舟山地区面板灌砌石坝抗震安全评价研究

严 乾，王亚军，王友博，熊 站，甘孝清，左 正

(1.浙江海洋大学港航与交通运输工程学院，浙江舟山316002；2.长江科学院工程安全与灾害防治研究所，湖北武汉430010；3.中国电能成套设备有限公司，北京100080)

舟山地区能源相对短缺，但岛内丰富的石材为面板灌砌石坝的建设提供了充足的材料。舟山地处南北两大地震带的接合部，江山-绍兴断裂是该地区著名的活动断裂带。面板灌砌石坝因其自身结构及造型特点，极易受到地震动等灾变荷载的影响，在复杂且具有明显不确定性的地震动效应影响下，其工作性态无法采用常规的、现有规范给出的单一化、定性的模型及方法进行评价研究。因此，本文提出基于多样式地震波激励类大数据动力分析评价方法，以舟山地区某面板灌砌石坝为例，对面板灌砌石坝抗震安全进行了评价研究，旨在为其推广应用提供重要理论支持与技术保证。

1 面板灌砌石坝整体抗震研究基本理论及模型

1.1 材料动本构模型

三维空间下的修正弹性矩阵

[D*]=[Tσ]T[D*][Tσ]

(1)

本文认为面板灌砌石坝材料的动弹性模量Edi总体上服从双曲线分布,即

式中，A1e、B1e为与填料性质有关的曲线形状参数；εEr为模量参考应变。因灌砌石坝填料承受的围压对材料动弹性模量的影响是通过材料的动应变性能演化来展现的，因此建立模量参考应变与围压关系

式中，σEr为模量参考围压；σ3c为实际围压；ce为拟合参数。

阻尼比ζ亦满足修正Hardin-Drnevich模型

式中，A2d和B2d为与土类性质有关的曲线形状参数；εDr为阻尼参考应变。由前所述，可利用坝体材料的动应变累积过程揭示坝体中的围压对材料阻尼比的影响，基于此，本文借助式(5)建立了材料阻尼参考应变与灌砌石坝体围压关系式

式中，σDr为阻尼参考围压；dd为拟合参数。

1.2 加速度谱

全文以汶川地震波为基准激励对仿真模型进行抗震计算，具体加速度谱如图1所示。

图1 汶川地震波

2 仿真模拟模型及参数

2.1 有限元模型及参数

本文将采用动力有限单元法，对舟山地区某重力式钢筋混凝土面板灌砌石坝进行地脉动下整体振型及动力响应敏感性分析及仿真计算。地震敏感性仿真模拟所用坝体-基岩系统的模型材料分区：考虑坝基岩体、坝体灌砌石、上游坝面钢筋混凝土面板、上游灌砌石及灌砌石体接触面锚固体系等部分。

有限单元法网格模型如图2所示。模型采用六面体应力单元进行三维仿真计算，模型单元总数为52 318，节点总数为58 215。坝体、基岩系统分别承受多组代表性地震波激励，地震输入边界为基岩底部边界层；计算考虑加载组合为重力+静水压力+动水压力+地震荷载；仿真研究取上游水位为设计洪水位108.30 m；下游水位85.25 m。为防止数值模型在地震动下逃逸，在坝基上设置弹簧模拟黏弹性人工边界[7]。坝体砌石内锚杆长50 cm，锚固长度30 cm，埋入面板部分20 m，间排距均为50 cm；锚固钢筋密度取标准值7 850 kg/m3。

图2 面板灌砌石坝有限单元网格模型

2.2 振型分析

对于重力坝，通常只需计算5阶低频振型即可。同时，水坝满库条件下的地震诱发振动频率要低于空库或半空库条件下结果，重力式水坝(包括混凝土坝及灌砌石坝)振动频率量级为4～15 Hz。本文为保守计算只给出频率最低的2阶振型进行分析。采用第一阶振型对应的自振频率作为基频，对大坝系统做后续的地震敏感性仿真分析研究。

3 结果及分析

3.1 坝体-基岩系统整体动力响应敏感性分析

坝体-基岩系统整体动力响应敏感性分析结果见图3、4。从图3、4可以看出，汶川激振波形作用下，该面板系统的动力响应场量级均有振荡上升的趋势；因受到两岸山体强约束，横河向响应场量级最小；动应力场终重力向结果的量级最大；位移场响应中，顺河向计算结果量级最高[9]。

图3 汶川地震波下重力向应力场(1 s)

图4 汶川地震波下顺河向位移场(1 s)

3.2 钢筋混凝土面板地震动力响应敏感性分析

以接触面法向开合度为主要评价指标进行地震动敏感性研究，结果见图5。从图5可以看出，受地震波谱输入的非确知性影响，该区域两类材料之间的张开或闭合表现极为敏感，上游坝锺位置处的面板与灌砌石体间在地震动末期最大张开度达到7 mm，且张开位置上升至上游坝面转折处。

图5 接触面法向开合度过程最大值(汶川波)

3.3 上游锚固体系地震动力响应敏感性研究

上游坝面面板与灌砌石体之间的锚固体系是维护结构整体性，特别是增强系统动力稳定性的重要构造。锚固体系顺河向位移过程见图6。

图6 锚固体系顺河向位移过程

在地震波激励下的动位移场中，锚固体系的动位移达到1 m级，就地震动应力场而言，汶川波激励下的分布总体随地震时程延长而呈现应力累积增长的趋势；特别是在地震后期。可见，钢筋混凝土面板灌砌石坝上游锚固系统对于地震波谱输入极为敏感[10]。同时根据计算结果知道，在地震动影响下，上游坝面的锚固体系分担了结构1/4以上的极限应力。

4 结 论

以汶川波为基准，通过动力有限元分析钢筋混凝土面板灌砌石坝整体及敏感性性部位，结果表明：

(1)坝体接触面开合度达到了7 mm，而其他部位变化微小；地震波的不确定性对面板坝不同部位结构影响不一。

(2)锚固系统、坝体与面板连接段总是动力敏感集中区；上游坝面的锚固体系对于缓震、限裂作用明显。但这些区域中的主拉动应力常会突破混凝土材料的极限抗拉强度值，所以面板坝局部强化极为必要。

面板坝主体结构对于地震波形激励极为敏感；对面板坝进行地震波激励敏感性研究极为必要，如何设计精细锚固系统使结构整体协同合作，共同抵抗荷载作用为以后研究的重点。