乌东德高拱坝振动台动力模型试验研究.pdf

第 卷 第 期 人民珠江 年 月 :/.:/基金项目:国家重点研发计划资助()长江设计院自主创新项目()收稿日期:作者简介:熊堃()男高级工程师主要从事水工结构设计研究工作 :.熊堃胡清义曹去修.乌东德高拱坝振动台动力模型试验研究.人民珠江():.乌东德高拱坝振动台动力模型试验研究熊 堃胡清义曹去修(.长江勘测规划设计研究有限责任公司湖北 武汉.国家大坝安全工程技术研究中心湖北 武汉)摘要:目前国内外高拱坝遭受震害的实例较少缺乏足够且有效的原型地震破坏观测资料 采用振动台动力模型试验方法对 高的乌东德拱坝在强震条件下的破坏过程和破坏形态进行研究分析坝体地震破坏模式和结构抗震薄弱部位评价大坝的抗震安全性 研究结果表明:模型试验分析得出了乌东德拱坝自振特性、地震条件下加速度、动应变及横缝开度等动力响应且与数值计算成果基本一致在极限强震作用下大坝建基面附近存在延伸深度有限的局部开裂主要的破坏区域在于坝体的中上部顶拱以下约/高度以内的区域形成上、下游贯通的梁向宏观裂缝乌东德高拱坝在设计与校核地震作用下坝体应力状况较好坝体横缝开度较小且极限抗震能力较强关键词:高拱坝动力模型试验地震破坏模式地震损伤乌东德中图分类号:.文献标识码:文章编号:()./.中国特高拱坝遭受震害的实例并不多据不完全统计国内外 座 级高拱坝受到影响的仅为 座修建在强震区的坝高 以上的高拱坝经受强震作用的实例更少 同时中国现行抗震规范主要针对高度 以下拱坝当前拱坝抗震设计研究经验还难以全面满足中国西部高地震烈度人民珠江 年第 期区的一系列 级到 级高拱坝工程建设的要求 在缺乏足够且有效的高拱坝原型地震破坏观测资料的情况下振动台动力模型试验是研究探讨高拱坝地震破坏模式和破坏机理的有效途径之一自 世纪 年开始中国水利水电科学研究院 就开始逐步开展拱坝及重力坝的振动台动力模型破坏试验的研究工作研究提出了模型相似材料、振动台地震波输入、大坝 地基 库水相互作用、坝体横缝、坝肩关键滑裂体和人工阻尼边界等一系列试验技术最大限度模拟了影响拱坝地震响应的各种主要因素并应用于龙羊峡、溪洛渡、小湾、大岗山等工程试验结果为深入认识拱坝在地震作用下的响应全面评价拱坝的抗震性能提供了重要依据 大连理工大学、清华大学、河海大学等单位也开展了高拱坝动力模型试验研究方面的工作 钟红等针对拱坝在地震作用下的破坏机理问题通过动力模型破坏试验以及数值模拟的相互验证指出大坝顶拱中部附近是高拱坝抗震设防的关键部位 王海波等指出了拱坝系统动态物理模型的难点主要体现在模型边界条件模拟和模型材料与模型加工 个方面其中模型边界条件涉及到拱坝系统有限模型的远场辐射阻尼效应模拟和系统地震动输入模拟模型材料主要困难在于抗拉强度的模拟其关系到坝体损伤破坏成果金沙江乌东德水电站是中国第四座、世界第七座跨入千万千瓦级行列的巨型水电站混凝土双曲拱坝最大坝高 设计地震动峰值加速度.校核地震动峰值加速度.大坝抗震安全问题较为突出 本文给出了乌东德拱坝振动台动力模型试验的研究成果与数值模拟计算成果进行对比分析乌东德拱坝的地震破坏模式与抗震薄弱环节该成果为大坝的抗震安全评价与抗震措施设计提供了依据 工程概况乌东德大坝为拋物线双曲拱坝 最大坝高 抗震设防类别为甲类设计地震和校核地震加速度代表值分别取基准期 内超越概率 和 的 地 震 动 峰 值 加 速 度 分 别 为.