垫座及扩大基础对高拱坝抗震性能的影响分析_陈健云.pdf

振 动 与 冲 击 第 39 卷第 18 期J O U R N A LO FV I B R A T I O NA N DSH O C KV o l . 39 N o . 18 2020 基金项 目 国 家 自 然 科 学 基 金 （51679030）； 国 家 重 点 研 发 计 划 （2017Y F C 0404900） 收稿日期 2019 - 03 - 25 修改稿收到日期 2019 - 07 - 01 第一作者 陈健云 男，博士，教授，1968 年生 垫座及扩大基础对高拱坝抗震性能的影响分析 陈健云1， 刘晓蓬2， 李 静1， 徐建荣3， 何明杰3 （1.大连理工大学 建设工程学部，辽宁 大连 116023； 2.山东农业大学 水利土木工程学院，山东 泰安 271018； 3.中国电建集团华东勘测设计研究院，杭州 311122） 摘 要拱坝的抗震薄弱环节包括坝踵、坝肩等部位，针对不良地形、地质条件采用的扩大基础等基础处理措施对 高拱坝地震动响应和损伤破坏的影响，采用地震动逐级加载的动力分析法研究了坝顶节点和拱冠梁节点的顺河向位移、 横缝开度以及坝体损伤体积比等地震动响应随地震动超载的变化规律。结果表明，所采取的扩大基础等处理措施尽管会 加大边缝的张开度，但对拱坝整体抗震性能是有利的，可以有效的降低坝面的损伤破坏程度和范围，结果对类似工程具有 参考意义。 关键词拱坝；垫座；扩大基础；地震 中图分类号 T V 64 文献标志码 AD O I 10. 13465/ j . c nki . j v s . 2020. 18. 027 I n f l u e n c e s of t h ec u s h i onan de xt e n d e df ou n d at i onont h es e i s mi cp e r f or man c eof h i ghar c hd ams C H E NJ i any un1， LI UX i ao p e ng2， LI J i ng1， X UJ i anr o ng3， H EM i ngj i e 3 （1.F a c ul t yo f I nf r a s t r uc t ur eE ng i e e r i ng ， D a l i a n U ni v e r s i t yo f T e c hno l o t y ， D a l i a n 116023， C hi na ； 2.C o l l e g eo f Wa t e r C o ns e r v a nc ya nd C i v i l E ng i ne e r i ng ， Sha ndo ngA g r i c ul t ur a l U ni v e r s i t y ， T a i a n 271018， C hi na ； 3.H ua do ngE ng i ne e r i ngC o r po r a t i o n L i m t e d， H a ng z ho u 311122， C hi na ） A b s t r ac t T hes e i s m i cw e a k po i nt so f a r c h da m si nc l udeda mhe e l s ， a but m e nt se t c .E nl a r g e d f o unda t i o nsa r e us ua l l ya ppl i e d a s a t r e a t m e nt m e a s ur e f o r unf a v o r a bl e t o po g r a phy a nd g e o l o g i c a l c o ndi t i o ns .T he e f f e c t s o f t he m e a s ur e o n t hes e i s m i cda m a g eo f hi g h a r c h da m s w e r e a na l y z e d.T he di s pl a c e m e nt ， t r a ns v e r s e o pe ni ng a nd t he da m a g e v o l um e r a t i o o f a n a r c h da mw i t h e nl a r g e d f o unda t i o n unde r t he a c t i o n o f di f f e r e nt e a r t hqua ke o v e r l o a d w e r e i nv e s t i g a t e d. T he pr o t e c t i o n e f f e c t o f di f f e r e nt de s i g n s c he