刘小婧

（志丹县水务局地下水监督监测管理站，陕西 志丹 717500）

随着国民经济快速发展，电力需求以及节能减排和环保的压力越来越大，水电能源开发作为清洁能源的必要性与日俱增。然而开发水电能源也存在一定困难，工程建设的稳定及安全问题亟待解决，现如今工程人员必须解决的问题为在地质条件较为复杂的地区开展高坝建设工程。考虑到水电能源开发中土石坝建设的重要性，高土石坝的稳定性以及抗震研究已逐渐成为工程热点。

当前关于土坝的动力特性研究已有许多理论和计算方法，在此基础上，学者利用计算机编写了相关子程序对土石坝的地震动力响应进行计算，这种方法更简单便捷，且较为科学，然而目前在强震中幸存下来的高岩坝较少，故关于高岩坝的地震数据量较少，利用现有资料对相关程序进行运用和改进受限。利用地震模拟震动台可以为这些程序提供更多相关数据，而且可以开展模型坝的地震动力响应研究。大型土石坝振动台模型试验可以为土石坝的结构-动力特性的研究提供一定的数据参考。

以某水电站为研究对象构建与之对应的大坝试验模型，分别构建心墙坝与面板坝的试验模型，研究高土坝的地震动力特性响应，以便对三个模型地震动力特性试验结果做对比分析，为其它大坝和相似工程的抗震设计提供一定的参考，同时试验数据也可以用来检验和改进土石坝现有的理论方法及计算机程序。

2.1 试验设备

试验设备选用中国建筑科学研究院的三向六自由度大型高性能地震模拟振动台，该试验台规模为长6 m、宽6 m，试验开展时该试验台为国内最大振动台。

2.2 模型设计与制作

以某水电站为模型原型构建心墙坝A、B模型与面板坝试验模型。所进行的三次模型试验相似理论基础为以重力场为基础的岩土结构振动模型试验相似关系。每次试验时需要两个大坝模型—坝段模型和整体模型，模型坝高度为1 m，模型坝几何尺寸相似常数为1/H，其中H 代表原型坝坝高；
模型坝密度相似常数为1；
模型坝变形模量相似常数主要通过原型坝材料和模型坝材料的动态变形试验确定。通过以上相似常数计算可得模型所需其它相似常数，模型所有相似常数见表1。

表1 试验相似常数汇总表

模型坝填筑分7层，前6层每层厚度15 cm，第7层厚度10 cm，填筑密度严格把控。每层填筑体平坦度由垂直河向和平行河向两个方向进行把控。心墙坝模型填筑顺序为：首先对模型进行分层，使用模板填充心墙，对各层进行填充，最后填筑坝体上下游堆石体。同时，堆石坝体填筑后，每层填筑体由垂直河向和平行河向两个方向整平，而后再施工混凝土板。

2.3 试验内容和方法

试验的内容主要包括研究模型坝在振动影响下的动力破坏以及面板坝受地震影响发生的应力-应变反应。

试验方法为：试验过程中，通过观察、现场录像、拍照等手段对坝体的变形以及破坏进行监测，同时设置应变花环测定该区域的应变响应；
试验结束后，通过测量研究滑坡的深度和破坏模式，通过应变花环得到面板的应变数据，并依据材料的应力应变关系确定出面板的应力数据。研究重点在于研究心墙坝以及面板坝的地震动力响应的不同点，因此不对面板坝的应力-应变响应做具体研究。

2.4 试验方案设计

由于输入地震振动类型和输入形式有所不同，故将整个试验分为较多小试验，再根据振动幅度将每个小试验分为若干各方案。其中，地震振动类型包括白噪声、压缩普通地震波以及规范正弦波，地震振动输入形式有水平垂直河向以及水平平行河向、三向输入三种形式。地震振动输入顺序遵循先小震后大震，先单向后多向，最后高幅值规范正弦波的原则。为准确监测到模型坝的变形，每次输入地震波前后都要对模型坝进行白噪声扫描。

3.1 大坝结构的动力（自振）特性

分析三个模型坝试验结果可知：心墙坝和面板坝在受到低振幅白噪声激发时，少量靠近坝基的点在某些工况其振动不明显，其它监测点的均发生了明显振动，且各点自振频率值较为接近，自振频率变化不均一；
坝体内各监测点阻尼系数与边界条件有关，即坝体周围、坝基、山体位置的阻尼系数受到边界条件的限制，坝顶阻尼系数稍大于坝谷中段，大多数情况下，各监测点的阻尼系数变化都较小，其阻尼比相对比较稳定；
振动水平不同时，坝体不同方向的形变基本保持一致，但形变幅度有所不同。图1 是心墙坝B 沿竖直方向和沿横河方向振型系数沿坝高方向和坝顶轴线方向的变化情况。分析图1可知，模型坝受地震作用，大坝结构位移的动力响应基本呈水平分布，动力响应最大的区域为与坝顶距离较近的河谷中央坝段处，其周围区域的位移动力响应相对较小。

