深覆盖层沥青混凝土心墙坝及防渗墙动力特性分析

张波，等：深覆盖层沥青混凝土心墙坝动力特性分析　深覆盖层沥青混凝土心墙坝及防渗墙动力特性分析　张波，王赘　（陕西理工学院土建系，陕西汉中７２３００３）　摘要：本文采用了有效的地震输入方式和等效粘弹性奉构模型，对深覆盖层（１４７．９５　ｍ）沥青混凝土心墙土石坝进行了有　限元动态特性分析，研究了强震区深覆盖层问题中坝体及防渗墙的应力和变形。分析结果表明：坝体在地震作用下不会出　现严重地震破坏，但不能排除坝体发生局部裂缝的可能性；防渗墙存在应力集中区，应对这些区域进行局部加固：　关键词：深覆盖层；动力特性分析；防渗墙　Ｔｉｔｌｅ：Ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｓｐｈａｌｔ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｃｏｒｅ　ｄａｍ　ａｎｄ　ｃｕｔｏｆｆ　ｗａｌｌ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　ｏｎ　ｄｅｅｐ　ｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎ／／ｂ￣　Ｚｈａｎｇ　Ｂｏ　ａｎｄ　Ｗａｎｇ　Ｙｕｎ／／Ｓｈａｎｘｉ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｒｏｐｅｒ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ　ｍｅａｎｓ　ａｎｄ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｖｉｓｃｏｅｌａｓｔｉｃｉｔｖ　ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅ　ｍｏｄｅｌ　ｗｅｒｅ　ａｄｏｐｔｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ＦＥＡ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ａｓｐｈａｌｔ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｃｏｒｅ　ｒｏｃｋｆｉｌｌ　ｄａｍｓ　ｏｎ　ｄｅｅｐ　ｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎ（１　４７．９５　ｍ）ｗｅｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｉｎ　ｖｅｒｙ　ｄｅｔａｉｌ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ，ｔｈｅ　ａｕｔｈｏｒ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄａｍ　ｂｏｄｙ　ａｎｄ　ｃｕｔｏｆｆ　ｗａｌｌ　ｗｉｔｈ　ｄｅｅｐ　ｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｎｓｉｖｅ　ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　ｚｏｎｅｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ：ｓｅｖｅｒｅ　ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　ｄｅｍｏｌｉｓｈｍｅｎｔ　ｗｏｎ　ｔ　ａｐｐｅａｒ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄａｍ　ｂｏｄｙ　ｕｎｄｅｒ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｌｏａｄｉｎｇ，ｂｕｔ　ｉｔ　ｃａｎｎｏｔ　ｂｅ　ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ　