1、混凝土大坝的抗震安全评价分析 张静宇 湖南五凌电力科技有限公司 摘 要： 通过对抗震性能的分析, 可以有效地估计地震作用下的结构风险, 越来越成为评估结构抗震安全性的重要手段。在地震荷载的作用下, 大坝会产生振动, 然后变形、破裂、甚至瓦解, 这严重影响城镇和居民的安全, 大坝的地震应力响应分析已成为人们关注的焦点, 大坝的抗震安全性是水利工程研究的前沿课题。根据工程情况和地质条件, 通过对大坝安全评价方法、评价内容和评价标准的分析, 得出评价结论和建议。关键词： 混凝土; 大坝; 抗震安全; 作者简介：张静宇 (1981-) , 女, 汉族, 工程师, 在职工程硕士, 主要从事项目管理工作。
2、收稿日期：2017-8-18Received： 2017-8-181 混凝土大坝抗震的重要意义地震是危及大坝安全运行的主要因素之一。中国位于世界上最活跃的两个地震区, 作为世界上地震最为活跃的国家之一, 中国的地震源还是很浅的。地震往往会给大型的水上建筑物造成很大的破坏。据史料记载, 中国几乎每一个省都有过破坏性的地震。据统计, 差不多在过去的 80 年里, 中国已经承担了世界近20 年强震的 1/10 左右, 自 1986 年以来, 在发生的 30 多场破坏性地震中, 中国占了近 1/3, 大陆进入第五次地震高潮期。而且, 地震使大坝上出现了新的裂缝, 加剧了旧裂缝渗入地基水的速度, 地基的
3、开裂和大坝坝肩的倒塌, 造成了不可估量的灾难。所以中国的水利建设物体的地震问题尤为突出。由于拱坝按现行规范设计, 比重力坝和支护坝更具有抗震性, 有利于体现材料的强度, 而拱坝的体积比相同高度的重力坝大约缩减 1/32/3。另外, 由于拱坝坝体轻便灵活, 因此地震区建成的拱坝逐渐增多。大坝正在地震中荷载的作用会产生振动, 变形, 断裂, 甚至倒塌, 严重影响下游城镇和居民的安全。大坝的地震应力响应分析已成为人们关注的焦点, 高拱坝地震稳定性问题是中国西部强震地区水工工程研究和大型水电建设的前沿课题中一个重大工程问题, 地震应力分析是必要的。迄今为止, 国内外有关地震灾害事件的地震破坏事例很少,
4、 包括现有的不完全统计大约有 46 个不同的高拱坝受到不同的强度的地震的破坏, 其中包括台湾最近的 12 次地震大坝的 181m 拱遭受了度以上的强烈地震, 尽管这是罕见的, 但是这些拱遭受了地震后造成的破坏将非常严重。随着西部大开发和西部电东部在战略实施中, 正在设计和建造一批高度超过 200m 的超高拱坝。这些大坝位于西部强震高烈度地区, 所以抗震预防水平较高, 地震安全问题具有重要意义。目前重视地震作用已成为大坝设计的控制条件, 其抗震性能是保证工程安全的关键。矿业坝体抗震设计采用合理的动应力分析方法和抗震安全性评价标准进行设计。扛震安全性是大坝施工的关键技术问题。这就是我们需要关注的问
5、题, 还有待进一步的研究和思考。2 混凝土大坝抗震主要内容大坝抗震设计的主要内容包括坝体应力和拱坝稳定性分析, 但影响拱坝的一些关键因素和指标也是拱坝抗震计算的重要组成部分。这些重要技术指标:(1) 统一的地震输入和水库的水压缩性的作用;(2) 拱坝裂缝在地震后的非线性效应;计算拱坝的径向和风速对大坝的影响;(3) 混凝土材料特性对大坝随机地震动的影响;(4) 大坝抗震稳定性以及安全可靠性;(5) 用数值模型模拟可压缩水库水与拱坝地基的震动作用。以上列举的研究内容是影响混凝土大坝抗震安全的关键技术问题, 尽管国内外众多学者都有很多关键的研究进展, 但很多关键问题还没有得到很好的解决, 主要包括