m e s o n t hes e i s m i cc a pa c i t yo f t heda mw a s s t udi e d.T her e s ul t s i ndi c a t et ha t t hee nl a r g e d f o unda t i o n i s be ne f i c i a l t ot heo v e r a l l s e i s m i cpe r f o r m a nc eo f t hea r c h da ma nd c a n e f f e c t i v e l yr e duc et heda m a g ede g r e e a nd da m a g ee x t e nt o f t hea r c h da ms ur f a c ee v e n t hr o ug h i t m a yi nc r e a s et heo pe ni ngl e v e l o f t hee dg ej o i nt .T her e s ul t s ha v ec e r t a i n r e f e r e nc es i g ni f i c a nc ef o r s i m i l a r pr o j e c t s . K e y w or d s a r c h da m ； c us hi o n； e x t e nde d f o unda t i o n； e a r t hqua ke 随着我国水电工程建设的不断发展，一批300 m 等级的世界级高坝在西南水电资源丰富的地区开工建 设，这些工程面临的地质、地形条件复杂，地震设防烈 度高，对大坝的强度、变形和稳定性提出了很高的 要求。 西部高烈度地震区的地震地质条件决定了高拱坝 坝址即使经过反复比选，所确定的场址地形地质条件 仍十分复杂，需要对地基采取大量的处理措施才能满 足工程安全的需要。合理分析评价地基处理措施的效 果对于保障拱坝建设安全具有十分重要的意义。 从目前高拱坝的地震动响应分析研究现状来看， 针对坝体本身的措施，比如配筋、设置底缝、周边缝等 工程措施对于坝体静态应力状态和地震动响应的影响 方面的研究较多，陈媛等［1］通过结构模型破坏试验，分 析了诱导缝、横缝、周边缝等分缝形式对拱坝的影响。 罗原宗等［2］以大花水拱坝为原型，分析了设置诱导缝 和周边缝后的位移变化情况与规律。李海枫等［3］对碾 压混凝土拱坝分缝防裂设计的方法、诱导缝布置及缝 面结构型式等问题进行了研究。也有针对拱坝采用耗 能减震措施开展的研究，陈江等［4］研究了气幕隔震技 术高拱坝的减震效果。对于坝基处理等方面的措施， 比如扩大基础、垫座等，主要从拱坝静态应力状态的影 响分析较多［5 - 7］，而扩大基础或坝肩垫座的设置对于 坝体地震动响应的影响研究相对较少，合理分析评价 地基处理措施的效果对于保障拱坝建设安全具有十分 ChaoXing 重要的意义［8］。宋子亨等［9］从设置底部垫座对坝体地 震动响应是否有影响的角度论证了对于九甸峡拱坝的 地基处理，可采用垫座的形式。 由于不同的工程场址地形地质条件不同，大坝坝 高、体型不同，因此，垫座或者扩大基础等措施对于拱 坝的静动力影响不同，比如设置底部垫座的李家峡拱 坝、意大利瓦伊昂拱坝、美国的圣曼诺拱坝等以及设置 坝肩垫座或重力墩的锦屏拱坝、美国的pa c o i m a拱 坝等。 白鹤滩拱坝坝高289 m ，坝址处于“V ”型不对称河 谷，左岸地质条件较差，两岸地形、地质条件明显不对 称。在通过坝身不对称体形来改善拱坝应力状态的同 时，在坝体底部采取扩大基础以降低不利地基条件的 影响。宋子亨等对白鹤滩拱坝扩大基础的效果进行了 分析研究，潘元炜等［10］则对扩大基础形式进行了方案 优化分析。 白鹤滩拱坝处于高烈度地震区，抗震设防地震动 水平峰值加速度为450. 8 g a l ，采取扩大基础方案加固 以后，研究已经表明对于静力工况是有利的，对坝体抗 震性能的影响还值得商榷，需要进行合理的分析。本 文针对白鹤滩拱坝采取的扩大基础和坝肩垫座方案进 行地震动响应分析，通过与不采取扩大基础和垫座的 方案对比，表明扩大基础和垫座方案不仅对于坝体静 应力和变形状态有较好的改善作用，对于地震动下的 动态响应也具有有利的作用。 1 计算模型 1. 1 坝体混凝土塑性损伤模型 基于应变等价原理，定义损伤因子为 Ω 1 ˜ -E / E（1） 式中E和˜E分别为无损材料和有损材料的弹性模量 张量。 在多轴应力作用下，名义应力σ与有效应力˜σ的关 系为 ˜σ（I -Ω） - 1 σ（2） 定义 ε i jε e i jε pl i j （3） 式中 ε i j为总应变 ；ε e i j为弹性应变 ；ε pl i j为塑性应变。 可得张量表达的塑性损伤应力-应变关系为 ˜σ i j（Ii j k l-Ωi j k l） - 1De l i j k l（εk l-ε pl k l） （4） 式中，D e l i j k l为弹性模量张量。 