ｔｈａｔ　ｐａｒｔｉａｌ　ｃｒａｃｋｓ　ＷＯｌｌ　ｔ　ａｐｐｅａｒ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄａｍ　ｂｏｄｙ；ｓｔｒｅｓｓ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｒｅｇｉｏｎｓ　ｅｘｉｓｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｕｔｏｆｆ　ｗａｌｌ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｇｉｏｎｓ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｌｏｃａｌｌｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｅｅｐ　ｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎ；ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｃｕｔｏｆｆ　ｗａｌｌ　中图分类号：ＴＶ６４１．２　文献标识码：Ｂ　文章编号：ｌ６７ｌ一１０９２（２００６）０５—０００５—０４　１前　言　土石坝是一种古老的水工建筑物，具有选材容　易、造价低、结构简单、抗震性能好等特点，因而被　广泛采用。然而迄今为止，大多数大坝的坝基为基　岩，大坝的安全和防渗主要考虑坝体自身，少数大　坝坝基覆盖层表面到基岩的厚度相对坝体而言也　本构关系采用邓肯一张８参数非线性弹性模型。　在动力分析中，土石体的动力本构关系采用广　泛应用的等效粘弹性模型来描述，等效粘弹性模型　把实际滞回圈用倾角和面积相等的椭圆代替，并由　此确定粘弹性体的两个参数：剪切模量Ｇ和阻尼比　，它们都是剪应变的函数，用这两个参数来近似考　虑土的非线性和耗能特性。用Ｈａｒｄｉｎ公式表示动剪　切模量Ｇ和阻尼比　为：　Ｇ＝［１／（１　／ｙ　）］Ｇ—Ｘ＝Ｘｍｄ（ｙ／ｙ　）／（１＋ｙ／ｙ　）］　不是很大，一般小于坝体高度的１／３，而位于新疆喀　什地区的下坂地水利枢纽工程大坝坝基出覆盖层　最大达１４７．９５　ｍ，主要为冰碛层（含漂石、卵石等），　并夹有砂层透镜体及淤泥质粘土层。而下坂地堆石　坝深覆盖层坝基深度已约为坝体总高度的两倍，在　国内外大坝的设计中尚属首例，而对深覆盖层坝基　的防渗处理成为该坝设计的关键，故此，本文根据　式中：Ｇ一＝Ｋ　Ｐ　（ｏｒ　ｍ／ｐ　）　，ｏｒ　为平均固结应力；　动力计算参数Ｋ　、ｍ　、　一和ｎ　等四个参数通过三　轴固结排水剪实验给出，如表１所示。　３本构模型和计算参数　３．１建模及单元划分　沥青心墙防渗方案，对该坝进行了动态特性分析，　研究了坝体和防渗墙在地震作用下的应力和变形　的规律。　为模拟坝体和坝基的真实工况，在建模中，坝　基覆盖层范围选取至基岩面，上下游由坝址各向外　进行适当延伸，模型上下游端部为自由约束，底部　为全约束。并在防渗墙与坝基等凝聚力差别大的两　种材料之问设置了接触单元，来模拟两者的接触特　性。同时，求解过程中考虑了深覆盖层坝基的初始　２本构模型和计算参数　土体在静力状态下的初始静应力对地震作用下　土石坝的动力反应有较大影响，在静力计算中，土的　ｗｗｗ．ｄａｍ．ｃｏｍ．ｃｎ　２００６．５大坝与安全　５　维普资讯 http://www.cqvip.com

