计海力1 陈江林2
1.云南水利水电建设工程技术开发有限公司 云南省昆明市 650021；
2.北京禹冰水利勘测规划设计有限公司 北京 100048
摘要：进入二十一世纪以来，我国经济得到了迅猛稳定地发展，在生产力快速增长的同时，资源的消耗速度及对能源的需求也与日俱增，利用新型清洁可再生能源代替传统资源型能源已成为国家能源战略的重中之重。水能资源是技术上最成熟、经济上合理的清洁能源，也是我国能源结构中重要的组成部分。但是与发达国家相比，我国对水能资源的利用依然很低，仍然有很大的开发利用空间，要开发这些源源不断的清洁能源，修建水利枢纽必不可少。随着筑坝技术的发展，新世纪我国先后开工建设及规划了数座世界级高混凝土规，比如澜沧江上的小湾拱坝，坝高292m。因我国大部分高坝大库多集中在我国西南部地区，该地区为强震多发地带，一旦失事将会给社会带来巨大的生命财产损失，故研究高坝在强震中的动力响应及损伤机制进而确定合理的抗震措施成为当前急需解决的问题。
关键词：碾压混凝土；重力坝；抗震措施
重力坝依靠自身重力来维持稳定，根据筑坝材料或施工工艺的差异，可分为砌石重力坝、常态或碾压混凝土重力坝及堆石混凝土重力坝，从目前坝工发展情况看，碾压混凝土筑坝技术得到了大面积推广。碾压混凝土坝可以大幅降低水泥用量，克服了混凝土坝的缺点。但受坝址区地形条件影响较大，当碾压混凝土坝体积不大时，大规模机械化施工的优势难以发挥。本文就基于西部某碾压混凝土高坝进行了地震分析，分析了地震中损伤因子的发展规律及截面应力的变化规律。
1、工程概况
某水库位于阳泉市孟县西潘乡进圭村至庄头村之间的乌河下游干流上，坝址位于均才村上游约1 km处，坝址以上控制流域面积1112.3 km2。乌河属海河流域，发源于阳曲县的两岭山，自孟县东蒋村西南0.3 km入阳泉境内，流经孟县东梁、西烟、西潘、庄里4个乡（镇），由南向北于庄里乡枣院村汇入大河，全长64 km，流域面积1 230 km2，阳泉境内流域面积697 km2。主要支流温川河发源于阳曲县小五台山，流域面积339.49 km2。坝址处乌河河谷底宽140-200 m，河床覆盖层厚5-7 m，河谷深槽处层厚1416 m。坝基基岩主要为混合花岗岩，基岩强风化层厚度2-3 m，弱风化层厚度15-20 m。目前，该碾压混凝土重力坝坝顶高程1334m，建基面高程1190m，大坝正常蓄水水位高程1330m，下游正常水位高程1209m。坝体碾压混凝土分为RI~RV五个区域，各区间的材料中的动弹模较静弹模提高30%，动抗拉强度取为动抗压强度的10%。考虑自重、静水压力、淤沙压力、地震荷载和动水压力的综合效应。动水压力以附加质量的形式考虑。
2、不同地基条件重力坝塑性损伤响应分析
损伤力学是在研究有缺陷材料时建立的，由于材料不可避免的带有缺陷，当有较大外力作用时，这些缺陷将不断发展，进而导致材料破坏，损伤力学就是为了在连续介质力学内研究材料在超过屈服强度后的应力软化过程而建立的。它的产生为分析重力坝地震响应提供了新的工具。通过与实际震害对比发现，混凝土损伤模型可以描述大体积混凝土在复杂应力状态下的力学行为，并用来评价结构的损伤破坏状态。
依据本文重力坝案例计算，其设计地震加速度代表值取以100年为基准期超越概率P100为0.02的地震动，相应基岩水平峰值加速度为3.45m/s2。大坝动力分析考虑垂直坝轴线方向的水平地震作用和竖向地震作用，竖向设计地震加速度的代表值取水平向设计加速度代表值的2/3。参照场地类别等因素，并按照抗震规范提供的反应谱形状，确定了反应谱 谱，其特征周期Tg为0.2秒，设计反应谱 为2.25其下限 应不小于 的20%。竖向加速度反应谱值取为水平向加速度反应谱值的2/3，而p谱（放大倍数谱）不变。
其计算结果如图所示，图1是挡水坝段的拉伸损伤分布图，从图上可以看出在上游折坡、坝踵和坝背折坡下方出现了拉伸损伤区，其中坝背折坡处的损伤区域面积最大。在损伤程度上，坝踵最大损伤值超过0.95，坝背折坡达到了0.92，大坝混凝土己经丧失了承载能力，而上游折坡仅仅达到0.7。根据经验一般损伤超过0.75就会出现宏观裂纹，坝背和坝踵都有裂缝出现。相对而言，坝踵的损伤区域很小，损伤值变化梯度较大，而坝背折坡高程以下出现了较大的损伤开裂区，接近大坝顶部，该区域混凝土的抗拉强度较低，在地震中是最先发生破坏的地方。
图1 拉伸损伤分布图
3、重力坝抗震的配筋措施分析
