官地碾压混凝土重力坝抗震措施研究.pdf

水 力 发 电 第3 6 卷第 4 期 2 0 1 0年4月 官地碾压混凝土重力坝抗震措施研究 + - 量 + + + 圣 + 委 + + _ + _ 圣 + + _ + 圣 陈明阳 ，范书立 ，陈健云 ，童 伟 。 ( 1 大连理工大学海岸与近海工程 国家重点实验室，辽宁大连1 1 6 0 2 4 ； 2 中国水 电顾 问集 团成都勘 测设 计研 究院 ， 四川 成都6 1 0 0 7 2 ) 摘要 ：采用塑性损伤本构模 型对 官地碾压混凝土重力坝进行 了地震时程有限元计算 ，分析了地震 中重力坝裂缝发 展特性 ，研究并提 出了抗震限裂措施。通过分析发现 ，坝体上部的损伤程度 明显大于底部 ，为此 ，提出在 R区置 换 高标 号 混 凝 土 ，并 在 此 基础 上 进 行 配 筋 ，有 效 减 小 了 地震 裂 缝 发 生 的可 能 性 。 关键词 ：碾压混凝土重力坝；塑性损伤本构模型 ；裂缝 ；材料分区 ；配筋 ；官地水 电站 As e i s mat i c Ana l ys i s f o r Gua ndi RCC Gr av i t y Dam Ch e n Mi n g y a n g ，F a n S h u l i ， C h e n J i a n y u n ， T o n g w e i ( 1 S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f C o a s t a l a n d O f f s h o r e E n g i n e e r i n g ， D a l i a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， D a l i a n L i a o n i n g 1 1 6 0 2 4 ； 2 H y d r o C h i n a C h e n g d u E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n ， C h e n g d u S i c h u a n 6 1 0 0 7 2 ) Ab s t r a c t ： T h e s e i s mi c r e s p o n s e o f Gu a n d i RCC G r a v i t y Da m w a s a n a l y z e d b y p l a s t i c - d a ma g e mo d e 1 T h e d e v e l o p me n t a n d c h a r a c t e r i s t i c o f s e i s mi c c r a c k wa s d i s c u s s e d a n d me a s u r e s w e r e p r o p o s e d f o r c r a c k T h e a n a l y s i s s h o ws t h a t t h e u p p e r d a ma g e o f d a n a i s mo r e s e ri o u s t h a n b o t t o m p a r t ， S O t h e r e p l a c e me n t o f h i g h g r a d e c o n c r e t e i n RI I I a r e a a n d r e i n f o r c e me n t a r e p r o p o s e d for r e d u c i n g s e i s mi c c r a c k Ke y W o r ds ： pl a s t i c da ma g e ；c o n s t i t u t i v e mo d e l ；c r a c k；ma t e r i a l s di v i s i o n；r ei n f or c e me n t ；Gua n di Da m 中 图分 类号 ： T V3 1 2； T V 6 4 2 3 ( 2 7 1 ) 文 献标 识 码 ： A 文 章 编 号 ： 0 5 5 9 9 3 4 2 ( 2 01 0) 0 4 - 0 0 4 0 - 0 3 通 常 对 地 震 作 用 下 重 力 坝 裂缝 的 产 生 与 发 展 采 用 断 裂 力 学 模 型 进 行 研 究 ，损 伤 力 学 的 产 生 为 重 力 坝 地 震 响 应 提 供 了 新 的 分 析 工 具 。 