Ｂｙ　ＺＨＡＮＧ　Ｂｏ：Ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ａｓｐｈａｌｔ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｃｏｒｅ　ｄａｍ　ａｎｄ　ｃｕｔｏｆｆ　ｗａｌｌ　ｏｎ　ｄｅｅｐ　ｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎ　舔鞴　蹦　精　ｊ　ｉ　｜’。　０妒　＊０　哦　　、。　应力，较好地模拟了大坝施工过程的真实情况。　表１各种材料的动力特性计算参数　Ｔａｂｌｅ　７：Ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｏｆ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　样，但ｌ１．５８　Ｓ和ｌ３．７２　Ｓ是水平加速度反应最大的　两个时刻，ｌ１．５８　Ｓ是波峰最大值，ｌ３．７２　Ｓ是波谷最　ｍａｔｅｒｉａＩｓ　材料　Ｋ　ｍ　，　入一　ｎ　，　沥青混凝土　ｌ　ｏ３２　Ｏ．２３　Ｏ．１５　Ｏ．６５　坝壳过渡料　２　７０ｏ　Ｏ－３　Ｏ．１６　Ｏ．７５　坝壳堆石料　４　３８０　Ｏ－３　０．２３８　Ｏ．４４５　坝基冰碛层　４　５８０　Ｏ３　０．２３８　０．４４５　坝基粉细砂　ｌ　ｌ５Ｏ　Ｏ－３　Ｏ．１８Ｏ　Ｏ．６３　截渗墙混凝土　Ｅ＝５，０００，０００ｋＰａ，　＝Ｏ．２６　ｃ／＝２００ｋＰａ，￣／＝４３。　防渗帷幕　Ｅ＝１０，０００，０００ｋＰａ，Ｉｘ－－０．２６　ｃ／＝５００ｋＰａ，￣／＝４５。　基岩　Ｅ＝１０，０００，０００ｋＰａ．Ｉｘ－－０．２６　ｃ／＝２００ｋＰａ，ｑＪ＝４３。　材料分布采用下坂地水利枢纽工程的实际地　层，如图ｌ所示。有限元网格划分如图２所示。　图１材料分布图　Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｎｇｆｉｇｕｒｅｏｆｍａｔｅｒｉａｌ　Ｘ　图２单兀划分图　Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｄｉｓｃｒｅｔｉｚａｔｉｏｎｏｆｄａｍ　３．２分析方式的确定　动力反应分析时，输入地震加速度时程曲线采　用甲方提供的５Ｏ年内超越概率为５％的人工合成　加速度曲线。抗震计算同时计入垂直坝轴线的水平　向和垂直向的地震作用，基岩地震波的水平向和垂　直向的时程曲线如图３所示。根据该坝基覆盖层特　点，采用无质量地基，地震加速度直接加到基岩上。　４计算结果分析　４．１坝体分析　在地震作用下，各个时刻的数值结果都不一　６　Ｄａｍ　ａｎｄ　Ｓａｆｅｔｙ　２００６．５　大值，这两个时刻是地震过程中较大的两个动应力　场，是坝体各点强度分析的基础，因此选择这两个　时刻进行分析具有一定的说服力。　（ａ）水平向地震输入　（ｂ）垂直向地震输入　图３基岩水平与垂直向地震加速度时程曲线　Ｆｉｇ．３　Ｈｉｓｔｏｒｉｃａｌ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ａｎｄ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　ａｃｃｅｌ－　ｅｒａｔｉｏｎ　表２和表３列出坝体各种材料在ｌ　１．５８　Ｓ时刻　和ｌ３．７２　Ｓ时刻竣工期和蓄水期坝体各材料的最大　动主应力值，其中包括各种材料的最大大主应力和　最大小主应力。数值结果表明，廊道附近区域的坝　体动主应力反应较大，并呈层状向坝顶、坝基、上游　和下游逐渐减小，此区域最大动主压应力为ｌ５．８　ＭＰａ，最大动主拉应力为２．５７　ＭＰａ。再者由于受到深　覆盖层地基变形的影响，两个坝角处应力也较大，　并出现拉应力，最大拉应力为０．２５　ＭＰａ。蓄水期各　种材料均出现拉应力，最大拉应力发生在廊道附　近，发生在ｌ１．５８　Ｓ时刻，为２．６６　ＭＰａ，比竣工期增加　了０．９　ＭＰａ。最大压应力也发生在廊道附近，为１５．６　ＭＰａ，比竣工期减少了０．２　ＭＰａ。地震过程中其它时　刻坝体的动应力场的规律和这两个时刻的规律也　基本相似，只是数值和部位上的变化，但数值都不　是很大，对坝体构不成威胁。　表２坝体材料最大大主应力值（ＭＰａ）　Ｔａｂｌｅ　２：Ｍａｘ．ｍａｊｏｒｐｒｉｎｃｉｐａｌｓｔｒｅｓｓｏｆｔｈｅｄａｍｂｏｄｙｍａｔｅｒｉａｌｓ　１１．５８　ｓ时刻　１３．７２　ｓ时刻　坝体材料　竣工期　蓄水期　竣工期　蓄水期　沥青心墙　Ｏ．７６　０．７９　Ｏ．８７　Ｏ．８９　左坝壳过渡料　２．４Ｉ　２－３２　２．３Ｉ　Ｉ．４８　右坝壳过渡料　２．Ｏ２　２．００　１．５７　２．４５　左坝壳堆石料　２．３７　２．３７　１．９０　１．８Ｏ　右坝壳堆石料　２．１８　２．１８　１．８９　２．Ｏ２　廊道　ｌ５．８　ｌ５．６　ｌ２．０４　ｌ１．４　＼＾　＾，ｖ　ｄａｍ．ｃｏｍ．ＣＮ　维普资讯 http://www.cqvip.com