目前大部分的大坝配筋分析主要集中在拱坝分析中，在梁向由于拱坝体型较为纤瘦，而地震中的应力较大，因此考虑给拱坝坝面上下游进行配筋以增强其在梁向的承载能力。在拱方向设有原始的施工横缝，在横缝处有明显的非线性反应，横缝在地震中会开裂从而使拱向拉压力释放，但过大的裂缝会导致横缝止水的破坏，严重的导致结构失稳，因此国内多个学者进行了横缝插筋抗震措施研究。本文使用非线性有限元，采用混凝土的塑性损伤本构模型，分析该碾压重力坝在地震下的破坏情况，并验证配筋后结构能否满足承载力要求、防止损伤裂缝区域的发展以及计算合理的配筋量。
在上述案例中，坝体采用混凝土塑性损伤本构，在较低的围压下混凝土表现出脆性性质，主要的失效机制是拉力作用下的开裂失效和压力作用下的压碎。当围压足够大能够阻止裂纹开裂时脆性就不太明显了。这种情况下混凝土失效主要表现为微孔洞结构的聚集和坍塌，从而导致混凝土的宏观力学性质表现得像具有强化性质的延性材料那样。下面计算采用软件自带混凝土塑性损伤本构具有以下特点：（1）适合于模拟混凝土这样的准脆性材料；（2）能够模拟混凝土在中低围压下超出材料强度后的应力软化现象；（3）可以模拟钢筋混凝土的拉伸强化；（4）在应力子午线上剖分为拉压子午线，以考虑混凝土在受拉受压的差别；（5）能够模拟混凝土受到单调、循环或动力荷载作用下的力学行为；（6）可以模拟动力荷载下混凝土发生的不可逆损伤演化行为，模型中将各向同性弹性损伤理论与非关联多重硬化塑性理论相结合；（7）周期荷载反向作用时，可以控制材料的刚度恢复。在受力从拉应力转变为压应力时，受压刚度得到恢复，而由压应力变向为拉应力时，拉伸刚度不进行恢复；（8）受压在软化前存在强化，受压破坏时有较大塑性应变；（9）在弹性阶段材料行为是各向同性和线性的，损伤软化采用各向同性软化。
通过上述的计算，根据《水工混凝土结构设计规范》[1]规定了对于非杆件体系钢筋混凝土结构的配筋计算原则。对于大坝坝体无法采用杆件体系的结构的配筋原则，可以用弹性力学分析方法求得结构在弹性状态下的截面应力图形，再根据拉应力图形面积比例确定配筋数量。根据有限元计算得到的结果分析，拉应力在坝体内水平层面上的分布并非材料力学法假设的成线性分布，拉应力在接近大坝表面处增长很快，特别是在坝踵部位有严重的应力集中现象。最终根据配筋效果分析得出：（1）开裂区明显减小。未配筋时在坝背有长约37米的开裂区域，在配筋后损伤大于0.75的区域几乎消失，仅在钢筋混凝土与素混凝土交界处有一处损伤区域。而坝体表面己无损伤大于0.75的宏观裂峰区。（2）损伤区有所减小。初始损伤大于0.3的区域认为是产生了微裂纹的损伤区。配筋后的损伤区有所减小，但减小幅度不是很大。坝体表面的损伤值均逐渐减小。（3）通过分析，本次计算出的配筋方案的配筋量可以满足实际要求。
钢筋在混凝土中与混凝土联合受力，钢筋对混凝土的贡献体现在两个方面：首先是提高了混凝土的刚度，其次是钢筋与混凝土的咬合限制了混凝土的开裂。由于弹性应力法进行配筋计算时采用的是应力等效原则，配筋量由构件的极限荷载确定，这种方法仅仅保证了大坝有足够的极限强度没有考虑钢筋混凝土材料的性能差异，由于此时的钢筋混凝土是大体积少筋混凝土，钢筋面积很小，而混凝土的开裂应变相比钢筋的屈服应变来说是很小的，因此在弹性阶段钢筋混凝土内由钢筋承担的拉应力相对有限，这样就导致弹性阶段混凝土承受的拉应力依然很大，直到混凝土达到抗拉应变时钢筋依然有很多强度储备，因此少量的配筋对减小初始损伤区域作用不大。而通过钢筋与混凝土联合受力，在有效粘聚范围内的混凝土由于受到钢筋的约束断裂能得到提高，其限制裂缝向坝体内部发展能力得到提高，这样损伤因子大于0.75的开裂区就明显减小。
4、结束语
结合以上实例可以看出，重力坝结构相对简单，在做好地基处理的前提下，其耐用性较好，各功能区结构容易布置，设计过程中尽量做到优化设计。随着筑坝技术的进步及基础处理技术水平的提高，可大大改善岩体质量，重力坝会得到进一步的发展应用。
参考文献：
[1]SL/T191-96，水工混凝土结构设计规范（S），1997
[2]范书立，陈健云，范武强，李静.地震作用下碾压混凝土重力坝的可靠度分析[J].岩石力学与工程学报，2008，03：564-571.
[3]刘洋.混凝土重力坝的抗震性能研究[D].中国农业大学，2005.
论文作者:计海力1,陈江林2
论文发表刊物:《基层建设》2015年14期供稿
论文发表时间:2016/1/11
标签：混凝土论文; 损伤论文; 重力坝论文; 应力论文; 钢筋论文; 大坝论文; 材料论文; 《基层建设》2015年14期供稿论文;