由塑性势函数G可以给出塑性应变率 ε pl i jλ ∂G （˜ σ i j） / ∂ ˜σ i j （5） 采用非关联流动法则，塑性势函数可表达为 G（∈ σ t 0t a n φ ） 2 ˜q ■ 2 ˜-p t a n φ（6） 式中˜p和˜q分别为平均有效应力和M i s e s等效有效应力 指标 ；σ t 0为单轴弹性极限拉应力 ；∈ 为一参数，描述势 函数趋近渐近线的比率。当离心率为0时，塑性势趋 近于直线。 采用L e e等［11］建议的用有效应力表示的屈服函数 F （˜ σ ， ˜ε pl ） 1 1 -α （˜q-3α˜pβ（˜ε pl ）〈˜σm a x〉 -γ 〈-˜σm a x〉） -˜σc（˜ε pl c） ≤0 （7） 其中， α （σ bo / σ c o） -1 2（σ bo / σ c o） -1，0 ≤ α≤ 0. 5； β ˜σ c（˜ ε pl c） ˜σ t（˜ ε pl t） （1 -α ） -（1 α ）； γ3（1 -k c） 2k c-1 （8） 式中α ，β和γ为屈服函数的参数；˜σ m a x为最大有效主 应力 ；σ bo / σ c o为双轴等压与单轴受压初始屈服应力的 比值；k c为初始屈服面上拉、压应力子午线第二应力不 变量的比值，0≤k c≤0. 5；˜ σ t（ ˜ε pl t），˜ σ c（ ˜ε pl c）分别为有效 拉压黏聚应力。 1. 2 有限元模型 针对白鹤滩拱坝建立考虑坝体混凝土材料非线性、 横缝接触非线性及无限地基辐射阻尼的三维非线性有限 元模型，横缝采用面-面接触模型，考虑横缝内键槽作 用，模拟30条横缝。坝体混凝土采用塑性损伤模型，地 基采用基于D - P屈服准则的本构模型，地基外边界采用 三维黏弹性人工边界。模型节点总数39 967个，单元数 33 069个。模型及坐标如图1所示（X正向为横河向右 岸，Y正向为顺河向下游，Z正向为垂直向上）。 地震动下的库水动水压力采用附加质量法模拟， 附加质量大小按照“水电工程水工建筑物抗震设计规 范N B350472015”规定计算。坝体分区混凝土标号 为C 18040、C18035、C18030，混凝土材料参数根据“混凝土 坝设计规范”取值。地震作用采用“金沙江白鹤滩水电 站场地相关反应谱分析研究报告”中所推荐的设定场 地谱地震波，以100 a超越概率2的水平地震加速度 450. 8 g a l为基准进行逐级加载。 图1 拱坝正视图及坝体-地基系统模型 F i g . 1 F r o nt v i e wo f a r c h da ma nd m o de l o f t heda m bo dy - f o unda t i o n s y s t e m 2 垫座及扩大基础对大坝地震动响应的影响 分析 2. 1 对坝体地震动变形响应的影响 坝体顶拱顺河向变形以及拱冠梁顺河向变形在不 402振 动 与 冲 击 2020年第39卷 ChaoXing 同强度地震动作用下的比较见图2及表1。 从表1可见，扩大基础和垫座可以有效地降低坝 体的顺河向变形，不过对向上游和向下游变形的影响 规律是不同的，对向上游变形的降低幅度大于向下游 的降低幅度。设计地震动下对向上游变形的降低程度 远远超过向下游的降低程度，随着地震动强度的增加， 对向上游和向下游变形的降低程度逐渐接近。在1. 4 倍地震动以前，随着地震动强度的增大，坝体中上部损 伤程度逐渐增大，垫座和扩大基础对于坝顶变形的影 响逐渐削弱，有无扩大基础和垫座的坝顶变形逐渐接 近，上游最大变形的降低程度逐渐降低，向下游最大变 形的降低程度逐渐增加。到1. 6倍地震动以后，扩大 基础和垫座的影响基本上保持不变，坝体中上部的损 伤对坝顶变形起控制作用。 从表2可知，有扩大基础和垫座后，随着地震动强 度的增加，向上游变形的增加速率超过无扩大基础和 垫座的情况，而向下游变形的增加速率始终小于无扩 大基础和垫座的情况。说明随着地震动强度的增加， 垫座和扩大基础对于向上游变形的约束能力逐渐减 弱。无论是否有扩大基础，坝顶向上游变形的增大倍 数远远超过向下游的增大倍数。 图2为坝体变形随地震动强度的变化规律，从图2 可知，扩大基础和垫座对于顶拱和拱冠梁在地震动过 程中向上游的最大变形分布规律基本上没有影响，两 者非常相似，顶拱变形都随着地震动强度的增大变形 峰值逐渐偏向右岸，拱冠梁的变形随着高程的变化速 率在750 m高程处出现拐点，尤其是1. 4倍地震动以 后发展速率加快。 图3为基础处理措施对坝体变形的影响，从图3可 知，对于向下游的变形，在设计地震动下，无论是拱冠梁 还是顶拱的变形分布，扩大基础和垫座的影响都不大。 但是随着地震动强度的增大，对拱冠梁的变形分布随着 地震动强度的变化规律响不大，对顶拱变形分布随地震 动强度的变化规律则有较大的影响。