张波，等：深覆盖层沥青混凝土心墙坝动力特性分析　＃出暑　Ｉｌ　、　、　嘲　．　　１一　．　一　０，　÷　，　醇§．　喑　表３坝体材料最大小主应力值（ＭＰａ）　Ｔａｂｌｅ３　Ｍａｘ　ｍｉｎｏｒｐｒｉｎｃｉｐａｌｓｔｒｅｓｓｏｆｔｈｅｄａｍｂｏｄｙｍａｔｅｒｉａｌｓ　１１．５８　Ｓ时刻　１３．７２　ｓ时刻　坝体材料　竣工期　蓄水期　竣工期　蓄水期　沥青心墙　０．４３　－０．Ｏ７　０．０９　－０　Ｏ３　左坝壳过渡料　－０．０８０　—１－２１　－０．Ｏ８１　—０．Ｏ７　右坝壳过渡料　－０．０７８　一Ｏ．１５　一Ｏ．１５　－１．１８　左坝壳堆石料　一０．７Ｏ　－０．６２　—１－８１　一Ｏ．１１　右坝壳堆石料　－０．４５　－０．４６　－０．５６　——０．５４　廊道　－２．５７　－２．６６　—１．２６　—１－３５　４．２防渗墙分析　图４（ａ）一图６（ａ）给出了竣工期在ｌ１．５８　ｓ时刻、　１３．７２　ｓ时刻及９．９４　ｓ时刻墙体竖向应力Ｓｙ沿墙高　的分布。计算得到竣工Ａ期最大压应力为２６．６１　ＭＰａ，最大拉应力为０．４　ＭＰａ，都发生在ｌ１．５８　ｓ。这些　最大拉应力和压应力都发生在墙与帷幕灌浆相连　接之处的应力集中区，其它部位应力不是很大。计　算结果还显示，由于坝基内含有砂层，防渗墙和砂　层弹模和凝聚力相差较大，因此设置了接触单元来　模拟真实情况，地震时发现在防渗墙上和砂层结合　部分发生了裂缝，但墙体并没有断裂，因此对安全　构不成危险。蓄水期的墙内应力都显然大于竣工期，　计算得蓄水期最大压应力为２６．５６　ＭＰａ，最大拉应　力为０．６１　ＭＰａ，都发生在ｌ１．５８　ｓ。　图４（ｂ）一图６（ｂ）给出了竣工期在ｌ１．５８　ｓ时刻、　１３．７２　ｓ时刻及９．９４　ｓ时刻墙体水平位移Ｕｘ沿墙高　的分布。由于防渗墙嵌入在基础之中，因此水平位　移较小，最大位移发生在防渗墙上部或中上部位。　计算结果显示，９．９４　ｓ时刻最大水平位移０．１ｌ　ｍ，方　向向右，发生在墙体中上部，这个部位变位最大；　ｌ１．５８　ｓ时刻最大水平位移０．２３　ｍ，方向向右，发生在　墙体上部；１３．７２　ｓ时刻墙体最大水平位移０．４２　ｍ，方　向向左，发生在墙体上部。９．９４　ｓ、ｌ１．５８　ｓ与１３．７２　ｓ　时刻水平位移方向不同，是因为９．９４　ｓ和ｌ１．５８　ｓ是　两个波峰，而１３．７２　ｓ是个波谷，因此水平变位方向　相反。当水库蓄水后时，防渗墙承受有较大水平向　水压力，在ｌ１．５８　ｓ、９．９４　ｓ这样的波峰时刻，蓄水期　水平位移明显增大，方位没有变化。如９．９４　ｓ时刻最　大水平位移由０．１ｌ　ｍ增大为０．１８　ｍ，方向向右，发　生在墙体中上部；ｌ１．５８　ｓ时刻最大水平位移由０．２３　ｗｗｗ．ｄａｍ．ｃｏｒｎ．ＣＲ　ｍ增大为０．２８　ｍ，方向向右，发生在墙体上部。而在　１３．７２　ｓ这样的波谷时刻墙体最大水平位移由０．４２　ｍ　减小为０．３６　ｍ，方向向左，发生在墙体上部，这是因　为波谷时刻的水平地震荷载和水压力方向相反，所　以水平地震作用和水压力的水平分解有所抵消，因　此蓄水期的水平位移比竣工期减少。　ｕ■　１　２　１　２　ｕ■　０１　２　・０１　０　０　０８　・０　０６　＋０　０４　（Ｐａ）　Ｕｘ（ｍ）　（ａ）９．９４　８时刻竖向应力　（ｂ）９．９４　８时刻水平位移　图４　９．９４　ｓ时刻防渗墙竣工期竖向应力和水平位移　Ｆｉｇ．４　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｈａｆｔ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓｅｅｐ—　ａｇｅｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　ｗａｌｌｄｕｒｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｅｒｉｏｄｏｎｔｈｅ９９４ｓｅｃｏｎｄ　…　…ｂ……　●ｕ■　－０　２‘・０　２０・０１６　０１　２・０　０８　０　０４　ｓｖ（Ｐａ）　Ｕｘ（ｍ）　（ａ）１１．