岩基断层对混凝土重力坝地震响应的影响分析.pdf

第 3 7 卷第 7 期 2 0 1 1 年7 月 水 力 发 电 岩 基 断 层 对 混 凝 土 重 力 坝 地 震 响 应 的 影 响 分 析 燕柳 斌 ，陈 志 ， 苏 国韶 ( 广西大 学土木建 筑工程 学院，广西南宁 5 3 0 0 0 4 ) 摘要：为探讨岩 基中断层对混凝土重力坝 响应 的影响规律 ，根据正交实验设计原理 ，采用基 于有 限单 元法的振型 分解反应谱法 ，分 析单 组断层的倾角 、厚度 、弹性模 量 、泊松 比、与坝体相对位置等 多种 因素对混 凝土重力坝地震 响应 的影 响规律 。研究 表明 ，影响 因素的强弱顺序依 次断层 的倾 角 、与坝体相对位 置 、弹性模量 、厚 度及泊松 比。 在含 断层岩基 的重力坝抗震设计 中，应着重考虑断层的倾 角 、与坝体 相对位置对重力坝 的影响 。 关键词 ：重力坝 ；地震响应 ；振型分解反应谱法 ；断层 I n fl u e n c e An a l y s i s o f Fa u l t s i n Ro c k Fo u n d a t i o n o n t h e S e i s mi c Re s p o n s e o f Co n c r e t e Gr a v i t y Da m Ya h L i u b i n ， C h e n Z h i ， S u Gu o s h a o ( S c h o o l o f C i v i l a n d A r c h i t e c t u r e E n g i n e e r i n g ， G u a n g x i U n i v e r s i t y ， N a n n i n g 5 3 0 0 0 4 ， G u a n g x i ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n o r d e r t o e x p l o r e t h e i n fl u e n c e s o f the f a u l t s i n r o c k f o u n d a t i o n o n t h e s e i s mi c r e s p o n s e of C o n c r e t e g r a v i t y d a m， t h e i n f l u e n c e s c a u s e d b y t h e f a c t o r s o f f a u l t d i p ，t h i c k n e s s ， e l a s t i c mo d u l u s ，P o i s s o n s r a t i o a n d r e l a t i v e p o s i t i o n t o d a m a r e s t u d i e d r e s p e c t i v e l y b y u s i n g F EM b a s e d mo d a l r e s p o n s e s p e c t r u m me t h o d a c c o r d i n g t o o r t h o g o n a l e x p e r i me n t a l d e s i g n t h e o r y T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e f a c t o r s h a v i n g i n fl u e n c e t o s e i s mi c r e s p o n s e b y s t r o n g t o we a k o rd e r i s d i p ， r e l a t i v e p o s i t i o n t o d a m，e l a s t i c mo d u l u s ，t h i c k n e s s a n d