没有扩大基础和垫 座的情况下，顶拱变形在设计地震动下左右岸基本上对 称，但是随着地震动强度的增加，从1. 4倍超载地震动开 始，顶拱变形逐渐偏移，不再对称，右岸1/ 4顶拱附近的 变形不再随着地震动强度的增加而增加，而左岸从拱端 到1/ 4顶拱附近则从1. 8倍地震动开始变形大幅度增 加；有扩大基础和垫座的情况下，削弱了右拱段的不对称 变化程度，并将变化提高到1. 6倍超载地震动，左拱段分 布规律与设计地震动作用下相同。 从以上结果可见，扩大基础和垫座可以有效减小 地震动作用下的坝体变形，有效地改善了坝体的变形 分布。 3. 2 对坝体地震动横缝开度的影响 坝体上下游面的横缝开度比较如图4所示。从图 中可以看到，设计地震动下，采取扩大基础和垫座降低 了坝体中部的横缝开度，但是边缝开度大大增加；随着 地震动强度的增大，边缝开度变化不大，坝体中部向两 侧100 m范围内的横缝开度明显增加，中部横缝和边 缝开度相差不多。而没有扩大基础和垫座时，中间横 缝的开度大大超过边缝开度。扩大基础和垫座在整体 上降低了横缝开度，尤其是中部横缝开度减小明显。 表1 拱冠梁节点不同超载倍数下的位移 T ab . 1 D i s p l ac e me n t of c r ow nc an t i l e ve rat d i f f e r e n t ove r l oadmu l t i p l e 地震动超载倍数 不同地震动超载倍数的位移/ m 1. 01. 21. 41. 61. 82. 0 向上游变形 无扩大基础和垫座0. 2280. 4090. 5130. 6080. 7270. 834 有扩大基础和垫座0. 1560. 2740. 3940. 5040. 6010. 685 降低程度/ 44. 733. 023. 217. 117. 317. 8 向下游变形 无扩大基础和垫座0. 3070. 3430. 3810. 3920. 4010. 429 有扩大基础和垫座0. 2780. 2850. 2940. 3280. 3390. 372 降低程度/ 9. 416. 922. 816. 315. 513. 3 表2拱冠梁节点不同超载地震动下的位移增大倍数 T ab . 2 I n c r e as e dmu l t i p l eof c r ow nc an t i l e ve rd i s p l ac e me n t at d i f f e r e n t ove r l oadgr ou n dmot i oni n t e n s i t y 地震动超载倍数 不同地震动超载的位移增大倍数 1. 01. 21. 41. 61. 82. 0 向上游变形 无扩大基础和垫座1. 01. 792. 252. 673. 193. 66 有扩大基础和垫座1. 01. 762. 523. 233. 854. 39 向下游变形 无扩大基础和垫座1. 01. 121. 241. 281. 311. 40 有扩大基础和垫座1. 01. 031. 061. 181. 221. 34 502第18期 陈健云等垫座及扩大基础对高拱坝抗震性能的影响分析 ChaoXing （左列-无扩大基础和垫座；右列-有扩大基础和垫座） 图2 坝体变形随地震动强度的变化规律 F i g . 2 V a r i a t i o n o f da mde f o r m a t i o n w i t h g r o und m o t i o n i nt e ns i t y （左列-设计地震动；右列- 2倍超载地震动） 图3 基础处理措施对坝体变形的影响 F i g . 3 I nf l ue nc e o f f o unda t i o n t r e a t m e nt m e a s ur e s o n da mde f o r m a t i o n 图4 基础处理措施对坝体横缝开度的影响 F i g . 4 I nf l ue nc eo f f o unda t i o n t r e a t m e nt m e a s ur e s o n t r a ns v e r s ej o i nt s o pe ni ng 2. 3 对坝体地震动损伤的影响 从图5中可以看出，扩大基础和垫座对坝面损伤的 发展过程和分布规律影响不大，设计地震动下，上游面损 伤主要集中在坝踵，下游面损伤主要在坝体中上部，随着 地震动强度的增加，从中间向四周扩展。采取扩大基础 和垫座使坝面的损伤程度和损伤范围都有所降低。 表3为设计地震动下扩大基础和垫座对坝面最大 损伤的降低程度。从表3可知，设计地震动下，垫座和 扩大基础对于坝体上游面的损伤影响不大，但是对于 下游面的损伤的降低程度超过30。 从表4可知，扩大基础和垫座对下游面最大损伤 的降低程度随着地震动强度的增加逐渐降低。根据表 5的损伤面积比可知，有扩大基础和垫座后，坝体损伤 范围略有降低，但是降低程度不大，损伤越大，对应的 范围降低越大，0. 