考虑地震波峰频影响下的心墙坝结构地震动响应特征研究_黄志华.pdf

第卷第期水 利 科 学 与 寒 区 工 程 ，年月 ，黄志华考虑地震波峰频影响下的心墙坝结构地震动响应特征研究水利科学与寒区工程，（）：考虑地震波峰频影响下的心墙坝结构地震动响应特征研究黄志华（广州市房实建设工程监理有限公司，广东 广州 ）摘要：为研究沧江水利枢纽心墙坝设计方案，引入傅里叶光滑处理广州地震波，对心墙不同厚度、高度方案开展了对比分析。研究表明，心墙厚度与坝体加速度响应水平为正相关，但促进作用在厚度 内显著最高；地震波峰频不仅可促进加速度响应水平，也会削弱心墙厚度对加速度的促进效应。通过心墙厚度与坝体大主应力关系分析，不同地震波峰频下，大主应力随心墙厚度变化趋势有所差异，但各峰频下均指向厚度 方案为变化节点。地震波峰频不影响大主应力与心墙高度变化趋势，在各心墙高度方案内，不同峰频变化不同促进幅度接近，心墙高度 时，在各峰频工况中，大主应力均为递减。综合研究成果认为心墙厚度 、高度 时方案最优。论文可为心墙坝工程地震动响应分析及抗震设计提供参考。关键词：地震波；心墙坝；沧江水利枢纽；大主应力；加速度中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：作者简介：黄志华（），男，湖南常德人，工程师，从事施工监理工作。：。心墙坝是水利工程中常见坝体结构型式，此类型坝体结构安全稳定性与防渗结构、心墙结构以及工程环境等密切相关，根据水力工况开展心墙坝设计优化，对提高水工设计水平很有价值。焦阳等、历从实等为研究心墙坝静、动力特征，引入模型试验方法，建立不同工况、不同设计方案下的心墙坝水工模型，探讨运营期心墙坝应力、位移等变化特征，为设计方案优化、运营参考提供依据。邢磊磊、欧念芳等为研究心墙坝设计特征，从心墙的厚度、曲率、长度等参数入手，评价了在不同方案中心墙坝应力量值与分布特征，为工程建设提供理论依据。抗震能力是水工建筑不可回避的问题，刘琳等、刘启旺等为研究心墙坝地震动响应特征，从振动台试验至时程反应谱叠加等方法，从宏、微观多方面评价心墙坝的动力响应水平，对比心墙参数与动力响应关系，为工程设计提供对比参照。本文为研究沧江水利枢纽心墙坝工程设计方案，施加有不同峰频地震波，研究了心墙厚度、高度与坝体结构动力响应水平关系，对评价最优方案有所参考。工程概况珠江三角洲地区水运发达，不仅仅存在有珠江，且存在有北江、沧江等重要水利通道，有效支持了地区经济发展。沧江乃是广佛地区重要地表蓄水干流，其全长超过 ，有多条支流，年均流量超过亿，不仅仅对粤西地区，乃至广佛下游地区，有效支撑起了城市用水需求，其中光佛山地区一年输水量超过 万，沿线还存在有部分农业用水调度枢纽等，乃是地区经济发展的重要水资源依托。沧江水利枢纽位于沧江佛山段上游 处，设计承担泄洪、水资源调度、发电、水沙沉降等功能。该枢纽工程建设内容包括有心墙防洪坝、沉沙池、发电厂房、引水隧洞以及泄流建筑等，沉沙池按照水电站常用工程设计，长、宽分别为 、，池内布设有斜板式挡沙构件，水沙模拟表明，受沧江上游部分水力冲刷影响，沿线堤防水土流失较严重，在进入佛山段前，最大含沙量可达 ，而经沉沙池沉淀调整后，可削减含沙量超过。所建设的泄流建筑包括有溢洪道以及泄流闸，后者为重建工程，前者为新建水工设施，溢洪道进、出流段分别为 、，采用放大式进水口体型设计，减少上游水流对溢洪道水工设施的冲蚀影响，下游消力池与宽尾墩成为联合消能体结构，坎高分布为 ，入池后流速可降低约 。在心墙坝建设竣工后，两者并行运营，溢洪道最大泄流量可达 ，消能率可达 。心墙坝建设时，采用围堰导流方式，设计堰顶高程 ，心墙坝顶在设计之初参考堰顶，但实际水力模型试验表明，心墙坝防洪能力较弱，局部存在有较活跃渗流期，特别是在溢洪道运营期达最大设计参数时，心墙坝基水力坡度、沉降位移均不满足要求，沉降位移甚至可达到坝高的。