6、大坝的抗震动力点深部开采分析方法, 高拱坝抗震鉴定准则的改进与创新以及混凝土强度的动态特性研究, 以及坝址非均匀输入模型的建立和坝体的抗震性能等等。3 大坝地震动应力的分析方法通过理论分析和模型试验分析地震应力。理论方法还有准静态和动态分析方法, 大坝动力分析的基本方法是采用拱梁法。然而, 拱坝是一种空间很高的静壳结构, 它的分析有其特殊性和复杂性, 基于线弹性和无质基的假设有限元法能较好地模拟坝体地基的复杂体型、力学性质和动力耦合。现在随着有限元的快速普及, 有限元法已成为拱坝应力分析的常用方法, 也是最方便的一种方法, 下面简要介绍几种地震应力方法:3.1 模拟静态力法模拟静态力方法是设计
7、地震加速度与重力加速度之比, 动态分配系数为 3, 该方法作为地震力设计的静力分析方法。准静态法是拱坝简化的理论分析方法的一个理想的系统, 它使用一个转换的静态负载来表明在特定的地震下计算地震动能, 通过常规的静态方法确定各种反应 (例如位移, 应力或应变) 。但是地震计算采用的是“准静态法”, 不能充分反映大坝结构的动力特性, 地震的地震动特性也非常复杂。目前的标准是大坝动态应力分析的准静态方法主要是大坝动态分析。依据之前的设计标准, 在水利水电工程建设的地震区, 按照规划的静力法, 计算地震应力, 但以地震破坏为例, 该方法的应力值一般较小。结果是为了更真实地反映地震应力, 一般不采用该方
8、法, 而需要有限元方法进行计算。3.2 动态模拟法目前的政策明确指出, 大坝动力分析的基本方法应采用大坝分载法。拱门的荷载分担方法也被称为试验荷载法, 原来是美国的 30 年代填海工程局提出来的, 后经过几代人的发展和完善, 随着计算机的飞速发展和广泛的应用, 现在已经成为一个大坝应力分析方法。国内混凝土拱坝设计规范规定拱坝断面设计采用多拱梁法。但拱形荷载分担方法不能准确模拟高拱坝, 复杂空间高阶静不定壳体结构的应力和变形计算精度往往较低, 有时甚至不能用于振动模态分解的动力分析喝反应谱分析。随着先进的计算机技术和数值分析方法的迅速发展, 在大坝动力学分析中解决了一些难题。动力分析在我国大坝抗
9、震设计及抗震工程研究中发挥着重要作用。随着地震区高坝建设的需要, 大坝动力分析取得了较大的进展。研究一直在进行, 许多关键的技术问题已经被克服。动力分析方法集中在拱坝比混凝土坝。这不仅是因为这个拱坝是一个更为复杂的三维结构, 而且是因为中国的高烈度地震拱坝需要施工。它是水平拱坝的基本概念, 被视为一系列拱环和直梁, 荷载由拱和梁承担, 根据拱和梁节点 (称共轭点) 的条件一致, 通过试验荷载法确定拱梁系统的荷载分布。然后由静态结构计算应力, 用弹性拱的纯拱计算拱。该方法能够在一定程度上反映拱坝的整体功能, 包括拱梁法和多拱梁法, 以纯拱法改善拱环的缺陷。本文主要研究该方法。3.3 有限单元法有
10、限元是合成方法分析的一个应用。首先将结构分解为单元, 然后对单元的结构进行合成, 将结构问题的求解集中在一个单元中。从工程力学背景出发, 有限元法是从刚度计算的位移法导出的, 从刚体框架分析到弹性力学, 矩阵位移法就成为了有限元。从数学的角度来看, 有限元方法是对连续问题的近似离散化的方法, 原始问题的无限自由度近似自由度有限, 原问题的微分方程转化为代数问题。壳体有限元法是将拱坝作为一个空间连续体, 根据坝体的不同, 选择不同的单元模型, 薄拱坝可以选择薄壳单元, 拱坝的厚度可以选择厚壳单元, 三维等参元的拱坝和坝基大, 形状复杂的厚度适用性强, 有限元法可用于计算岩体复杂形状和大型空心大坝