图1 振型系数沿坝高方向和坝顶轴线方向的分布图

基于模型坝结构动力特性参数测试的总体结构分析可以得出，大坝结构受地震影响时其振动模态较为明显，监测点振动的自振频率和阻尼系数的测试值离散性更强，大坝模态系数保持在一定水平。土石坝在地震影响下其振型相对比较稳定，根据弹性理论计算所得大坝动力特性参数可以反应出模型坝自振特性。而土石坝组成结构为是散粒状结构，其材料应力应变关系表现为高度非线性特性，故而其动力特性参数表现出具有一定的离散性。

3.2 大坝结构动力特性影响因素分析

根据心墙坝A 受不同幅值水平白噪声激励作用所得的一阶自振频率和阻尼比与面板坝一阶自振频率试验过程中的变化情况可得知，坝段模型的自振频率与水库蓄水与否相关联，对于心墙坝而言，坝体蓄水前的自振频率比蓄水后的自振频率大，分析原因可能在于：坝壳堆石材料透水效果好，堆石材料的有效应力随着孔隙水压力增大而降低，刚度随之降低，最终导致坝体结构的自振频率降低。对于面板坝而言，坝体蓄水前的自振频率比蓄水后的自振频率更低，其原因在于：蓄水后面板受水压力影响，导致堆石体发生沉降，刚度随之增加，最终导致坝体结构的自振频率增加，这与数值模拟结构保持一致。模型振动试验过程中，面板坝蓄水前后的自振频率没有明显增加，其原因在于：模型体短时间内蓄水，蓄水后立刻开始振动试验，其压实效果无法完全实现。

大多数情况下，在坝基和岸坡的限制作用下，三维模型坝的自振频率比平面坝段自振频率稍高，这与心墙坝A和心墙坝B模型坝的试验结果保持一致。针对面板坝而言，两个模型自振频率大致相同，其主要原因为：面板坝地处特殊的河谷地段，面板坝在河流拐弯处，河谷很窄，河岸两侧岸坡地形不同，两侧堆石坝结构形态也差异较大，即左侧边坡先是陡峭的，然后逐渐变缓，慢慢与坝体相连；
右侧边坡变化不大，但极为陡峭。这种地形使得坝体结构完整性受破坏，坝体受岸坡限制较小，故而模型整体自振频率不会高于坝体的自振频率，甚至模型整体自振频率比坝体自振频率更小。

另外，考虑心墙坝A和心墙坝B模型坝的结构类型、坝高、断面设计较为相近，根据这两个模型坝动力性能参数的试验结果可知，岩石的动力变形性能大坝材料也是影响大坝自振频率的重要因素。心墙坝B 动模量系数大于2 000，其自振频率为100 Hz，而与其结构类型、坝高、断面设计均较为接近的双江口模型堆石坝动模量系数为1 000，其自振频率为50 Hz。根据弹性理论，结构的自振频率与动模量的平方根成反比关系，此次模型试验结果基本满足此关系，试验结构的有效性得以验证。总的来说，大坝结构的动力特性受大坝结构的几何形状与大坝材料的动力特性影响较大，在大坝设计时应着重考虑。

以某水电站为研究对象构建模型心墙坝A、B与面板坝的试验模型，研究两种高土石坝受地震影响的动力反应特性，主要结论有：①大坝监测点自振频率和阻尼系数具有较小的离散性，大坝模态系数大致保持不变，土体和岩石基本稳定，材料应力与变形的动态关系具有很强的非线性，动态特性的各个参数具有一定的离散性；
②利用白噪声对模型进行激发所确定的模型结构动力特性参数值的主要影响因素有坝体内部空间位置、输入白噪声的幅值水平影响，同时大坝的几何形状、坝体填筑所用材料动力特性、水库蓄水情况也会影响大坝结构的动力特性，大坝设计时应加以考虑；
③高面板堆石坝和高心墙堆石坝两类堆石坝的抗震性能均较为良好，相较之下，面板坝的抗震性能更好，面板坝优抗震性能与面板止水功能设计和建造质量息息相关，同时坝体突出区域抗震性能相对较弱，坝体此区域需加强防护。

猜你喜欢 心墙坝体大坝 坝下深部煤层开采坝体移动变形规律的数值模拟煤矿安全(2022年4期)2022-04-22土石坝坝体失稳破坏降水阈值的确定方法建材发展导向(2021年19期)2021-12-06花扬子江诗刊(2021年3期)2021-11-11300 m级超高直心墙和斜心墙土石坝应力变形分析丽水学院学报(2021年5期)2021-10-31大坝：力与美的展现百科知识(2018年6期)2018-04-03劈裂灌浆在水库土坝中的防渗加固技术农民致富之友(2018年24期)2018-02-04大坝利还是弊？少儿科学周刊·少年版(2016年4期)2017-02-15暖心墙：让城市更有温度小学生时代·综合版(2016年4期)2016-11-19Therapeutic effect of okra extract on gestational diabetes mellitus rats induced by streptozotocinAsian Pacific Journal of Tropical Medicine(2015年12期)2015-10-31大坝三维动力反应分析建筑工程技术与设计(2015年27期)2015-10-21