、.在大坝体形的抗震设计过程中采用了“静力设计动力调整”的新方法以动力拱梁分载反应谱法开展抗震分析并不断调整大坝体形使其在基本烈度地震的条件下满足拱坝设计规范的应力控制指标提高了坝体抗震性能 可行性研究阶段大坝体形的特征参数和技术指标见表 三维效果见图 表 乌东德拱坝体形特征参数、技术指标特征参数数值坝顶高程/.最大坝高/.拱冠顶厚/.拱冠底厚/.弧高比.最大中心角/().最大拱端厚度/.厚高比.正常蓄水位对应总水沙推力/万.最大倒悬度上游面.下游面.图 大坝体形三维效果 模型设计乌东德高拱坝振动台动力模型试验委托中国水利水电科学研究院工程抗震研究中心完成该试验对拱坝、坝体横缝、地基、库水及无限地基的辐射阻尼效应等影响拱坝系统地震响应的主要因素进行了模拟 试验首先在正常蓄水位和死水位条件下分人民珠江 年第 期别进行设计地震动水平和校核地震动水平的加振以评价拱坝在设计地震和校核地震条件下的抗震安全度然后在正常蓄水位条件下进行超载加振以研究大坝地震的破坏模式与极限抗震能力振动台台面尺寸 最大载重量 试验模型总体布置与试验情况见图 包括坝基、坝体、水库及阻尼边界 长度比尺受振动台的最大载重量及台面尺寸所限取为 试验中由于库水液体只能采用普通水故材料密度比尺取为.同时试验只能在常重力场条件下进行加速度比尺取为.弹性模量比尺取为 弹性范围内其他比尺均可由上述 个基本相似比尺算出见表)模型布置设计)模型试验现场照片图 试验模型总体布置表 模型相似比尺基本比尺基本比尺数值其他导出比尺其他导出比尺数值长度比.频率比.密度比.变形比.弹性模量比.应变比.加速度比.应力比.时间比.拱坝坝体采用特制砌块砌筑而成砌块采用以硫酸钡、氧化铅及滑石粉为主的混合原料自然干燥加压成型方法制备材料控制指标主要包括容重、弹性模量、抗拉强度等以准确模拟坝体的受力特性与开裂损伤状况 实际坝体模型材料的抗拉强度为.对应原型 混凝土的静态抗拉强度.试验模型材料强度满足相似率比尺要求 根据已有的研究成果除横缝张开量之外模拟数条主要横缝即可反映横缝对坝体动力响应的主要影响该模型坝体上设置了 条横缝 地形基础用特制加重橡胶黏接砌筑而成基础范围上下游各取约一倍坝高左右岸及底部约半倍坝高模型横河向长度为.顺河向长度为.、总高为.水库长度约为.倍坝高 室内试验模型仅包括有限范围的水库和基础为了减小有限基础边界的影响沿模型基础四周设置了阻尼液模拟的人工阻尼边界通过能量消耗近似反映模型有限范围基础之外的无限域的动力影响使试验条件更为接近实际工程条件试验模拟上游正常蓄水位.和死水位.两种工况 根据以往的研究成果淤沙及下游水位对动力响应的影响较小在试验中未予考虑 输入的地震波时程为按抗震规范设计反应谱拟合生成的人工地震波、实际记录(柯依那)地震波和 (洛马普列塔)地震波 振动台实际的输入地震动根据模型基础与振动台的刚性连接条件进行了一定调整在进行超载试验时只对地震波的幅值进行放大不同激振水平的时程波形完全相似试验中共采用 类 通道测点进行数据采人民珠江 年第 期集分别为加速度计、位移计、应变计、缝位移计及动水压力计 坝体动力响应.