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北极星电力网技术频道 作者:佚名 2008/1/4 17:59:01
高拱坝地震应力控制标准和抗震工程措施研究
邹丽春1侯顺载2杨宜文1
(1.国家电力公司昆明勘测设计研究院，云南昆明650051；2.中国水利水电科学研究院，北京100038）
关键词：应力控制标准地震抗震工程措施高拱坝
摘要：高拱坝地震应力控制标准和抗震工程措施研究专题，在国内外首次成功地开展了全级配仿真混凝土的动态抗压、弯拉试验研究；提出了地震作用、作用效应分析方法、坝体抗震到评价准则一整套综合配套的地震应力控制标准；指出高拱坝设置底缝并非是一种有效的工程抗震措施；对高拱坝抗震的主要工程措施做了较深入系统的分析研究，特别是坝体上部布设钢筋和阻尼器等工程措施。
1研究的主要内容及目标
结合小湾高拱坝工程，采用大坝混凝土拟实际采用的原材料和配合比以及与高拱坝基本周期相应的加载速度，开展大坝全级配仿真混凝土的抗压、弯拉动态试验研究和不同初始静载影响的研究，以及相应湿筛混凝土的对比试验研究，为确定高拱坝抗震设计混凝土动态指标提供试验依据。
在收集和分析国内外已有拱坝遭受地震，特别是产生震害的实例，总结国内外已建高拱坝工程抗震设计实践经验和各国现行有关拱坝抗震设计的规范和导则的基础上，针对高拱坝工程地震反应特点，开发研制更接近工程实际的分析方法，提出综合配套的抗震应力控制标准，并据此对小湾高拱坝的抗震安全做出评价。
采用理论分析和振动台大比尺动力模型试验相结合的技术路线，在国内外首次对人工底缝的结构措施对高拱坝坝体强度和抗震性能的非线性影响进行研究，开发能合理模拟底缝非线性影响的高效适用分析程序，为实际工程服务。
为确保高拱坝工程的抗震安全，采取切实有效的工程抗震措施是高拱坝抗震设计的重要内容，在综合研究国内外拱坝抗震工程措施的基础上，采用理论分析和试验研究的途径，检验验证其有效性和可行性，提出适用于小湾工程的有效的抗震工程措施。
2研究取得的主要成果
2.1全级配混凝土材料动态特性试验研究
为研究全级配混凝土动态参数及不同初始荷载的影响，对全级配混凝土大试件和湿筛混凝土小试件的抗压和弯拉各安排4种工况共16组试验。此外，还安排了轴压动态和立方体小试件的轴压静态试验，在获得动态参数试验成果的同时还进行了对比研究。全级配混凝土采用四级配混凝土。试验研究取得以下结论：
(1)全级配混凝土的静动态抗压强度分别为相应湿筛混凝土的0.78和0.73倍，全级配混凝土的静动态抗压弹性模量与湿筛混凝土的接近。
(2)在与高拱坝长周期相应的加载速率下，全级配混凝土的动态抗压强度及动态抗压弹性模量较静态值提高16和18；湿筛混凝土提高为24和22，但都低于30的采用值。
(3)全级配混凝土的静动态弯拉强度为相应湿筛混凝土的0.60倍，较抗压强度的降低值要大。就静动态弯拉弹模而言，全级配混凝土和湿筛混凝土接近。
(4)在试验的加载速度下，全级配混凝土的动态弯拉强度和动态弯拉弹性模量较静态值分别提高26和15，湿筛混凝土则提高23和22。
(5)具有初始静载试验的极限弯拉强度并不小于动态弯拉强度，不同初始静载对极限弯拉强度未见有不利的影响。
(6)全级配混凝土的抗压和弯拉时的泊松比都较湿筛混凝土大，动态时的泊松比较抗压时的增大约10，弯拉时略有减小。
(7)用湿筛混凝土静态抗压强度和弯拉强度来估算全级配混凝土的动态抗压强度和动态弯拉强度。圆柱体试件形态时，全级配混凝土动态抗压强度是湿筛混凝土静态抗压强度的0.91倍；立方体形态时，全级配仿真混凝土动态抗压强度是湿筛混凝土静态抗压强度的1.08倍。全级配仿真混凝土动态弯拉强度是湿筛混凝土静态弯拉强度的0.76倍。
2.2250m以上拱坝地震应力和控制标准研究
根据高拱坝地震应力分析特点，对小湾拱坝进行系统的地震分析后得到以下结论：
(1)考虑了地基辐射阻尼和不均匀地震动的影响后，坝体地震反应显著的中上部拱冠的最大位移和拱、梁应力都分别减小5～20和10～40。
(2)对坝体强度的安全性评价应根据其最大主应力值。因此，评价拱坝强度的抗震安全性，需给出其在地震工况下静动态应力综合后的主应力分布。通过对小湾拱坝分析后认为，在地震工况中，主应力总体上仍由正常蓄水位控制。
(3)拱坝模型模拟的横缝数超过3～5条时，对坝体的应力状态影响已不大。横缝张开的影响主要在低水位时比较显著，但应力仍小于正常蓄水位遇设计地震时的最大值。可以采用正常蓄水位时不计横缝的整体结构分析结果作强度校核依据。
