地震荷载作用下某水利枢纽大坝响应机理分析

郭艳玲

(临沂市兰山区水务局，山东 临沂 276000)

0 引 言

地震是一种强烈的地质构造活动，将释放大量的能量，对既有建筑物的安全产生一定的影响[1-2]。在工程设计阶段需要充分考虑地震作用的影响，加强构筑物的抗震措施，以保证其在地震来临的安全性[3-4]。水工建筑物中，大坝的安全是十分重要的，一旦坝体失稳将造成不可估量的损失。因此，研究大坝地震响应机理是十分必要的。目前，针对大坝地震响应机理的研究主要采用数值模拟方法，且取得了良好的应用效果[5-6]。

1 工程概况

水利枢纽工程是以灌溉、供水、改善生态环境为主，兼顾发电等综合利用的大(2)型水利枢纽工程。总库容约1.13×108m3，枢纽工程由大坝、洞式溢洪道、导流泄洪洞、引水发电系统、鱼道、发电厂房等组成。灌区土地面积>2万hm2，设计灌溉面积约0.83万hm2。经过初步比选拟采用混凝土心墙坝。

2 坝体地震加速度响应

在峰值加速度0.15g地震波作用下，坝体动力响应加速度最大值统计表，见表1。场地谱坝体最大横剖面最大加速度等值线图，见图1；规范谱坝体最大横剖面最大加速度等值线图，见图2；实测波坝体最大横剖面最大加速度等值线图，见图3。

顺河向/m·s-2

坝轴向/m·s-2

竖直向/m·s-2

顺河向/m·s-2

坝轴向/m·s-2

竖直向/m·s-2

顺河向/m·s-2

坝轴向/m·s-2

竖直向/m·s-2

计算结果表明：在规范谱场地波(设计地震)作用下，坝体顺河向、坝轴向和竖直向绝对加速度最大值分别为7.1 m/s2、5.8m/s2和4.4m/s2，对应的加速度放大倍数分别为4.73、3.87和4.40。在规范谱人工波作用下，坝体顺河向、坝轴向和竖直向绝对加速度最大值分别为6.4 m/s2、4.3 m/s2和4.1 m/s2，对应的加速度放大倍数分别为4.26、2..87和4.10。实测波作用下，坝体顺河向、坝轴向和竖直向绝对加速度最大值分别为7.5 m/s2、5.7 m/s2和4.7 m/s2，对应的加速度放大倍数分别为5.07、3.80和4.70。

上述3种地震波作用下，坝体反应加速度最大均为顺河向，坝轴向次之，竖直向最小，且都随着坝体高程的增加而增大。其中，顺河向和坝轴向表现出明显的辫梢效应，即在接近坝体区域时，加速度突然放大。而竖向加速度由坝基向坝顶逐渐增加，在同一高程，大体都体现了由坝内方向逐渐向坝坡方向增大的趋势。

加速度反应表征大坝地震反应的强弱。坝坡或坝顶等部位加速度过大时，可能造成散粒体抛出或滚动，但计算结果表明，地震反应较强烈的区域相对较小，且峰值加速度的作用时间短，因此对整个坝体的安全性造成危害较小，必要时局部可采取抗震加固措施，以保证坝体安全性。

4 坝体动位移响应

在各地震波作用下，坝体动位移最大值统计表，见表2。场地谱坝体最大横剖面最大动位移等值线图，见图4；规范谱坝体最大横剖面最大动位移等值线图，见图5；实测波坝体最大横剖面最大动位移等值线图，见图6。

顺河向/cm

坝轴向/cm

竖直向/cm

顺河向/cm

坝轴向/cm

竖直向/cm

(a) 顺河向/cm

(b) 坝轴向/cm

竖直向/cm

表2 坝体动位移最大值统计表

计算结果表明：在规范谱(设计地震)作用下，坝体顺河向、坝轴向和竖直向动位移的最大值分别为8.5cm、6.7cm和2.7cm。在规范谱作用下，坝体顺河向、坝轴向和竖直向动位移的最大值分别为7.3cm、4.6cm和1.8cm。实测波作用下，坝体顺河向、坝轴向和竖直向动位移的最大值分别为9.7cm、6.1cm和2.9。

根据动位移分布图可知，各方向的动位移均随坝体高程增加而增大，在坝顶达到最大值。三种地震波作用下，实测波条件下坝体动位移响应最大。

5 混凝土防渗墙动应力响应

在各地震波作用下，混凝土防渗墙动应力最大值统计表，见表3。场地谱防渗墙坝轴向动应力等值线云图，见图7；规范谱防渗墙坝轴向动应力等值线云图，见图8；实测波防渗墙坝轴向动应力等值线云图，见图9。

表3 混凝土防渗墙动应力最大值统计表

动压应力/MPa

动拉应力/MPa

(a) 动压应力/MPa

动拉应力/MPa

(a) 动压应力/MPa

动拉应力/MPa

计算结果表明：上述3种地震波作用下，防渗墙动应力响应强烈程度为：实测波>场地谱>规范谱。

根据防渗墙应力分布情况可知，地震过程中，防渗墙坝轴向最大瞬时动拉、压应力均出现在坝顶偏右的位置，竖直向最大瞬时动拉、压应力出现在中部。坝体内虽出现较大范围的瞬时动拉应力，但防渗墙在震前满蓄期以压应力为主，仅在防渗墙周围边缘位置产生范围较小的拉应力，且其静态最大压应力分布区域基本与动态最大拉、压应力分布区域重合。因此，动静叠加后，防渗墙仍以压应力为主，仅在其周围边缘位置出现较小的拉应力。

除水工钢筋混凝土结构外的混凝土水工建筑物的抗震强度计算中，混凝土动态强度和动态弹性模量的标准值可较其静态标准值提高30%。动、静作用力叠加后防渗墙边缘位置的拉应力增大，但混凝土动态抗拉强度也有一定提高。因此，混凝土防渗墙在设计地震及校核地震工况下具有足够的抗震安全性。

7 结 论

1)地震作用下，顺河向坝体绝对加速度响应最大，不同地震波的最大值为：7.5m/s2、5.8 m/s2、4.7 m/s2，对应的加速度放大倍数为：5.07、3.87、4.70。坝体地震响应辫梢效应显著。

2)不同方向上，随着坝体高程的增加，动位移响应越明显，各方向的最大位移为：9.7cm、6.7cm、2.9cm。

3)混凝土心墙在地震作用下出现短暂的拉应力，但大部分区域拉应力小于静力，叠加后仍以压应力为主，仅在边缘区域出现局部的拉应力，设计时应充分考虑坝体结构对地震的放大作用，加强抗震措施。