为确保沧江新建水利枢纽运营可靠性，工程部门认为有必要针对心墙主坝开展设计优化探讨，在联合多个专业部门研讨的基础上，目前设计方案经水工模型试验测定，水力坡度以及防渗能 力 均 能 满 足 要 求，水 力 坡 降 未 有 超 过 的工况，但其结构静、动力稳定性还有待考量，尤其抗震影响变化。因而，从心墙坝设计方案优化考虑，研究其地震动响应特征，提高心墙坝抗震能力。研究方法在地震作用下，心墙坝动力响应特征具有非线性关系，探讨其设计方案与地震动响应特征关联性，可借助等效线性与非线性转换计算方法。等效线性模型的建立与岩土层滞回曲线特征密切相关，如图所示为等效滞回曲线，其变形关系如下式（）：（）（）式中：为应力，；模量参数，；剪应变；模量系数。地震动荷载下，阻尼系数是线性与非线性转变 关 键，建 立 起 剪 切 模 量 与 之 关 联，如式（）式（）：?（）（）?（）式中：、均为材料自有属性参数；为大气压力，；为静水围压，；?为剪应变均值；为最大剪应变。图等效滞回曲线进而，通过多次迭代求解，可获得结构单元上各质点的运动关系，宏观上表现出结构模型的地震动响应特征。根据沧江水利枢纽工程心墙坝设计方案，其上、下游坝坡度分别为 、，心墙坝堤顶宽度为，按照坝体功能区分为上游过渡区、下游泄流期、心墙区等，采用 平台建立起心墙坝模型，如图所示，网格单元包括有三面体、四面体，心墙以及防渗结构均有加密处理，确保模型计算精度。研究模型中土体满足模型，而模型参数按照现场取样实测，如法、切向模量系数分别为 、，在模型三个分区内土层密度分别为 、；地震动计算工况中，阻尼系数取值为 ，放大系数为 。模型中、三个正向分别为顺水流下游、心墙体一侧以及结构自重方向。图心墙坝计算模型地震动工况中引入广州地震波，并采用傅里叶变换进行波形光滑化处理，波形三向时程特征如图所示，峰频加速度为 ，并设定有对照组峰频 。研究方案中设定迎水位为 ，心墙高度、厚度皆是需研究参数，采用单一变量控制原则，对两个设计参数影响地震动响应特征展开分析，从而确定最优方案。方案中设定心墙高度分别为、第期黄志华考虑地震波峰频影响下的心墙坝结构地震动响应特征研究、，此时心墙厚度设定为 ；心墙厚度研 究 方 案 设 定 为 、，高度为，分别探讨各方案中心墙坝地震动响应特征。图地震波三向时程谱心墙厚度与结构动力响应特征 加速度响应特征根据对不同厚度方案下心墙坝地震动响应特征计算，获得了坝体高度方向上加速度响应特征，如图所示。从图中可知，厚度愈大，心墙坝高度方向上加速度响应水平愈大，心墙厚度会改变坝体结构动力响应特征，在峰频 工况中，心墙厚度 时，坝体高度 处加速度响应值为 ，同坝体高度处心墙厚度 、时，相应加速度响应值较之前者分别增大了 、，在 心 墙 厚 度 每 递 增 时，坝体高度 处加速度响应值平均提高了 。分析认为，控制心墙厚度有助于限制坝体地震动响应水平，削弱地震动对坝体多频振动危害。从坝体高度方向加速度响应均值对比来看，在峰频 工况，坝体高度 时为 ，随坝体高度梯次递增 ，则其加速度响应均值平均提高了 ，且在心墙厚度 方案内，加速度响应均值提高最为显著，平均增幅可达 ，最大增幅可达 ，而在心墙厚度低于 后，最大增幅仅为 。同样的现象在峰频 工况中亦是如此，在心墙厚度 方案内，坝体高度方向上加速度均值分布为 ，平均增幅为 ，而在心 墙 厚 度 内，平 均 增 幅 仅 为 ；分析表明，心墙厚度对坝体加速度响应水平 影 响 具 有 节 点 效 应，不 应 使 之 超 过 该 节点，。对比峰频 与 工况可知，当地震波峰频加速度增大，坝体加速度响应水平也会增大，如心墙厚度 时，两工况间坝体高度方向上加速度增幅分布为 ；同时，心墙厚度对加速度响应水平促进效应也会受地震波峰频影响，峰频愈大，则促进作用愈弱。图心墙高度与坝体加速度响应特征关系水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷图心墙厚度与坝体大主应力响应特征关系 大主应力响应特征结合地震动响应计算，设定了多组不同地震波峰频的研究工况，获得了心墙坝结构大主应力峰值变化特征，如图所示。