５８　８时刻竖向应力　（ｂ）１１．５８　８时刻水平位移　图５　１１．５８　ｓ时刻防渗墙竣工期竖向应力和水平位移　Ｆｉｇ．５Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆｓｈａｆｔ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｏｆｓｅｅｐ—　ａｇｅｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　ｗａｌｌｄｕｒｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｅｒｉｏｄｏｎｔｈｅ　７　７．５８ｓｅｃｏｎｄ　６０　８０　８０　１　００　１　００　一　一　，２０　Ｅ　１　２０　１　４０　１　４０　，６０　１　６０　１　８０　８　０Ｍ　１　２　０Ｈ　１　６　０Ｍ　２０　０Ｍ　２４　０Ｍ　Ｓｙ（Ｐａ）　（ａ）１３．７２　８时刻竖向应力　（ｂ）１３．７２　８时刻水平位移　图６　１３．７２　ｓ时刻防渗墙竣工期竖向应力和水平位移　Ｆｉｇ６Ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｈａｆｔ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄｈｏｎｚｏｎｔａｌｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｏｆｃｕｔｏｆｆ　ｗａｌｌｄｕｒｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｅｒｉｄｏｏｎｔｈｅ　１３　７２ｓｅｃｏｎｄ　２００６．５大坝与安全　７　维普资讯 http://www.cqvip.com

Ｂｙ　ＺＨＡＮＧ　Ｂｏ．Ｕｙｎａｍ｜ｃＣｈａｒａＣｆｅｒ　ｓ　ｏｆ　ａｓ　ｐｈａＪ　。ｎｃ　４－３坝基分析　ｃ。ｒｅｄａｍ　ａｎｄ　ｃｕｌ。仟ｗａｌＩｏｎ　ｄｅｅｐ　ｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎ　图７给出了重力与地震力组合下坝基竣工期　水平和竖向位移等直线图，过程中其它时刻坝基的动应力场的规律和这两个　时刻的规律也基本相似坝基构不成大的威胁。　。１　１，５８　ｓ坝基发生最大　，，而且数值都不是很大，对　￣ｆ，２．ｄ６，为９５．２　ｅｍ发生在下游侧坝基上部如图７　（　）所不。１３・７２　ｓ发生最大水平位移发生在上游侧　，坝基上部，为４１　ＣＩＴＩ，如图７（ｂ）所示。，蓄水后，地基沉　５结　论　（１）通过静力、动力计算分析得出坝体、防渗　墙、坝基等在关键时刻（１１．５８　ｓ及１３７２　ｓ）和地震过　，．降趋势与坝体的沉降接近分布趋势为上部较大而　下部较小，呈层状从上往下不断递减；而水平位移　由一侧坝基上部向另一侧坝基底部呈层状递减最　大水平位移发生在坝基上部，。　程中其它时刻的动位移场及动应力场的变化规律　它们的动位　移场及动应力场的变化规律如下：竖向位移呈层状　。图８给出了重力与地震力组合下坝基竣工期　大主应力等值线图。两种工况下大主应力最大值　，基本相似，只是数值和部位上的变化均发生在坝基底部，呈层状向上递减，在１３。７２　ｓ时　刻，最大压应力４．５０　ＭＰａ如图８（ｂ）所示；在１　１５８　ｓ　时刻，最大压应力为４．９１　ＭＰａ如图８（ａ）所示。地震　，．从Ｆ往上不断增加；坝体水平位移由～侧坝腰向另　～侧坝腰及坝底部呈层状递减，最大水平位移发牛　，，在腰中部，防渗墙水平位移较小最大位移发生在中　（３）最大拉应力和压应力均发生在墙与帷幕　灌浆相连接之处的应力集中区，收稿日期：２００６～０５—２３　其它部位应力不　作者简介：张波（１９７６一），男硕士研究生，助教　，Ｄａｍ　ａｎｄ　ｓａ　ｔｙ　２００６．５　ｗｗｗ．ｄａｍ．ｃｏｍ．ｃｎ