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九甸峡水利枢纽面板堆石坝地震反应特性研究 甘肃桃河九滩峡节水工程是一项集水区、城乡生活节水、工业节水、生态环境用水于一体的大型节水工程。同时，农业灌溉、发电、防洪等综合利用功能。正常蓄水位为2822.00m，正常洪水位为205.11m，总蓄水位为9.43亿3m。它是完全国家调整的。该项目的规模属于所有iii级项目。拦河坝为混凝土面板堆石坝,最大高度136.5 m,为1级建筑物,地震设防烈度为8度。面板堆石坝按100年一遇洪水设计,洪峰流量为2 560 m3/s;按5 000年一遇洪水校核,洪峰流量为4 650 m3/s。 坝址地形地质条件复杂,峡谷内断裂较为发育。坝址河道顺直,谷底宽40～50m,右岸相对较缓,发育Ⅲ级侵蚀堆积阶地,基座面高度25～30 m、宽度70～90 m,上覆盖厚10～60 m的松散堆积物,其后为50°崖坡至引洮平台;左岸陡峻,近河床为80°的基岩陡壁,高度40～80 m,局部凹进形成负坡。根据河心钻孔揭示,左岸发育有宽15～20 m的河床深槽,最大深度54～56 m,沿坝址区河谷平面曲折展布。 根据设计方案,河床趾板处清除覆盖层18 m左右,然后在覆盖层上浇筑平趾板,趾板以下覆盖层防渗采用混凝土防渗墙。经研究比较,在河床趾板上游设一连接板,并与混凝土防渗墙柔性对接,以保证从防渗墙到连接板、软基平趾板的变形协调。在三维静力分析的基础上,本文对该坝的动力特性进行了深入计算研究,给出了设计地震曲线及峰值加速度时的动力反应特性,包括坝体和面板的加速度反应、位移反应、应力反应,以及周边缝和面板接缝的位移反应等,揭示了峡谷地形和深厚覆盖层地质条件下面板堆石坝地震反应的一般规律,分析了该坝的抗震稳定性,论证了设计方案的合理性,提出了抗震设计建议。 1 动态分析和模型 1.1 动三轴动剪切模量模型 采用等效非线性粘弹性模型,即假定坝体堆石料和地基覆盖层土为粘弹性体,用等效剪切模量G和等效阻尼比λ这2个参数来反映土的动应力应变关系的2个基本特征:非线性和滞后性,并表示为剪切模量和阻尼比与动剪应变的关系。其关键是要确定最大动剪切模量Gmax与平均有效应力的关系,以及动剪切模量与动阻尼比的关系。根据动三轴试验成果,最大动剪切模量Gmax可以表示为: Gmax=Κpa(σ′0Ρa)n(1)Gmax=Kpa(σ′0Pa)n(1) 式中:σ′0为平均有效应力;Pa为大气压力;K为模量系数;n为模量指数;Gmax、σ′0和Pa采用同一量纲。 动剪切模量比和动阻尼比与动剪应变γ的关系曲线由试验测得。动力计算时,直接输入相应的关系曲线,根据应变值进行内插和外延取值,用于计算。 1.2 接触面单元的设置 面板和堆石是2种不同性质的材料,且两者的弹性模量相差悬殊,在荷载的作用下可能沿接触面产生滑移或开裂,出现变形不连续现象,因此,有必要在面板和堆石体之间的接触面上设置无厚度的接触面单元。接触面单元的动力模型采用河海大学的试验成果。剪切劲度K与动剪应变γ的关系为: Κ=Κmax1+ΜΚmaxτfγ(2)K=Kmax1+MKmaxτfγ(2) 剪切劲度K与阻尼比λ的关系为: λ=(1+ΚΚmax)λmax(3)Κmax=Cσ0.7n?τf=σntanδλ=(1+KKmax)λmax(3)Kmax=Cσ0.7n?τf=σntanδ 式中:σn为接触面单元的法向应力;δ为接触面的内摩擦角;λmax为最大阻尼比;M,C为试验参数。 1.3 ．4坝面为倾斜面板时 地震期间,库水作用动水压力采用附加质量法进行计算,即把动水压力对坝体地震反应的影响用一等效的附加质量考虑,与坝体质量相叠加来进行动力分析。采用有限单元法计算,当上游坝面为倾斜的面板时,按Westergard近似计算公式,库水动水压力的附加质量为: Μwi=(ψ90)(78)ρ√Η0iziAi(4)Mwi=(ψ90)(78)ρH0izi?????√Ai(4) 式中:ρ为水的密度,kg/m3;H0i为结点i所在断面的坝前库水水深,m;zi为计算结点i到水面的水深,m;Ai为结点i的有效面积,m2;ψ为面板与水平面的夹角,(°)。 1.4 滑动面安全系数 采用各单元的应力评价其稳定性,即求出滑动面的方向和分布。根据摩尔-库伦破坏准则,把局部安全系数小于1的区域组合在一起,判断出最危险的复合滑动面,在该面上用总抗滑力和总滑动力的比值来定义安全系数,求出在地震全部持续时间内的安全系数和时间经历的关系,这样在考虑不稳定持续时间的同时,也就评价了根据应力所表明的滑动稳定性。 面板与垫层之间的抗剪强度小于堆石体的抗剪强度,其沿接触面滑动的安全系数为: Fs=∑(σitan?ili)+∑(cili)∑(τili)(5)Fs=∑(σitan?ili)+∑(cili)∑(τili)(5) 地震时,堆石材料的动力强