11、或井底、设垫或重力墩和基础有断层、断裂, 拱坝夹层等各种分析方法。拱坝抗震应力的影响在应力和变形作用下, 还可以解决地震相互作用对坝体、基座、水库等的动力响应, 是大坝应力分析的有效方法。3.4 模态分析反应谱法地震分解反应谱用于混凝土结构和具有弹性结构的结构的复杂结构, 本文采用动力法计算了拱坝的地震作用, 这样做的计算的准确性和速度也很高, 正因为这些方法的优点, 所以本文也采用这种方法, 并利用有限元分析软件对拱坝进行了受力分析等研究。地震反应谱基于模态分解理论和反应谱理论是分析地震常用的方法, 该方法基于叠加准则, 仅适用于线弹性地震反应分析的模态分解反应谱分析, 其关注点集中在模态响
12、应的最大值, 并根据反应谱求解最大模态响应, 模态反应谱原理有四个基本假设: (1) 地震主体是线性的, 并且也是弹性的, 允许采用叠加法把模态进行组合; (2) 大坝的基础是刚性的, 所有支撑处振动响应完全相同; (3) 主体结构最不利的地震反应为其最大地震反应; (4) 地震过程是随机平稳过程。3.5 结构模型试验用拱坝模型抗震性能的试验研究是另一种有效的方法, 它不仅能够在三维应力应变正常的条件下研究大坝、坝基, 还可以进行损伤试验, 采用大型震动台通过模型试验研究了拱坝的振动特性, 确定固有频率和模态。我国建立了很多振动台, 其中以中国水利水电科学研究院的大型模拟地震振动台是最先进的,
13、 得到了一些国际知名专家的认可, 被认为是目前世界上最好的混凝土坝试验设备。我国陈厚群院士在其著作中详细阐述了拱坝的抗震计算理论, 并有许多创新。在一些国家, 如葡萄牙, 意大利等以模型试验结果作为拱坝设计和试验的主要依据被认为是最可靠的方法, 目前在模型试验中需要研究的问题是:寻找新的模型材料、重量、渗流压力和温度负荷以及实验技术。随着科学技术的发展和坝体技术的提高, 这一领域的研究也将越来越完善。4 结语中国将在西部地震高烈度地区建设大量大型混凝土重力坝、混凝土拱坝等大坝工程。根据国内外相关研究成果的工程经验和实测数据, 对现有混凝土坝抗震安全评估系统、抗震安全性评估、抗震设防标准、地震参
14、数选择和地震动输入, 混凝土坝及基础岩体的动力阻值及动力分析方法, 抗震安全性评价, 抗震措施等进行了讨论, 并提出了相关建议, 为混凝土坝的抗震研究、设计提供了有价值的参考。参考文献1张楚汉, 金峰, 王进廷, 等.高混凝土坝抗震安全评价的关键问题与研究进展J.水利学报, 2016, 03:253264. 2王海波.水工抗震学科国际科学技术发展动态跟踪J.中国水利水电科学研究院学报, 2009, 02:286293. 3陈厚群.当前我国水工抗震中的主要问题和发展动态.振动工程学报, 1997, 10 (3) . 4陈秋华.沙牌碾压混凝土拱坝设计.水电站设计, 2003, 4 (19) . 5杜成斌, 赵光恒.带横缝拱坝的非线性地震响应.水利学报, 1996, 5:2228. 6何蕴龙, 陆述远.重力坝随机地震动力分析方法研究.水利学报, 2000, 1:3541.