依据图中大主应力参数可知，在地震波峰频递增时，任何一个心墙厚度方案中，大主应力均为递增，如心墙厚度 时，地震 波 峰 频 工 况 下 大 主 应 力 为 ，而峰频 、工况下分别增大了 、，在该心墙 厚 度 方案中，随地震波峰频梯次，其大主应力平均提高了 ，而心墙厚度为 、时，相应的大主应力受地震波峰频影响，分别具有平均增幅 、。对比之下，当心墙厚度增大，则坝体大主应力受地震波峰频影响愈小，各部位结构应力响应与地震波峰频、心墙厚度具有密切关联性。在同一地震波峰频下，心墙厚度对坝体大主应力影响具有差异性：当地震波峰频为 时，随心墙厚度递增，坝体大主应力呈缓增快增特征，转变节点位于厚度 方案，如峰频 工况中，心墙厚度低于 时，大主应力分布为 ，平均增幅为 ，厚度超过 后，大主应力处于“失控”性增长过程。当地震波峰频为 时，坝体大主应力随心墙厚度为先增后减再增变化，大主应力谷值位于心墙厚度 方案，为 ，甚至在心墙厚度 时，大主应力较之前者也增大了 。由此分析可知，心墙厚度对大主应力影响具有节点特征，控制心墙厚度处于大主应力状态最优节点更为合理；结合本文地震动响应计算表明，心墙厚度 左右时满足要求。心墙高度与结构动力响应特征心墙高度乃是影响坝体地震动响应的另一关键参数，对结构抗震设计亦有重要影响，同理计算获得了不同心墙高度方案下坝体大主应力变化特征，如图所示。由图中可知，在各地震波峰频工况中，大主应力随心墙高度均为先增后减再增变化，改变地震波峰频，不影响大主应力随心墙高度变化趋势；但不可忽视，地震波峰频愈大，则大主应力水平愈高，在心墙高度 时，地震波峰频 工况下大主应力为 ，而峰频 、下大主应力较之前者分别提高了 、，随地震波峰频梯次 变化，其大主应力平均提高了 ；当心墙高度为 时，大主应力随地震波峰频变化幅度仍保持为 ，即改变心墙高度，不影响地震波峰频对坝体大主应力促进幅度。总体上可知，地震波峰频不影响坝体大主应力随心墙高度变化趋势，也不影响其变化幅度，仅会改变各峰频工况下大主应力量值水平。图心墙高度与坝体大主应力响应特征关系在同一地震波峰频下，大主应力两次递增之间存在有递减阶段，为高度 方案，在高度、后具有二次递增段，且二次递增幅度高于一次增幅。在地震波峰频 下，高度 段，其 大 主 应 力 分 布 为 ，增幅为 ，而高度 方案内大主应力分布为 ，降幅为 ，高度 时，其大主应力增长了 。由此可知，心墙高度应避开二次增幅段，第期黄志华考虑地震波峰频影响下的心墙坝结构地震动响应特征研究降低坝体大主应力响应水平，从沧江水利枢纽安全可靠性考虑，可选择心墙高度 方案。结论（）心墙厚度愈大，坝体加速度响应水平愈高，但在厚度 方案内促进效应弱于厚度 方案；地震波峰频愈大，则坝体加速度愈高，且会削弱心墙厚度对坝体加速度响应促进作用。（）地震波峰频与坝体大主应力为正相关，心墙厚度 、下大主应力随峰频分别具有平 均 增 幅 、；峰 频 低 于 时，坝体大主应力随心墙厚度为缓增快增，大主应力增幅转变节点位于厚度 方案，而峰频为 时，呈先增后减再二次递增，大主应力最低为厚度 方案。（）地震波峰频愈大，大主应力随心墙高度变化趋势不变，且在各高度方案内，大主应力随峰频的增幅也接近；随心墙高度变化，大主应力呈先增后减再二次递增，高度 方案内具有大主应力递减段。（）综 合 地 震 动 响 应 特 征，认 为 心 墙 厚 度 ，高度 时最优化。参考文献：许佳，孙奔博基于改进多目标粒子群算法的土石坝基座体型优化研究 水利与建筑工程学 报，（）：，彭兆轩，柳莹，李江基于 的沥青混凝土心墙与基座连接型式研究水利规划与设计，（）：焦阳，任国峰，彭卫军，等沥青混凝土心墙坝抗震加固离心机振动台试验研究岩土工程学 报，（）：历从实，钱亚俊，葛爽，等基于离心模型试验的前坪水库坝体变形研究人民黄河，（）：，邢磊磊基于 计算优化下病险堤防工程心墙坝参数分析水利技术监督，（）：欧念芳，李阳基于 的地震荷载作用下高土石坝心墙动力响应特性分析水利 科 学与寒区工程，（）：刘琳，宋志强，王飞，等近断层 波斜入射下沥青混凝土心 墙 坝 响 应