5的损伤面积降低幅度约为20 ～ 40，损伤体积降低约56，降低效果十分明显。 602振 动 与 冲 击 2020年第39卷 ChaoXing （左列-上游面；右列-下游面） 图5 设计地震动作用的坝面损伤分布 F i g . 5 D a m a g edi s t r i but i o n o n da ms ur f a c ea t de s i g n g r o und m o t i o n 表3 设计地震动下坝面最大损伤比较 T ab . 3 C omp ar i s i onof maxi mu md amageat d e s i gn gr ou n dmot i on 正常蓄水位 上游面下游面 死水位 上游面下游面 无垫座和扩大基础0. 660. 170. 670. 03 有垫座和扩大基础0. 640. 110. 650. 02 降低程度/ 2. 435. 33. 034. 8 表4 下游面最大损伤随地震动强度的变化规律 T ab . 4 V ar i at i onof t h emaxi mu md amageat d ow n s t r e am f ac ew i t hgr ou n dmot i oni n t e n s i t y 下游面最大损伤 1. 01. 21. 41. 61. 82. 0 无扩大基础和垫座0. 170. 400. 600. 650. 700. 75 有扩大基础和垫座0. 110. 220. 500. 600. 650. 70 降低程度/ 35. 34516. 77. 77. 16. 7 表5 坝面损伤超过0. 5的损伤面积比 T ab . 5 D amagear e a r at i o of d ams u r f ac ed amageove r 0. 5 地震动超载倍数 损伤面积比 1. 01. 21. 41. 61. 82. 0 上游面 无扩大基础和垫座1. 221. 463. 968. 7116. 5338. 84 有扩大基础和垫座1. 021. 093. 056. 1711. 9822. 47 降低程度/ 16. 425. 323. 029. 227. 542. 1 下游面 无扩大基础和垫座0016. 4725. 2237. 1652. 71 有扩大基础和垫座0011. 9615. 4424. 5237. 36 降低程度/ 27. 438. 834. 029. 1 从图6的损伤体积比可知，随着损伤程度的增加， 扩大基础和垫座对损伤体积比的降低程度增大，但是， 设计到校核地震动之间，降低的程度随着地震动强度 的增加而增加，超过校核地震动以后，降低的程度随着 地震动强度的增加而减小。 总体而言，扩大基础和垫座对坝体抗震能力的增 强效果随着损伤程度的增加越来越明显。 图6 损伤体积比随地震动强度的变化 F i g . 6 V a r i a t i o n o f t heda m a g ev o l um er a t i ow i t h g r o und m o t i o n i nt e ns i t y 3 结 论 复杂地形、地质条件下的高拱坝基础处理措施对 于改善坝体受力状态是十分有利的，但是这种处理措 施对于地震动波动下的坝体响应的影响是十分复杂 的。本文针对白鹤滩拱坝采用的扩大基础等地基处理 702第18期 陈健云等垫座及扩大基础对高拱坝抗震性能的影响分析 ChaoXing 措施，从对地震动损伤破坏的角度进行比较分析，得出 以下结论 （1）扩大基础能够有效减小地震动下的坝顶变 形，对向上游变形的降低幅度远远大于向下游的降低 幅度；随着地震动强度的增加，坝体中上部损伤程度逐 渐增大，坝体中上部的损伤对坝顶变形起控制作用，基 础处理措施对于坝顶变形的影响逐渐削弱，扩大基础 等措施对于上下游变形的降低程度趋于一致。 （2）扩大基础可以有效改善坝体变形的分布，使左 右两侧的顺河向变形在强地震动作用下的不对称性降 低。但是对于右坝段的顶拱向下游变形以及拱冠梁向下 游变形随着地震动强度增大的变化规律影响不大。 （3）从坝体损伤来看，采用扩大基础等处理措施， 能够有效降低坝体的最大损伤。对于损伤范围的降低 能力随着地震动强度的增加和损伤程度的增大越来越 明显。 （4）从横缝开度来看，相比于没有扩大基础和垫 座，设计地震动下采用扩大基础等措施会降低坝体中 部的横缝开度，但是大大增加了坝体边缝的张开度，边 缝的张开度超过了中间横缝；随着地震动强度的增加， 中部横缝和边缝的张开度逐渐接近。采取扩大基础等 措施后，要加强边缝的止水处理。 参 考 文 献 ［ 1 ］陈媛，张林，周坤，等.高碾压混凝土拱坝分缝形式及破 坏机理研究［J ］.水利学报， 2005， 36（5） 519 - 524. 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