P o i s s o ns r a t i o T h e f a u l t d i p a n d r e l a t i v e p o s i t i o n t o d a m s h o u l d b e e mp h a t i c a l l y c o n s i d e r e d i n t h e a s e i s mi c d e s i g n o f g r a v i t y d a m wh i c h f o u n d s o n t h e r o c k b a s e w i t h f a u l t s Ke y W o r d s ： g r a v i t y d a m； s e i s mi c r e s p o n s e ； mo d a l r e s p o n s e s p e c t r u m me t h o d ； f a u l t 中圈分类号 ： T V 3 1 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 0 5 5 9 9 3 4 2 ( 2 0 1 1 ) 0 7 0 0 2 3 0 4 西 部 地 区 是 我 国 主 要 地 震 区 ，地 震 的 强 度 和 发 震 频 度都 很 高 ，地 震往 往 成 为高 坝 设计 中 的控 制 工 况 。特 别“ 5 1 2 ”汶 川 强 烈 地 震 后 ，高坝 抗 震 安 全 问题更 是 引起 了 国内外 学者 们 的高度 关 注。 近 年 来 。 不 少 学 者 针 对 含 断 层 岩 基 对 混 凝 土 重 力 坝 地 震 响 应 的 影 响 进 行 了 一 定 的 探 讨 和 分 析 2 - 5 ， 但 主 要集 中 于研 究 断层 的某 种 因素 对 坝体 地 震 响 应 的影 响 ，未 考 虑 不 同 因 素 的组 合效 应 。本 文 综 合 考 虑 断 层 的 倾 角 、 离 坝 踵 距 离 、厚 度 、 弹 性 模 量 及 泊 松 比等多 种 影 响 因 素 ，基 于 正 交 实 验设 计 原 理 。采 用 基 于有 限元 法 的振 型 分 解 反 应谱 法 ，探 讨 含 断层 岩 基条 件 下 重 力 坝 地震 响应 的 影 响规 律 ，为 混凝 土 重力 坝抗 震 设计 提供 科学 依 据 。 1 有限元计算模型 本文 采 用 AN S YS动力 有 限元 平 面模 型建 模 进行 重 力 坝 地 震 响 应 分 析 。 假 设 某 重力 坝 坝 高 1 0 0 m， 坝 顶 宽 2 0 m，坝底 宽 1 O 0 13 3 ，基 岩 、坝体 计 算 单元 均采 用 平 面 四节 点单 元模 拟 ，断 层模 型单 元 尺 寸控 制 在 2 I l l 以 内 ， 坝 基 计 算 范 围 取 3倍 坝 高 底 面 及 上 、下 游 边 界 均 为 三 向 约 束 ，有 限元 计 算 网 格 见 图 1 。 坝 体 混 凝 土 弹 性 模 量 3 O x1 0 MP a，泊 松 比 0 2，密度 2 3 5 0 k g m。 。计算 坐 标 系为 ：坝 踵处 为整 体 直 角 坐 标 系 原 点 轴 从 上 游 指 向 下 游 1 ， 轴 为 竖 直 方 向 ， 以 向 上 为 正 。 地震 动力 分析 采用 振 型分解 反应 谱法 同 。设计 反 应 谱 最 大 值 的 代 表 值 一= 2 ，场 地 的特 征 周 期 = 收稿 日期 ：2 0 1 0 1 0 2 8 基金项 目：广西 自然科学基金项 目( 0 8 3 2 0 2 3 1 作者简介 ：燕柳斌 ( 1 9 5 5 一 ) ，男 ，河北黎川人，教授 博士生导 师， 主要从事结构与地基基础相互作用分析方法及应用研 究工作 W a t e r P o w e r V o 1 3 7 N o 7 豳 0 2 S ，大 坝 混 凝 土 的阻 尼 比取 5 ，水 平 地 震 峰 值 加 速 度 取 0 2 g 。 