Gh r i b和 T i n a wi 用 损 伤 力 学 分 析 了 Ko y n a坝 静 动 力 条 件 下 的 破 坏 裂 缝 并 与 其 他 理 论 计 算 的 结 果 进 行 了对 比 ： L e e和 F e n v e s采 用 了 塑 性 损 伤 本 构 模 型 对 Ko y n a坝 进 行 了 地 震 响 应 分 析 【 。 官 地 水 电 站 位 于 我 国 西 南 地 震 高 烈 度 区 ， 其 大 坝 抗 震 分 析 尤 为 重 要 。 本 文 采 用 翅 性 损 伤 本 构 模 型 对 官 地 碾 压 混 凝 土 重 力 坝 进 行 了 分 析 ， 阐 述 了地 震 中裂 缝 的 特 性 ，研 究 了 具 体 的抗 震 措 施 ， 即 对 于 材 料 分 区设 计 中 的 不 合 理 之 处 ，通 过 对 比 分 析 提 出 更 加 有 利 的 材 料 分 区 设 计 ，并 在 此 基 础 上 进 行 配 筋 ， 以 减 少 地 震 裂 缝 发 生 的 可 能 性 。 1 分析方法 1 1 混凝土 损伤本 构模型 损 伤 力 学 本 构 模 型 不 仅 可 以模 拟 混 凝 土 产 生 的 囫W a t e r P o w e r V o 1 3 6 N o 4 宏 观 裂缝 而 且 可 以很 好 地模 拟 宏 观裂 缝产 生 前 的 微 裂纹 。混 凝 土在 应 力水 平 达到 其 强度 时 。将 产生 损伤 ，损 伤 引起 混凝 土材 料 刚度 软 化 。损 伤 以损 伤 因 子 d表 示 假 设 混凝 土 的应 力 应变 曲线 在 损伤 前 为 线 弹 性 ，损 伤 后 依 照 混 凝 土 结 构 设 计 规 范 确 定 =E 0 ： 一 。 式 中 ，盯 为 应 力 ； 为 弹 性 模 量 ； 为 应 变 ；占 0为 弹 性 极 限 时对 应 的 应 变 ； 为 下 降 曲 线 参 数 ， 由 规 范 给 定 。 与 之 对 应 的基 于 能 量 等 效 的损 伤 演 化 方 程 为 收稿 日期 ：2 0 0 9 0 9 0 8 基金项目：国家 自然科学基金资助项 目( 9 0 5 1 0 0 1 8 ) 作者简介：陈明阳( 1 9 8 4 一 ) ，男，湖北谷城人 ，硕士研究生 ，主 要从事水1 = 结构抗震试验及数值分析 第 3 6 卷第 4期 陈明阳， 等： 官地碾压混凝土重力坝抗震措施研究 d = l 、 ( 2 ) 开 裂 应 变 定 义 为 总 应 变 减 去 无 损 材 料 的 弹 性 应 变 ， 即 = s ” = o - E o ( 3) 式 中 ， 为 开 裂 应 变 ；s 为 无 损 材 料 的 弹 性 应 变 ； 其 他 符 号 意 义 同 前 。 断 裂 能 为 开 裂 位 移 与 软 化 应 力 同 成 的 面 积 ， 即 r r G F ) c r d u = O - z 0 d 占 ( 4 ) 式 中 ，G f 为 断 裂 能 ；Z 为 开 裂 位 移 ； 为 单 元 特 征 长 度 1 _ 2钢 筋混 凝土本 构 模型 对 于 大 坝 这 种 大 体 积 混 凝 土 结 构 在 一 个 单 元 内 钢 筋 的 影 响 面 积 足 有 限 的 ， 钢 筋 影 响 面 积 及 钢 筋 混 凝 土 应 力 关 系l I为 ( E o ) ( 5 ) = = 式 巾 ， 为 素 混 凝 土 抗 拉 强 度 ； A 为 钢 筋 混 凝 土 影 响 面积 ；A 为 钢筋 截 面 面积 ； 厂 = 为 钢筋 屈 服 强度 ；c 为 指 数 参 数 ，本 文 取 为 0 2 ；h 为 影 响 域 的 边 长 ； 其 他 符 号 意 义 同 前 。 则 整 个 配 筋 单 元 的 本 构 模 型 为 o-=-E( 4 1 )】 _ _ 0 。 o 0 ( 一 1 ) 旧 “ j ( 6 ) 4I L 十4 S n 式 巾 ，4 ， 为 素 混 凝 土 面 积 。 