坝体动力特性坝体的基本动力特性根据.水平白噪声激振条件下坝体加速度响应分析计算得到根据试验结果在正常蓄水位条件下大坝原型基频.为正对称振型 图 为根据坝顶 个测点的传递函数得到的在各试验工况下的顺河向第一阶频率变化曲线从低水位至满库的频率下降主要是由于动水压力所引起在设计地震各工况加载前后大坝动力特性变化甚微之后的频率下降是坝体刚度下降的反映结合与其他观测结果可判断坝体损伤发展过程 图 给出了正对称、反对称各第一阶振型的示意图 加载前后坝体顺河向基频变化曲线)正对称第一振型)反对称第一振型图 正常蓄水位条件下坝体振型示意采用拱梁分载法 软件计算所得大坝基频为.采用有限元软件 计算的大坝基频为.相应振型均为正对称与模型试验成果基本一致.坝体加速度反应试验显示大坝顺河向加速度放大倍数较大且上部拱冠响应最大而向两岸逐渐减小 图 为设计地震及超载工况顶拱顺河向最大加速度的分布以向下游为正无特别标注的坝前均为正常蓄水位设计地震条件下拱冠坝顶与坝趾最大加速度峰值比顺河向基本上在.倍正常蓄水位人工波坝顶顺河向最大加速度.有限元数值分析相应工况最大加速度.模型量测值与计算值基本一致 在地震超载工况.倍超载以后拱冠部位加速度变化剧烈与此时拱冠附近坝体出现了水平开裂有关)设计及校核地震)超载地震图 顶拱拱圈顺河向加速度分布.坝体应变反应由于材料非线性特性的限制试验中不能将所测的应变值换算为坝体应力但可作为判断坝体受力状况的依据 试验量测结果分析表明在设计地人民珠江 年第 期震条件下坝体拱向和梁向应变分布都比较均匀地震荷载超载后压应变随地震输入增大而增加大部分位置的拉应变由于受横缝张开的影响最大值未超过 但在坝体靠近坝顶的.高程处图 所示两拱端拱向的拉应变均明显大于其他位置尤以下游面更为突出在.倍超载工况之后该高程下游面动拉、压应变快速增大受拉已超过材料开裂应变水平试验后观察该部位有开裂迹象图 高程拱向动拉应变最大值分布图 给出了拱冠梁和左梁剖面的梁向最大拉应变分布 在设计地震工况梁向动应变沿高程分布较为均匀 随地震输入的不断增大中上部位动应变增加较快下游面拉应变的变化幅度快于上游面在.倍超载工况之后左梁下游面距坝顶约.位置出现开裂试验后目测观察也确认了宏观水平向裂缝在同高程位置的其他梁下游面梁向拉应变均较大)拱冠梁)左梁图 拱冠梁梁向动拉应变最大值分布.坝体横缝开度试验得出的死水位工况横缝最大张开量与正常蓄水位工况基本接近图 给出了正常蓄水位人工波设计地震条件下试验坝体横缝张开量与有限元数值计算值的比较图 为拱冠处横缝及左缝在超载时最大缝开度沿高程的分布)上游坝顶)下游坝顶图 模型试验与数值计算所得坝体横缝最大张开度的比较由图 可知试验与计算两者量级一致但试验数值大于计算值造成这种差异的主要原因是计算模拟了全部横缝而试验仅模拟了 条导致试验得出的单条缝张开量相对较大此外计算中假定横缝为零初始间隙而模型中很难做到绝对零初始间隙从而减弱了静水作用下横缝缝面的初始压力导致横缝更易于张开人民珠江 年第 期在地震超载工况横缝张开量基本呈均匀增加最大张开量发生在拱冠横缝位置.倍超载工况最大此时上游面.下游面.换算至原型分别为.、.