采 用 振 型 分 解 反 应 谱 法 分 析 时 。 阵 型分 析 采 用 子空 间法 所 分 析 的模 态 阶 数 为前 9阶 频 率 ，根 据计 算 出的各 振 型 的地 震 作 用效 应 采 用 规 范规 定 的平 方 和 方根 法( S RS S)组 合作 为 地震 作 用 效 应 。 坝 体 荷 载 主 要 考 虑 坝 体 自重 、库 水 压 力 及 地震 等荷 载 。其 中 ，库 水水 位按 齐 坝 顶计 算 ，动 水 压 力 按 韦 斯 特 伽 特 附 加 质 量 矩 阵 计 算 【 7 _ 。为 了消 除 坝基 对 地震 的放 大效 应 ，采用 无 质 量 地基 进 行 计算 分 析 图 1 有 限元计算网格 2 正交实验设计方案 正 交 试 验 设 计 是 研 究 多 因 素 多 水 平 的 一 种 设 计 方 法【 8 l。根 据正 交性 ，从 大量 的试 验 因素 中挑 选具 有 正 交 性 质 的 因 素 和水 平 指 标 ，通 过 均 衡 搭 配 组 合 ， 采 用 具有 代 表性 组 合 方 案进 行 试 验 用 较 少 的试 验 来 反 映全 面 情况 ，具 有 效率 高 、速 度快 、经 济优 等 特 点 。 对 坝 体 地震 响应 的 断层 影 响 因 素有 倾 角( 因素 A)、与 坝 体 相 对 位 置( 因 素 B)、厚 度( 因素 C) 、 弹 性 模 量( 因 素 D) 及 泊 松 比( 因 素 E)等 。其 中 ，倾 角 取 值 范 围为 0 。 1 8 0 。 弹 性 模 量 取 值 范 围 为 1 0 2 5 GP a，泊 松 比 取 值 范 围 为 0 2 0 3 5， 同 时 考 虑 断 层 距 坝 踵 前 后 距 离 为 1 0 0 2 0 0 m 断 层 厚 度 为 5 3 0 m， 在 此 基 础 上 设 计 正 交 实 验 冈 素 水 平 表 ，见表 1 。正 交设 计 结 果 为 7 2种 组合 ，分 别 进 行有 限元计 算 ，计 算结 果 以坝 顶位 移 和 坝踵 应 力 为 评 价指 标 以反 应 各 因素 对 坝 体地 震 响应 的影 响 程 度 。受篇 幅 限制 ，其 中的 l 0种组 合及 有 限元计 算 结 果 见 表 2 表 1 正交实验 因素水平 注 ：断层离坝踵距 离以坝踵处为原点 ，处于坝体 上游为负值 。 3 正交试验结果分析 3 1 坝 顶位移 分 析 根 据 上述 正 交设 计 结 果 ，采 用 极 差 法进 行 影 响 因素 的主次 分析l 8 l 。极差 为各 因子不 同水平对 应 的实 验 结 果均 值 的 最 大值 与 最 小值 的差 ，其 大 小反 映 了 某 一 因素 不 同水 平 实 验 指标 的变化 幅度 ，变化 幅度 越 大 ，说 明 该 因 素 对 实 验 指 标 的 影 响 越 大 。 正 交 试 验 坝顶水 平 位移计 算 结果 与极差 见表 3 。 表 3中 的数 据 为各 水 平 下 n次 实 验 结 果 的和 。 例 如 ，倾 角 因素 一个 划分 了 1 2个水 平 ，每个 水 平进 表 2 正 交实验组合方案及实验结果 ， 风 ， = 云F： 薹 l ， z ， 比 上里J0 4 1 辰U I u j 口 牙 U l u J J 行 了 6次试验 一共 进行 了 7 2次试 验 试 验 结 果 的 最 小 值 为 4 6 2 2 ，最 大 值 为 5 0 5 0 ，极 差 为( 5 0 5 0 4 6 2 2)1 6 = 0 0 7 1 ； 同理 ，离 坝 踵 距 离 因 素 划 分 了 6 个 水平 ，每个 水 平进 行 了 1 2次试 验 ，试验 结 果 的最 大值 为 1 0 0 6 7，最 小 值 为 9 2 6 4，极 差 为( 1 0 0 6 7 9 2 6 4)1 1 2 = O 0 6 7 。其他 影 响 因素 的 极差 计 算 结果 见 表 3 。