地 基 采 户 H D P模 型 、钢 筋 采 HJ 理 想 弹 塑 性 本 构 模 型 进 行 计 算 分 析 。 2 官地重力坝非线性分析 官 地 水 电 站 足 雅 砻 江 卡 拉 至 江 河 口 河 段 水 电 规 划 五 级 开 发 的 第 个 梯 级 电 站 ， 主 要 任 务 是 发 电 。 电 站 共 安 装 4台 6 0 0 MW 水 轮 发 电 机 组 。 官 地 碾 混 凝 土 重 力 坝 坝 顶 高 程1 3 3 4 0 0 m ，本 文 对 挡 水 坝 段 进行计 算 ，建 基面 高程 1 l 9 0 0 0 I T I 。 该 坝 除 坝 顶 和 建 基 面 采 用 常 态 混 凝 土 浇 筑 外 ， 其 余 j =! J ! 体 均 采 用 碾 压 混 凝 土 ， 坝 体 碾 压 混 凝 土 分 为 RI R V5个 区 域( 她 图 1 ) ，各 区 间 的 材 料 参 数 见 表1 。 大 坝 正 常 蓄 水 位 1 3 3 0 m下 游 正 常 水 位1 2 0 9 l I 1 计 算 时 考 虑 自重 、 静 水 压 力 、 淤 沙 压 力 、 地 震 荷 载 和 动 水 压 力 的 综 合 效 应 。 挡 水 坝 段 混 凝 土 重 力 图 1 大坝截面及材料分区示意 表 1 各 区域混凝土标号及性能参数 坝 等 级 为 1级 ，地 震 设 防 烈 度 为 7度 取 1 0 0年 基 准 期 内 超 越 概 率 J p 1 为 0 0 2的 设 计 地 震 加 速 度 作 为 代 表 值 ， 相 应 基 岩 水 平 峰 值 加 速 度 为 3 4 5 m s 。 大 坝 动 力 分 析 考 虑 垂 直 坝 轴 线 方 向 的 水 平 地 震 作 用 和 竖 向 地 震 作 用 。 竖 向 设 计 地 震 加 速 度 的 代 表 值 取 水 平 向 设计 加 速 度 代 表 值 的 2 3。大 坝 坝 址 基 岩 较 为 完 整 ，特 征周期 为 0 2 S ，反应 谱 最大 值 的代 表值 为 2 0。人 地 震 动 时程 曲线 见 冈 2 。最 终 的抽 伸 损 伤 分 布 见 网 3 2 1 O O - 0 1 - 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 时 间 s a 水平 向 图 2 坝址 区基岩地震动加速度 时程 曲线 由 图 3可 知 。 发 生 较 大 损 伤 的 部 位 为 下 游 坝 背 、上 游 坝 踵 和 上 游 折 坡 处 ； 坝 踵 产 生 了 损 伤 因 子 大 于 0 7 5的裂缝 ，但损 伤 区域不 大 ；上游 折坡 处 损 趟 景 l s _ 嚣 懈 旧 时 水 力 发 电 2 0 1 0 年 4月 图 3拉 伸 损伤 分 布 伤 较 小 ， 无 裂 缝 ；下 游 坝 背 产 生 了 较 大 的 损 伤 裂 缝 区域 。 大 坝 整 体 损 伤 评 价 指 标 为 ， D M = m a x ( L ) ( 7 ) L f 式 中 ，D 为 大坝整体 损伤 评价指 标 ；Z 为第 i 个 水平 截 面 上 损 伤 因 子 大 于 0 7 5区域 的 长 度 ； ， J ， 为 第 i 个 水 平 截 面 在 坝 体 上 的 总 长 度 。 3 抗震措施 地 震 中 大 坝 破 坏 主 要 集 中 在 坝 体 上 部 。 设 计 时 通 常考 虑结 构 底部 受 到 的压应 力 较 大 ，因此 下 部混 凝 土 材 料 标 号 较 高 ，然 而 通 过 以 上 分 析 ， 高 烈 度 区 的 大 坝 上 部 结 构 受 地 震 作 用 会 产 生 较 大 的 损 伤 ，采 用 标 号 过 低 的 混 凝 土 不 利 于 抗 震 。 对 于 官 地 T 稃 来 说 破 坏 最 严 重 的 为 R 区 ， 采 用 的 是 Cl 5碾 压 混 凝 土 因 此 建 议 置 换 为 C 2 0和 C 2 5碾 压 混 凝 土 置 换后 大坝损 伤结果 见 图 4和 图 5 。 