cm3,基于紫坪铺原型坝填筑材料的动力试验和模型坝填筑材料动力试验结果,由土石坝振动台模型试验的相似理论,通过计算得到振动台模型试验相似比如表1所示。依据相似比设计三维坝体断面,在模型箱内进行坝体堆筑,分为7层填筑,严格控制堆石体密度,坝体填筑完成之后,进行面板修筑。在堆筑过程中,在坝体主断面、坝顶和其他断面相应的位置布设加速度传感器,这次试验研究以主断面加速度地震反应研究为主,主断面传感器布设如图2所示。加速度计布设完成以后,通过施加不同压缩比的单向、双向和三向场地地震波和规范地震波研究坝体的动力反应,由加速度传感器测量获得需要的各测点的加速度反应时程曲线,对所获得测量数据进行分析研究,得到坝体加速度反应的分布规律。2加速度放大反应对模型施加不同压缩比的单向、双向和三向压缩场地和规范地震动以后,由加速度计记录了该处的加速度反应时程曲线。图3显示的是坝中线坝顶处测点7在某地震输入作用下顺河向加速度反应时程和试验输入加速度时程的比较,从时程曲线可以得出坝体对于输入加速度反应的放大反应。比较压缩场地地震波和压缩规范地震波在坝顶的加速度时程曲线,通过对各测点加速度时程取峰值绝对值得到最大加速度反应极值,进一步求出加速度放大系数。坝顶轴线方向的测点加速度放大倍数沿坝轴线的分布曲线如图4和图5所示,D0+321断面的加速度放大最为明显,由于模型箱视为刚体,输入地震动相同,因此选取D0+321断面作为研究的关键断面。由于试验仪器的限制,地震波时间压缩比取为20.0,然后又按线弹性材料的理想模拟状况取了压缩比为12.49进行比较。比较这两种压缩比的顺河向压缩场地地震波作用下坝顶的加速度放大系数沿坝轴线的分布(如图4和图6所示),得出压缩比为20的压缩场地地震波作用下坝体的反应较为显著,地震波经过压缩比为20.0的压缩以后得到的压缩波的频率与模型坝体的自振频率更为接近。对主断面坝顶测点7在压缩比为20.0和12.49不同输入加速度幅值场地地震波作用下,得到的加速度放大系数的比较来看,压缩比为20.0的工况放大更为显著,如图7所示。以压缩比为20.0场地地震波作用下获得的加速度放大反应为例,输入加速度和坝顶测点7加速度时程曲线如图8(a)和图8(c)所示,相应的傅里叶如图8(b)和图8(d)所示。由图可知坝体不仅对加速度由放大作用,同时对于某些频率的波进行了过滤,由于坝体本身有自身的频率,坝体对于与其自身频率接近的部分放大作用更为明显。通过对断面D0+321上游坡、坝中线和下游坡测点的加速度放大情况进行比较统计,计算得到这些测点的加速度放大系数,其结果如图9所示。由图9可知,下游坡的放大系数大于坝中线和上游坡放大系数,由于下游坡表面的约束较小。上游坡、坝中线和下游坡的加速度放大倍数都呈现出高幅值地震动输入小于低幅值的地震动输入的情况,而且坝中线和下游坡的加速度放大系数的极值出现在0.8H左右,在高输入加速度幅值的工况下,加速度极值出现在坝顶。从下游坡的破坏情况来看,在振动中坝体的最大破坏现象出现在0.8H左右坝中附近区域,此区域的土颗粒出现明显滚动,与此处出现加速度峰值有关。比较不同加速度输入幅值的三向压缩场地地震波作用下坝体加速度分布云图(见图10和图11),均可以发现下游坡0.8倍坝高到坝顶处加速度幅值最大,此处的地震反应也最为显著,在试验过程中此处下游坡面处出现了明显的土石滚动,这与汶川地震中紫坪埔面板坝出现的震动反应一致。比较同一高程上坝体上游、坝体内和下游坡的加速度地震反应如图12所示,同一地震加速度输入工况下,0.75倍坝高和0.9倍坝高处下游坡加速度反应极值最大。3坝体加速度反应通过对三维紫坪铺面板堆石坝模型进行的单向、双向和三向不同压缩比的场地地震波和规范地震波的作用下的振动台模型试验的研究,得出了面板堆石坝模型在地震波作用下的地震反应,得到了以下规律:(1)坝体加速度反应放大倍数随着输入加速度的增大而减小,坝体振动反应最显著的断面位于坝体中部。时间压缩比为20.0和12.49的输入相比而言,坝体对于压缩比为20.0的输入地震波的响应更为显著,对于接近坝体自振频率的部分放大作用更为明显。坝体对于输入压缩场地波的响应也大于输入压缩规范波的响应程度。(2)坝体加速度反应放大倍数随坝高增大,上游坡的最大值出现在坝顶附近,坝中线和下游坡加速度放大系数的最大值出现在0.8H左右。在试验过程中观测发现,坝体在振动过程中颗粒的大量松动出现在下游坡0.8H左右,而实际地震反应中,在紫坪铺面板堆石坝最大变形出现在坝体中部顶部附近。(3)坝体内部加速度地震反应小于坝体表面,下游坡加速度反应最大,上游有面板约束整体性较好,加速度反应也小于坝体