近断层地震动斜入射对拱坝横缝开度的影响

张天然 徐强

摘要：分析高拱壩在近断层地震动斜入射作用下的横缝张开对于大坝安全有着重要意义。为研究地震波斜入射对拱坝横缝张开的影响，建立考虑坝体横缝非线性的有限元分析模型，以某混凝土拱坝为研究对象，分析了平面SV波、SH波和P波三维地震动同时斜入射下对拱坝横缝张开的影响。结果表明，坝体的横缝开度随着入射角度的增大呈现逐渐增大的趋势且30度达到最大开度。

关键词：高拱坝;横缝非线性;地震动斜入射;黏弹性人工边界

1 引言

高拱坝在发电、航运，防洪等中起到了极其重要的作用。在近断层地震作用时，坝体横缝张开过大可能会造成水库水的大量释放，严重威胁拱坝的整体安全，因此，研究高拱坝在地震波三维斜入射作用下的横缝张开迫在眉睫。目前一些学者对结构的抗震分析多假定地震波是垂直向上入射的。当断层距坝址较近时，地震波可能以某一角度斜向上入射到地表附近。黏弹性人工边界是一种精度合理的地震动输入方式。Li和Song采用粘弹性边界计算分析了隧道在斜入射地震动下的响应[1]。文献[2]基于黏弹性人工边界的地震动输入方法研究了平面SV波和P波斜入射下拱坝的动力响应。以上研究表明黏弹性人工边界在结构的地震反应分析中的适用性。因此在本论文中采用了基于黏弹性人工边界的地震动斜入射输入方法，以高拱坝-水库-地基体系为整体，分析了三维地震动斜入射下拱坝的上下游面的横缝张开。

2.地震动输入模型

本文采用粘弹性人工边界模型[3]，地震动在节点m上的等效应力表示为

3.高拱坝坝体变形的研究

3.1  工程概况与有限元模型：某高拱坝坝高为289米。拱坝共包括30条坝缝。本文中采用混凝土塑性损伤模型且考虑受拉损伤。接触边界模型被用来模拟混凝土拱坝的横缝[5]。混凝土参数和岩石参数参考文献[3]取值。该主要考虑的静载有坝的自重和静水压力（水位低于坝顶9米），根据Westergaard附加质量添加动水压力。地震动基于黏弹性人工边界的地震动斜入射进行输入[4]，采用有代表性的实测koyna地震动作为基底输入。

3.2  横缝开度分析

图1（a）为上游面横缝开度最大值随入射角度的变化趋势图，随着入射角度的增加，横缝开度最大值出现逐渐递增的趋势，30度入射时的横缝最大开度最大为12.56cm。最大开度从0度到30度依次为4.33、5.67、6.33、7.67、10.33、11.67和12.56cm。图1 （b）为下游面横缝开度最大值随入射角度的变化趋势图，随着入射角度的增加，横缝开度最大值出现逐渐递增的趋势，30度入射时的横缝最大开度最大为13.03cm。最大开度从0度到30度依次为6.43、7.31、8.62、10.12、12.58、12.88和13.03cm。

4 结论

拱坝的横缝开度随着入射角度的增大呈现逐渐增大的趋势，且30度入射时，横缝最大开度达到最大，考虑 30度为最不利入射角度，斜入射地震动对下游面的横缝张开影响较明显。

参考文献

[1]Li P，Song EX.Three-dimensional numerical analysis for the longitudinal seismic response of tunnels under an asynchronous wave input[J].Computers and Geotechnics，2015，63：229-243.

[2]杜修力，徐海滨，赵密.SV波斜入射下高拱坝地震反应分析[J].水力发电学报，2015，34（4）：139-145.

[3]Chen Jianyun，Cao Xiangyu，Xu Qiang，et al.Exploration on damage mechanism and equivalent damage model of high arch dams under earthquakes[J].KSCE Journal of Civil Engineering，2020，24（4）：1285–1306.

[4]周晨光.高土石坝地震波动输入机制研究[D].大连理工大学，2009.

[5]Wang JT，Jin AY，Du XL.Scatter of dynamic response and damage of an arch dam subjected to artificial earthquake accelerograms[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering，2016，87：93-100.