从图 可以看出横缝开度随高程降低逐渐减小减小速度较快)拱冠缝)左缝图 横缝开度沿高程变化 坝体损伤开裂状况根据加速度、应变和位移的量测结果及坝体表面图像监测与目测情况可知模型坝体在各种工况下损伤开裂发生和发展状况 表 列出了在地震荷载逐渐超载过程中坝体损伤的部位及判断依据表 坝体损伤发展过程地震超载倍数损伤现象位置(图)判别依据.无损伤.横缝碰撞至坝体材料破碎脱落标号 目测.梁向开裂标号 坝体频率变化、目测.两岸坝顶坝肩部位开裂标号、测点最大应变变化率.左岸/下游面梁向开裂标号 裂缝扩展标号、应变时程对比.梁向开裂贯穿坝体标号 坝体频率变化、目测)下游面)上游面图 试验所得坝体开裂部位示意试验显示在设计地震作用下坝体未见损伤地震荷载超载.倍时靠近顶拱部位的下游坝面坝体左侧出现水平向的宏观开裂在地震荷载超载至.倍的过程中该部位的开裂逐渐扩展到拱冠同时其对应的上游坝面位置也有开裂并在超载倍数达到.时上、下游坝面的开裂贯通形成了独立的可动块体 对于两岸坝肩根据拱向拉应变最大值增速判断左、右岸坝肩约在.倍超载工况发生开裂损伤 需要指出的是尽管有上述损伤发生但地震超载后的坝体维持了静态的稳定没有发生溃坝根据试验及相关计算成果设计在应力水平较高的建基面附近区域提高了混凝土强度等级在坝体中上部高拉应力区和易出现损伤开裂区域布置梁向抗震钢筋以限制地震作用下局部可能产生的裂缝扩展防止坝体悬臂梁水平错动和断裂 由于横缝在地震过程中张开度较小不布置过缝钢筋主要在缝面设置球形键槽限制坝体在地震作用下沿上人民珠江 年第 期下游方向滑动 结论)通过振动台动力模型试验分析得出了乌东德拱坝自振特性、地震条件下加速度、动应变及横缝等动力响应且与数值计算成果基本一致)在极限强震作用下乌东德高拱坝破坏模式为:建基面附近存在延伸深度有限的局部开裂主要的破坏区域在于坝体的中上部顶拱以下约/高度以内的区域形成上、下游贯通的梁向宏观裂缝)模型试验成果显示:乌东德高拱坝在设计与校核地震作用下坝体应变状况较好坝体横缝最大张开度较小且极限抗震能力较强参考文献:水工建筑物抗震设计标准:.曹去修向光红崔玉柱.高地震烈度区特高拱坝抗震设计.水力发电():.陈厚群姜治超杨佳梅等.关于几座拱坝的抗震试验研究.水利学报():.陈厚群李德玉.有横缝拱坝的非线性动力模型试验和计算分析研究.地震工程与工程振动():.王海波李德玉陈厚群.拱坝振动台动力破坏试验研究.土木工程学报():.王海波李德玉陈厚群等.高拱坝极限抗震能力研究之挑战.水力发电学报():.林皋.研究拱坝震动的模型相似律.水利学报():.周晶林皋王承伦.双曲拱坝的地震破坏模型试验.大连理工大学学报():.李静陈健云徐强等.振动台非线性破坏模型试验影响因素.振动.测试与诊断():.盛志刚张楚汉王光纶等.拱坝横缝非线性动力响应的模型试验和计算分析.水力发电学报():.盛志刚徐艳杰刘海笑.拱坝横缝配筋动力响应的模型试验和计算分析.清华大学学报():.江泉杜成斌马良筠.分缝拱坝模型动力试验研究和分析.河海大学学报():.钟红林皋李红军等.拱坝地震破坏的模型试验与数值模拟.水力发电学报():.曹去修胡中平熊堃.乌东德高拱坝抗震设计研究.人民长江():.王海波等.乌东德双曲拱坝动力模型试验研究报告.北京:中国水利水电科学研究院.(责任编辑:向 飞)