图 4 R置换 C2 0损伤分布 图 5 R置换 C 2 5损伤分布 由 图 4、5可 知 ：置 换 高 标 号 混 凝 土 后 R 区 损 伤 因 子 大 于 0 7 5的裂 缝 区 明 显 减 小 ：但 R 区 的 损 伤 越 来 越 大 ，置 换 C 2 5碾 压 混 凝 土 后 H j 现 了 一 条 较 大 裂 缝 ，显 然 上 部 结 构 强 度 与 刚 度 的 提 高 将 导 致 下 部 应 力 水 平 变 大 ，裂 缝 向 下 移 动 。 C1 5、C 2 0、C2 5 碾压 混凝 土的整体损 伤指标分别 为 0 6 6、0 2 9 、0 3 3 ， 囫Wa t e r P o w e r V o 1 3 6 m4 由此 可 见 ，采 用 置 换 C 2 0混 凝 土 方 案 较 为 合 适 。 尽 管 通 过 置 换 高 标 号 混 凝 土 的 方 法 可 以 提 高 抗 震性 能 ，但 由于 损 伤 区域 较大 且仍 有 裂缝 区 ，为 加 强 大坝 的抗 震 安全 性 ，建 议 在 坝 内 布设 抗 震 钢 筋 。 考虑 到在 碾压 混 凝 土 内配筋 会影 响 施 工 ，因此 配 筋 区 域 选 定 为 下 游 面 0 5 I l l宽 的 区 域 及 上 游 面 1 m 宽 的区域 ，该 区域使 用变 态 混凝 土 ，配一 层 3 2 2 0 0 一 级 钢 筋 。 下 游 配 筋 混 凝 土 的 断 裂 能 为 4 2 6 N m。 布设 钢筋后 大坝 的损伤 分布见 图 6。 图 6 R 区配 筋 后 损伤 分 布 由 图 6可 知 ，配 筋 后 上 下 游 的 裂 缝 区 域 进 一 步 减 小 ，在 下 游 坝 表 面 基 本 上 已 经 没 有 宏 观 裂 缝 ，钢 筋 起到 了较好地 限制 裂缝扩 展 的作 用 。 4 结语 本 文 通 过 对 官 地 碾 压 混 凝 土 重 力 坝 塑 性 损 伤 分 析 ，得 到 以下结 论 ： 按 一 般材 料 分 区 ，地 震 中大 坝 上 部 结 构 较 下 部 结 构 裂 缝 区 域 的 面 积 和 深 度 大 ， 损 伤 主要 集 中在 下 游 坝背 折坡 处 ； 在 高强 度 地震 下 弱 化 下 游 坝 背 折 坡 处 材 料 的 设 计 不 合 理 ， 通 过 置 换 C 2 0混凝 土可 有效 减 小 裂缝 出现 的可 能性 ； 在 置 换 混 凝 土 的 基 础 上 ， 通 过 配 筋 能 够 有 效 地 抑 制 坝 体 表 面 的 宏 观 裂 缝 。 参考文献 ： 1 G h r i b F ，T i n a w i RN o n l i n e a r b e h a v i o r o f c o n c r e t e d a m s u s i n g d a ma g e m e c h a n i c s J E n g Me c h ，1 9 9 5 ， 1 2 1 ： 5 1 3 - 5 2 7 2 G h r i b ， F ， fred T i n a w i R A n A p p l i c a t i o n o f D a m a g e Me c h a n i c s f o r S e i s m i c An a l y s i s o f C o n c r e t e G r a v i t y D a m s J E a rt h q u a k e E n g i n e e r i n g a n d S t r u c t u r a l Dy n a mi c s ，1 9 9 5 ， 2 4： 1 5 7 -1 7 3 3 L e e J ，a n d F e n v e s G L A P l a s t i c D a ma g e C o n c r e t e Mo d e l f o r E a r t h q u a k e A n a l y s i s o f D a r n s J 1 E a r t h q u a k e E n g n e e r n g a n d S t r u e t u r a l Dy n a mi c s ，1 9 9 8 ， 2 7 ：9 3 7 9 5 6 4 GB 5 0 0 1 0 -2 0 0 2 ，混凝 土结构设计规范 S 5 沈怀至 ，潘坚文 ，金峰 ，等 混凝土坝坝体 配筋抗震措施研究 J 水利学报 ，2 0 0 7 ，3 8 ( i ) ：3 9 4 6 ( 责任编辑焦雪梅 )