根 据 极 差 的计 算 结 果 ，影 响 坝 顶 水 平 位 移 的 五个 因 素 的 强 弱 次 序 依 次 为 ：倾 角 、离 坝 踵 距 离 、 弹 性 模 量 、厚 度 及 泊 松 比 。 表 3 正 交试验坝顶水 平位移 分析 c m 断层 倾角 与 坝 顶水 平 位 移变 化 关 系 曲线 见 图 2 。 由 图 2可 知 当 断 层 倾 角 在 0 。 1 6 5 。 变 化 时 ，坝 顶 水 平 位 移值 随倾 角 的 变 化 波动 较 大 ，当 断层 倾 角 为 6 0 。 时 ，坝 顶水 平 位移 达 到 最小 值 ，断 层倾 角 增加 至 1 3 5 。 时 ，坝 顶 水 平 位 移达 到最 大 值 ，最 大 值 与 最 小 值 相差 达 9 3 ，说 明断层 倾 角对 坝顶 水 平位 移 影 响 显 著 。 吕 U 翅 厦 警 驽 野 倾角 ( 。 ) 图 2断层 倾 角 与坝 顶 水 平位 移 关 系 断 层 位 置 与 坝 顶 水 平 位 移 的 关 系 曲 线 见 图 3。 从 图 3中可知 ，当 断层离 坝 踵 距离 从-1 0 0 m 变化 至 2 0 r n时 ，坝 顶 水平 位 移值 变 化不 大 ，当断 层 离 坝踵 距 离 增 至 8 0 m，此 时 断 层 处 于 坝 身 下 方 靠 近 坝 址 处 ，坝 顶 水 平 位移 突增 至 最 大 值 ，之 后 其 值 逐 步减 小 。总 的来看 。断层 与坝体 的相 对位置 对坝顶 水平位 移 影 响 较大 。 当断 层处 于 坝 基 下方 时 ，坝 顶水 平 位 移 值 最 大 ；断 层 处 于坝 基 下 游 时 ，坝 顶水 平 位 移 值 次 之 ；断层 处 于坝基 上 游时 ，坝 顶水平 位 移值最 小 。 昌 U 潞 翅 霍 1； L 茹 基 离 坝踵距离 I9 - 图 3断 层 禹 坝 踵 距 禹 与 坝顶 水 平 关 系 此 外 ， 以 坝 顶 总 位 移 作 为 重 力 坝 地 震 响 应 评 价 指 标 时 ，5个 因素 中影 响 坝 顶 总位 移 的强 弱 次 序 与 以水平 位移 作 为评价 指标 时一 致 。 3 2坝 踵应 力分 析 地 震荷 载下 ，重力 坝坝踵 部位最 容易 出现拉 应力 ，因此有必要 分析各 因素对坝踵应力 的影响 。 表 4列 出了正交试 验设计 坝踵第 一主应力 计算 结 果( 压应力为负 ，下 同) 。由表 4可知 ，根据试 验 范 围 内考察 的 5个 因素对 坝踵第一 主应力 影 响极 差值 的大小 影 响坝踵第一 主应力 的 因素的强 弱 次序依次是离坝踵距离 、弹性模量 、倾角 、厚度和 泊 松 比 。 表 4 5个 因素影响下 的坝踵第一主应力计算值 MP a 断层离坝踵距 离与坝踵第一主应力的关系 曲线 见图 4 。从 图 4中可知 ，坝踵第一 主应力 随断层离 坝踵距离变化 明显 ，坝踵第一主应力 的最大值 和最 小值均出现在断层处于坝基下方时 工程实际中要 加以重视 ；断层倾角与坝踵第一主应力 的关 系曲线 W a t e r P o w e r V o 1 3 7 N o 7园 见 图 5 。从 图 5中可知 ，断层倾 角在 0 。 1 6 5 。 变化 时 坝踵第一主应力值 围绕一 3 9 MP a上下波动 ，断 层倾角为 3 0 。 和 6 0 。 时坝踵第一主应力分别达到最大 值和最小值 ，两者差值 达 2 0 4 。此外 ，对坝踵竖 向应力做 了类似 的分析 ，各 因素对 坝踵竖 向应力分 析得 出以下结论 ，影响坝踵竖 向应力各 因素的强弱 次序依次为断层的倾 角 、离坝踵距离 、弹性模量 、 厚度 和泊 松 比。 、 州 1 按 期 群 离 坝踵距离 m 图 4 断层离坝踵 距离与坝踵第一主应力关系 倾角 ( 。 ) 图 5断层倾 角与坝踵第一主应力的关系 基 于 不 同 评 价 指 标 的 影 响 闪 素 主 次 分 析 结 果 见 表 5。