邱鵬

【摘? 要】地震的作用讓面板堆石壩表現(xiàn)出了很強(qiáng)的加速度效應(yīng)，它們?cè)谶@種加速度反應(yīng)之下出現(xiàn)了變形、崩塌以及殘存物的變形和崩塌等現(xiàn)象。這些現(xiàn)象是對(duì)其進(jìn)行有效分析的關(guān)鍵內(nèi)容。針對(duì)容易發(fā)生地震的部分狹窄河谷地區(qū)的面板堆石壩，論文制作了相關(guān)的結(jié)構(gòu)型式試驗(yàn)材料，該試驗(yàn)材料高1m，可以有效地模擬出面板堆石壩的實(shí)體的形狀，然后再運(yùn)用相關(guān)的試驗(yàn)方式和工具在地震作用下進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

【Abstract】The effect of earthquake makes the face rockfill dam show strong acceleration effect， and deformation， collapse and residual deformation and collapse appear under this acceleration response. These phenomena are the key content to carry on the effective analysis. In view of some narrow valley areas prone to earthquake， this paper has made the relevant structure type test material. The test material is 1m high， which can effectively simulate the solid shape of the face rockfill dam， and then use the relevant test methods and tools to conduct the simulation test under the earthquake action.

【關(guān)鍵詞】地震作用;面板堆石壩;錯(cuò)臺(tái)模型;試驗(yàn)研究

【Keywords】earthquake action; face rockfill dam; staggered platform model; experimental study

【中圖分類號(hào)】TV641.4+3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2021）05-0161-02

1 總體性概述

工程龐大的猴子巖水電站在裝機(jī)容量上達(dá)到了1700MW，它是整個(gè)大渡河干流里面的第九級(jí)別水電站，可以說，猴子巖水電站在整個(gè)大渡河流域的水電開發(fā)當(dāng)中都占有極其重要的地位，它的最大壩高是223.5m。但是由于該水電站的建造位置選擇在了河流的轉(zhuǎn)彎處，河谷狹窄，而且二者地形差異很大，這使得兩邊的結(jié)構(gòu)差異十分明顯：左岸的坡是先陡后緩，然后插入大壩之中，右岸的邊坡雖然在坡度上變化不大，但是總體而言卻十分陡峭。另外，河流轉(zhuǎn)彎處的河谷十分狹窄，這使得整個(gè)大壩在結(jié)構(gòu)的寬度和高度比方面較小，所以該水電站的開關(guān)站點(diǎn)就只能布置在該大壩下游的平臺(tái)上。而面板堆石壩在地震作用下其加速度反應(yīng)和殘余變形特性會(huì)出現(xiàn)極為劇烈的波動(dòng)。一旦地震較為強(qiáng)烈，總管整個(gè)大壩的開關(guān)站很容易失去保護(hù)，從而遭到毀滅[1]。

我國是幅員遼闊的國家，但是地震帶總體而言偏少，這導(dǎo)致我國總體上經(jīng)歷過較強(qiáng)地震的高土石壩比較少。同樣的，我國對(duì)于高土石壩以及面板堆石壩在強(qiáng)烈地震中遭受嚴(yán)重破壞的報(bào)道也是罕見的，而正是這種罕見的存在導(dǎo)致了面板堆石壩所遭受的地震災(zāi)害的實(shí)際資料大大缺乏，所以直到目前為止，相關(guān)研究者對(duì)于堆石壩面板所遭受的地震影響的觀察和研究依然基于各類試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

模式試驗(yàn)的展開是在具有6m×6m的大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行的，該試驗(yàn)的模擬是基于重力場(chǎng)中面板堆石壩的動(dòng)力規(guī)律展開的，而同時(shí)所要開展面板堆石壩的錯(cuò)臺(tái)模型試驗(yàn)也是如此。整個(gè)過程包括模型的設(shè)計(jì)、工程情況的構(gòu)筑和試驗(yàn)結(jié)果的分析3個(gè)部分。整個(gè)模型石壩為1m高，有壩段和整體模型各1個(gè)。對(duì)壩段模型的錯(cuò)臺(tái)控制是根據(jù)原型大壩自身的最大橫截面進(jìn)行按比例縮小所得到的。而整體的面板堆石壩則是在將原型大壩的共10個(gè)斷面進(jìn)行按比例縮小之后所建成的。接著又用鋼筋混凝土模擬河谷，把原型堆石料的縮小版作為模型大壩的填充建筑材料，在這個(gè)過程當(dāng)中，我們將通過人工手段來有效地讓模型大壩的面板得到制作，鋼絲網(wǎng)則充當(dāng)了模擬的鋼筋，大壩總體的填充建筑堆積石料最多擁有20mm的粒子直徑。同時(shí)，為讓原型大壩的堆積石料依然可以在模型大壩中發(fā)揮其最大現(xiàn)實(shí)作用，我們通過等量代換等方式對(duì)模型大壩中的堆積石料進(jìn)行有效配置。其主要原料是水泥、沙子、珍珠巖石和水，比例按照8%、67%、5%以及20%進(jìn)行調(diào)配。最終，整個(gè)建筑而成的三位縮小版立體大壩模型經(jīng)過7層配料以及逐層敲擊加固得以完成。而三維河谷模型則是通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，最終使得大壩模型整體得到完整的填充澆筑[2]。

