深厚覆盖层上土石坝地震响应分析

朱殿英，董景刚，匡启兵

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021）

地震作用时，覆盖层不仅对大坝加速度反应有影响，对心墙应力，坝体位移等均有影响。本文主要工作为研究深厚覆盖层土石坝二维地震动力反应，初步分析地震情况下覆盖层对土石坝大坝加速度放大、动位移的影响。

计算过程中以旁多水利枢纽工程坝体参数为依据，以心墙坝为例，计算不同覆盖层厚度对不用坝高地震反应的影响，从而得到覆盖层对大坝反应的影响程度，为实际工程提供借鉴。

1 计算模型与参数

1.1 计算模型

本文计算中采用坝高为 50，100，150，200 m，覆盖层厚度为 0 m，40，80，120，160，200 m 的心墙坝。坝顶宽度12 m，上下游坝坡均取为1∶1.8。心墙坡比取1/80。坝高100 m，无覆盖层和覆盖层100 m大坝有限单元网格见图1、图2。

1.2 计算参数

本章地震反应分析采用有限单元法，先进行静力计算分析，为动力计算提供覆盖层与坝体的初始应力状态，然后进行动力部分计算。

1）在静力计算中，采用邓肯—张弹性非线模型，在非线性分析中采用中点增量法。静力模型计算参数见表1。

2）在动力计算中，采用等效线性粘—弹性模型。

筑坝材料的动力参数采用表2。地震波时程曲线见图3。

1.3 计算工况

计算工况见表3。

2 计算结果分析

2.1 无覆盖层大坝反应的影响

研究建在深厚覆盖层上大坝动力反应时，先计算无覆盖层时大坝反应，即大坝直接建在基岩上。计算模型坝高分别为 50，100，150，200 m，地震动输入值分别为 0.1，0.2，0.4 g。

大坝随着输入加速度值的增大，坝顶加速度放大倍数减小。随着坝高的增加，大坝自振周期变长，对应反应谱段将减小，大坝反应有减小的趋势，如坝高50 m到150 m，反应是减小的。但是200 m的大坝反应又变大了，可能是高坝顶部鞭梢效应的影响。

表1 静力模型计算参数（参考旁多水利枢纽工程坝体参数）

表2 动力模型计算参数

表3 计算工况

2.2 不同覆盖层厚度对坝顶加速度放大倍数的影响

不同覆盖层厚度对坝顶加速度放大倍数的影响见图4。

从图4可以看出，随着加速度的增加，坝顶放大倍数整体上都有减小的趋势。主要原因是随着加速度的增加，覆盖层和坝体的非线性特性增强，阻尼作用增大。但是有覆盖层情况下和无覆盖层情况下，大坝动力反应并没有很好的规律，放大倍数有大有小。因为覆盖层对于地震波的频谱特性有很大影响，再加上模型的频率对应的地震波反应谱段有事并不是光滑变化，而是波动的下降或者上升。

2.3 不同覆盖层厚度对大坝动位移的影响

地震作用对大坝会有动位移，位移过大的话，大坝就会不稳定。存在覆盖层时，对大坝动位移会产生影响。以100 m坝高，覆盖层厚度分别为40，80，120，160，200 m，输入地震动为 0.1，0.2，0.4 g，计算覆盖层对大坝动位移的影响，见图5。

图5 覆盖层对动位移的影响

从图5可以看出，随着输入值的增大，大坝水平动位移逐渐增大。随着覆盖层厚度的增加，大坝水平动位移也逐渐增加。地震动越大，地震作用力越大，坝顶动位移也就会增大。在地震作用下，坝基动位移和坝体相对动位移叠加得到坝顶的总动位移。覆盖层厚度增加，坝基的动位移增大，坝顶总位移也随之增大。

3 结语

1）随着覆盖层厚度的增加，加速度反应整体有减小的趋势，但是由于模型基频特性的影响，可能出现时大时小的状况。

2）随着输入值的增大，大坝水平动位移逐渐增大。随着覆盖层厚度的增加，大坝水平动位移也逐渐增加。

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