根据以上研究结论认为，地震应力控制标准的采用应使地震作用效应、坝体强度抗力和应力控制标准相配套；在计算高拱坝地震作用效应时，应计入坝体、库水和地基的动力间的相互作用，坝基地震动的不均匀性，地震能量向远域地基逸散的辐射阻尼，以及坝体伸缩横缝在地震时的开合等因素；在坝体强度抗震安全性评价中，除了校核坝体上下游面受拉、压的最大和最小主应力值外，还应校核坝基面上的最大剪应力强度。此外，还应校核坝踵由于应力集中引起的坝基面局部开裂的深度；应力控制标准采用我国现行《水工建筑物抗震设计规范》中按承载能力分项系数极限状态进行抗震设计。
2.3底缝对高拱坝地震反应影响的研究
本专题在国内外首次结合实际拱坝工程成功地进行了底缝对高拱坝地震反应的非线性影响的分析和试验研究，并开发完成了高效实用的分析程序。底缝拱坝动力模型试验以小湾水电站拱坝为原型，计入了坝体自重和静水压力，地基取为刚性。试验是在3向6自由度大型地震模拟振动台上进行的。模型材料选择的是加重硫化橡胶，选取1∶292的模型比尺。
2.3.1两种水位实测坝体横缝相对位移张开度试验结果
(1)水位变化对伸缩缝的张开度有相当大的影响，运行低水位时，无论有无底缝，坝顶拱冠横缝最大张开达0.07mm以上，而正常蓄水位时相同部位横缝的张开度要小得多。
(2)设置底缝以后，坝顶加速度似有拱坝右侧部分降低，拱冠及拱坝左侧部分增加的趋势，总的看变化不是太大。
(3)设置底缝以后，对测试的坝体应力反应的影响无论是正常蓄水位还是水库运行水位都不很大。
分析无底缝情况和设底缝情况的小湾模型拱坝在两种水位情况下坝顶横缝最大张开度的试验与计算结果得出，低水位时横缝最大张开度试验与计算吻合较好，正常蓄水位时的横缝最大张开度以及两种水位时的动应力，总的来看也是比较接近的，认为试验和计算获得了可以接受的相互印证。
2.3.2小湾拱坝底缝动力影响分析计算结果
(1)小湾拱坝不管模拟底缝与否，坝体顶拱拱冠两个方向的位移值十分接近，表明底缝对拱坝静动位移的影响是很小的。
(2)在静荷载作用下，低水位时底缝部位处于受压状态，坝踵底缝闭合；正常蓄水位时该处处于受拉状态，底缝张开，最大值在拱冠梁处为2.38mm。设置底缝以后，无论是正常蓄水位还是运行低水位，横缝的最大张开度和最大开裂深度都变化很小，且出现的部位都不变。设置底缝以后，顶拱横缝张开度整个时程变化也不大。
(3)模型设置底缝以后下游坝面主应力的分布形态基本相同，上游坝面除底缝附近外，主应力的分布形态也基本不变。除上游面底缝附近外，有无底缝的静动态拱梁应力几乎不变，表明底缝的影响主要局限于底缝附近，而对其余部位的应力大小的影响不大。
2.3.3可供实际工程参考应用的主要成果
(1)整体模拟了坝体、库水的动力相互作用和对底缝非线性动力影响比较敏感的初始静荷载；成功地实测了坝体模型的加速度、动应力及接缝相对位移等各类坝体动力反应。
(2)研究开发了有缝拱坝系统非线性地震反应波动分析方法和程序，得到了大型振动台动力模型试验的验证，能反映底缝拱坝的实际地震响应，为实际拱坝工程的抗震设计提供了有使用价值的分析软件，可在实际工程中推广应用。该程序能完整地反映坝体和地基的动力相互作用，可计入坝基各点输入地震动的非均匀性和岸坡的动力放大效应，能较好地模拟地震波动能量向地基无限远域逸散的地基辐射阻尼的影响。
(3)对小湾拱坝设置底缝的试验研究和数值计算表明：当人工底缝设置在上游坝踵静态拉应力区时，可较明显地降低该部位的拉应力，作为一项工程结构措施，如需设置底缝，应设在坝踵静态拉应力区内；底缝对坝体其他部位的动应力以及横缝的张开度的影响不大，反映了底缝影响的局限性，高拱坝设置底缝，并非是能显著改善坝体性能的一种有效的工程抗震措施。
2.4高拱坝抗震结构工程措施研究
2.4.1高拱坝工程抗震措施的探讨
(1)通过采用抗震优化的坝体体形来作为满足拱坝抗震要求的结构措施是困难的。拱坝体形应当主要按正常工况下进行优化，使之尽可能处于受压状态，对抗震是有利的。对初选的坝体体形，经设计人员考虑抗震要求，根据工程经验适当调整后，再进行专门的抗震校核，并据以采用有必要的有效抗震结构工程措施。
(2)已有的计算分析表明：即使在静力荷载作用下，周边缝的设置使邻近坝基部位的坝体拉应力被释放，而压应力并无很大增加，对坝体总体应力并无明显影响。在近坝踵处设置底缝，可较明显降低坝踵处的拉应力，但对坝体其他部位的动应力及横缝张开度的影响不大，反映了周边缝和底缝影响的局部性，拱坝周边缝或底缝的设置并不能作为有效的抗震结构工程措施。
(3)在
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