我們?cè)谟行ЫY(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際振動(dòng)情況的差異上，有效地把整個(gè)試驗(yàn)分成數(shù)種方案，不同的方案代表不同的實(shí)際地震情況。在整體的模型試驗(yàn)過程當(dāng)中，一共有20個(gè)方案和37個(gè)小工況，而在水庫沒有水的情況下，大壩段模型會(huì)涉及16個(gè)方案共計(jì)28個(gè)小工況的地震試驗(yàn)。如果面板堆石壩是滿水狀態(tài)，那么其會(huì)進(jìn)行18個(gè)方案，總共會(huì)有40個(gè)小工況的地震試驗(yàn)。從總體上來看，工況的設(shè)置要求符合這樣一個(gè)關(guān)鍵原則，即地震強(qiáng)度從小到大，地震波的傳遞方向要從單方向逐漸變?yōu)槎喾较?，而在每一次地震之前和地震之后，都必須要把幅度很低的白色噪音輸入進(jìn)去，讓面板堆石壩能夠得到自振測(cè)試。在輸入地震波的加速度值時(shí)，一般最高為0.8，最低不低于0.1。

這次試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容包括了對(duì)整個(gè)面板堆石壩的加速度情況的反應(yīng)測(cè)試，針對(duì)面板堆石壩的錯(cuò)臺(tái)模型在經(jīng)過地震時(shí)所出現(xiàn)的變形現(xiàn)象以及針對(duì)大壩整體的動(dòng)力形變測(cè)試等。大壩自身的震動(dòng)在其加速度變化和反應(yīng)方面的表現(xiàn)和反饋會(huì)通過預(yù)先設(shè)置在面板堆石壩面板錯(cuò)臺(tái)模型內(nèi)部關(guān)鍵區(qū)域的加速度傳感器來進(jìn)行測(cè)量反饋。該壩段模型在測(cè)試斷面的設(shè)計(jì)上采用的是從中間開始的斷面，之所以如此建造，是考慮到了原來的大壩本身是修建在河谷河道轉(zhuǎn)彎處的，因?yàn)楹庸葍膳缘纳襟w坡度不一致且有落差，故在本次試驗(yàn)中，我們選擇了2個(gè)距離比較接近的控制斷面，然后再選擇主要用于測(cè)試的斷面兩旁的3個(gè)控制斷面為用來輔助的測(cè)試斷面（分別為3、5、7）。而傳感器就被安裝在主要的測(cè)試斷面里頭，這種傳感器可以有效地感應(yīng)到加速度的變化。后來，我們又通過在大壩表面安裝位移觀測(cè)點(diǎn)以及在模型箱上有效安裝和固定相應(yīng)基準(zhǔn)線來保證大壩整體的表面都可以受到地震的均勻殘余變形的力量，而通過運(yùn)用肉眼觀察和專業(yè)儀器拍攝的方式，我們可以更好地認(rèn)識(shí)到大壩在地震時(shí)所出現(xiàn)的反應(yīng)及其所遭受到的外力和形變狀況。最后，大壩在地震結(jié)束之后，會(huì)出現(xiàn)一定程度的滑坡，這時(shí)用人工方式來對(duì)滑坡深度和所遭受的破壞類型進(jìn)行深刻觀察和記錄分析。

3 反應(yīng)情況

面板堆石壩在模型試驗(yàn)方面和作為原型的大壩來說是相同的，無論是在加速度的反應(yīng)水平上，還是在加速度的反應(yīng)分布上，都和原型大壩一樣，因此，在結(jié)束該試驗(yàn)之后，我們能夠有效地認(rèn)識(shí)到作為原型大壩的面板堆石壩在加速度反應(yīng)之中所表現(xiàn)出來的特性，尤其是運(yùn)用錯(cuò)臺(tái)模型的針對(duì)面板堆石壩的試驗(yàn)。