从 表 5中 可 见 ， 以坝 顶 位 移 作 为 地 震 响 应 的评 价 指 标 时 ，主 导 影 响 因 素 是 倾 角 、离 坝 踵 距 离 与 厚 度 ；以 坝 踵 应 力 作 为 地 震 响应 的 评 价 指 标 时 ，主 导 影 响 因 素 是 倾 角 、离 坝 踵 距 离 与 弹 性 模 量 。综 合 位 移 与 应 力 指 标 来 分 析 ，影 响 含 断 层 岩 基 重 力 坝 地 震 响 应 的 主 导 因 素 是 倾 角 、 与 坝 体 相 对 位 置 。 表 5不同评价指标下 的影响 因素排位结果 评价指标 影 响因素排位结果 坝顶水平位移 坝顶总位移 坝踵第一 主应力 坝踵竖 向应力 A B CE D A BC E D B D A C E A BD C E 4 结论 ( 1 )基于 有 限单 元 法 的振 型分 解 反应 谱 法 和 正 交 试 验 设 计 方 法 的 研 究 结 果 表 明 断 层 影 响 重 力 坝 地 震 响应 的 因 素主 次顺 序 依 次 为倾 角 、与 坝体 相 对 位置 、弹性模量 、厚度及 泊松 比。其 中 ，主导因素是 倾角 、与坝体相对 位置 。因此 ，在含断层 岩基 的重 力 坝 抗 震 设 计 中 ，应 着 重 考 虑 这 两 个 主 导 因 素 的影 响 。 ( 2)本文 仅 对 基 于线 弹性 本 构 模 型 的单 组 断 层 对 坝体 地 震 响应 的影 响进 行 了探讨 关 于考 虑 材 料 非 线 性 或 多 组 的 断 层 对 坝 体 地 震 响 应 的 影 响 将 另 文 阐述 。 参考文献 ： 1 陈厚群 ，徐泽平 ，李 敏 汶川 大地震和 大坝抗震安 全 J 水利 学报 ，2 0 0 8 ，3 9 ( 1 0 ) ： 1 1 5 8 1 1 6 7 2 宋恩来 云峰大坝缓倾角断层坝段抗滑稳定分析( J 大坝 与安 全， 2 0 0 9f 1 ) ： 4 6 51 李仕栋 ，罗奇峰 不同倾角断层对场地动 力放大效应 的分析 f Jl l 地震研究 ，2 0 0 4 2 7 ( 3 ) ： 2 8 3 2 8 6 徐 卫亚江涛 ，赵 志峰 光照重力坝坝慕断层影响及 处理 的三维 数值模拟 l J 岩石 力学与工程学报 ，2 0 0 6 ，2 5 ( 6 ) ： 1 0 0 9 1 1 ( ) 5 杜建国，林皋 ，谢 清粮 无 限地基 中断层对混凝土大坝地震 响应 的影响f J 长江科学院院报 2 0 0 9 ，2 6 ( 3 ) ： 4 O 3 S I 2 O 3 9 7 水 一 建筑物抗震设 汁规范f S 燕柳斌 李海 ，张焕岭 长垌双曲拱坝有限7 等效应 力计算研究 广西大学学报 ，2 0 0 9 ，3 4 ( 2 ) ： 1 2 3 1 2 6 姬 振豫 正交 设计 的方法 与理论 M 1 香港 ：世 界科技 出版 社 ， 2 o 01 ( 责 任编 辑杨健 ) “ 乌江索风营水 电站岩溶渗漏勘察关键技术研究及应用”和 “ 复杂地质条件隧道超前预报综合技术应用研究”科研成果通过鉴定 2 0 1 1年 5月 2 7日由中国水 电顾 问集 团贵阳勘测设计研究 院完成的 “ 乌江索风 营水 电站岩溶渗漏勘 察关 键技术研究及应 用”和 “ 复杂地质条件隧道超前预报综合技术应用研究”科研成果通过贵州省科学技术厅鉴定 。鉴定认为 ，两项 目研究成果达 到国际先进水平 。 “ 乌江索风营水电站 岩溶渗漏勘察关键技术研 究及应用 ”成果 ，针对索风营水 电站库 区极为复杂的岩溶水 文地质条件 ，开展 了岩溶渗漏勘察关键技术研究 ，研究 内容明确 ，方法和技术线路正确 ，达到 j - 预期研究 目标 ，研究成果具有很强 的实用性 ，并 在相关工程的岩溶勘察 中得到较好应用 ，取得 了显著 的经济效益和社会效益 。 “ 复杂地质条件隧道超前预报综合技术应用研 究”成果 ，依托锦屏二级水 电站深埋特长辅助隧洞 ，针对施工 中存在 高压大流 量突水及断层破碎带塌方问题 ，开展 了超前预报综合技术 的应用研究 ，研究 内容 明确 ，方 法和技 术线路正确 ，达 到了预期研 究 目标 ( 贵阳勘测设计研究 院) 3 4 5 6 7 8