在對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析之后可以發(fā)現(xiàn)，在大高水平，固定的情況下，板堆石壩面板的錯(cuò)臺(tái)模型在加速度反應(yīng)水平方面整體上比較弱，由于石壩面板錯(cuò)臺(tái)模型的相關(guān)保護(hù)作用，加上河谷轉(zhuǎn)彎處地形呈現(xiàn)的是一個(gè)狹窄和不對(duì)稱的狀態(tài)，所以該面板堆石壩的加速度反應(yīng)分布規(guī)律是比較均勻的。

另外，水平方向上的加速度反應(yīng)和高度成正比。但是在遭遇幅度較低的一般地震波時(shí)，大壩頂部的“鞭梢”效應(yīng)是比較弱的，這應(yīng)該算是由于石壩面板錯(cuò)臺(tái)具有較強(qiáng)的保護(hù)作用。而隨著地震幅度的加強(qiáng)，石壩面板錯(cuò)臺(tái)模型的保護(hù)作用就越發(fā)被減弱，再加上場(chǎng)地波和天然地震波等各類地震波的影響加強(qiáng)，使得該模型大壩主要斷層面的豎直中心線上的水平加速度效應(yīng)成倍增長(zhǎng)。

最后，在同等幅度地震水平和不同類型的地震影響之下，整個(gè)面板堆石壩面板錯(cuò)臺(tái)模型在各結(jié)構(gòu)方面所表現(xiàn)出來的加速度反應(yīng)會(huì)隨著高度和寬度的不同而出現(xiàn)明顯的水平差異。在地震波當(dāng)中的規(guī)范正弦波作用下的大壩在遭受地震影響時(shí)，其加速度反應(yīng)是最為強(qiáng)烈的，因?yàn)樵诒敬卧囼?yàn)過程當(dāng)中，對(duì)正弦波的頻率設(shè)定為40Hz，這十分接近模型大壩結(jié)構(gòu)的共振頻率，所以大壩在近乎共振的情況下，加速度反應(yīng)十分強(qiáng)烈。而在天然地震波的作用下，整個(gè)大壩體系在加速度水平的反應(yīng)方面也是比場(chǎng)地地震波要高很多的。所以我們認(rèn)為：隨著地震強(qiáng)度的不斷增加，大壩整體的加速度反應(yīng)水平也會(huì)成倍數(shù)增長(zhǎng)，但是加速度的放大倍數(shù)卻是逐漸減弱的。這應(yīng)該是由于面板堆石壩內(nèi)部的堆石體材料經(jīng)過動(dòng)力變形之后所展現(xiàn)出來的非線性特質(zhì)所導(dǎo)致的結(jié)果[3]。

4 結(jié)論

從總體上來看，面板堆石壩當(dāng)中的鋼筋混凝土面板，以及設(shè)立在狹窄的河道轉(zhuǎn)彎古地形條件下的大型水壩擁有其自己的較為特別的幾何形態(tài)，而正是這種幾何形態(tài)使得在地震來臨時(shí)有效地影響了整個(gè)大壩所表現(xiàn)出來的加速度反應(yīng)水平和分布情況。不過，石壩面板錯(cuò)臺(tái)模型的存在，讓大壩頂區(qū)的加速度反應(yīng)得以減弱，也有效地保護(hù)了上游大壩坡不被高強(qiáng)度的加速度反應(yīng)水平所破壞。

另外，地震的類型和地震的強(qiáng)度都能夠?qū)Υ髩蝺?nèi)部和外部所表現(xiàn)出來的加速度反應(yīng)水平以及分布情況產(chǎn)生重大影響。在規(guī)范的正弦地震波作用下，大壩頂部的加速度反應(yīng)非常明顯，隨著地震所帶來的加速度峰值的不斷增加，大壩內(nèi)部和外部的加速度反應(yīng)在放大倍數(shù)方面得到不斷減小。

【參考文獻(xiàn)】

【1】唐旺.地震作用下混凝土面板堆石壩風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2020.

【2】孔憲京，屈永倩，鄒德高，等.強(qiáng)震作用下面板堆石壩跨尺度面板開裂演化分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2020，351（06）：17-18.

【3】張鷗，戴壽曄，李曉娜.不同模型參數(shù)對(duì)面板堆石壩應(yīng)力變形的影響研究[J].水利水電技術(shù)，2019，50（04）：95-101.