横观各向同性岩基对重力坝地震响应的影响

横观各向J'al，I生岩基对重力坝
地震响应的影响
燕柳斌，陈志，苏国韶
(广西大学土木建筑工程学院，广西南宁530004)
摘要：采用基于有限单元法的振型分解反应谱法。

研究横观各向同性的层状岩基对重力坝地震响应的影响。

研究结果表明，层状岩基的横观各向同性对地震荷载下重力坝的坝踵应力影响不容忽视：层状岩基平行层面与垂直层面方向弹性模量的差异对重力坝的坝体自振频率、坝顶位移及坝踵应力影响显著；岩层倾角对坝体自振频率影响不大，但对坝顶位移及坝踵应力影响较大。

倾角600一1350对坝踵应力分布较为不利。

关键词：重力坝；地震响应；振型分解反应谱法；横观各向同性
I n_nuence of Tra nsve r se l s ot r o pi c L ayer ed-r ock Fou nda t i on on Sei sm i c R es po ns e of G ravi t y D ana
Y a n L i ubi n，Che n Z h i，S u G uoshao
(Sc hool of C i vi l a nd A r chi t ect ur e Engi nee r i ng,G uangxi U ni ve rsi t y，N a nni ng G u a ng xi530004)
A bs t r ac t：The sei sm i c r e spons e of gr avi t y da mf ounded
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t he t r ans v er s e i s et ropi c l a ye r ed-r oc k w ag st ud i ed by us i ng f ini te el em ent m et hod ba se d o n m odal r e spor m e spe ct r um m et hod．The r es ul t s s ho w t h at t he t r ans ver se i s ot r opi c of l a yer ed-r oc k
f ou ndat i on i s a m a j or f act or o n heel s t r e ss of gr avi t y da m，t he di f f er ence o n el as t i c m odul us of beddi n
g par al l el and vert i cal
di r ect i o n ha s s i gn i f i cant i nf l uence o n da m body nat ur al f r equ ency，c r est di spl ac em ent and hee l st r ess，and t he i ncl i n at i on of l a ye r e d-r oc k ha s li ttl e ef f ect O i l nat ur a l f r equency of da m body，but gr eat ef f ect o i l c r e s t di spl ac em ent，and nega t i ve heel s t re s s di st r i but i on w h en t he i ncl i nat i on i s be t w ee n60t o135degr ee．
K ey W ords：gr avi t y da m；sei sm i c r e spon se；m oda l res ponse spec t rum m e t hod；t r ans ver s e i s ot r opi c
中图分类号：T U475．1；T U458．4文献标识码：A文章编号：0559—9342(2010)08—0025-03
031言
计提供科学依据。

随着我国能源战略和西部大开发战略的实施。

将有诸多高坝工程营建在两部高山峻岭中。

如何确保复杂岩基条件下高坝的抗震安全已成为建设中亟待解决的关键问题11I。

岩基沿层面方向和垂直层面方向具有不同的弹性模量，如果把岩基当作各向同性体来处理。

是不完全符合实际情况的，而将岩基特别是层状岩基作为横观各向同性体来处理是比较合适的[21。

近年来，学者们就各向同性岩基对重力坝地震响应的影响进行了诸多有益的探讨闻。

但对于横观各向同性岩基对重力坝地震响应影响的研究甚为稀少嘲。

为此，本文应用有限元软件A N S Y S。

构建大坝一地基一库水有限元计算模型。

采用振型分解反应谱法研究岩基的横观各向同性对重力坝地震响应的影响规律。

为层状岩基条件下重力坝工程的抗震设1重力坝动力计算的有限元模型
设一重力坝坝高100m．坝顶宽20m。

坝底宽100m，上游坝面为直立坝面，下游坝坡坡度为l：1，坝基计算范围为3倍坝高。

坝体混凝土弹性模量取3．O xl04M P a，泊松比取0．2，密度取2350kg／m3。

重力坝平面有限元模型计算网格见图l。

采用平面4节点pl ane42单元模拟。

模型共划分3825个
收稿日期：201咖5—28
基金项目：广西自然科学基金(0832023)；广西研究生教育创新项目(105930903073)
作者简介：燕柳斌(1955一)．男，河北黎J I l l人，教授，博士生导师。

党委副书记。

主要从事结构与地基基础相互作用分析法及应用研究工作；陈志(通讯作者)．
W a t er Pow er V01．36N o．8园
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单元。

节点总数3946个。

位移边界约束条件为坝基底面及上、下游边界均为三向固定约束。

圈，重力坝有限元计鼻网格
有限元模型的荷载主要考虑坝体自重、库水压力及地震等荷载。

库水水位按坝顶高程计算，动水压力按韦斯特伽特附加质量矩阵计算m。

采用振型分解反应谱法计算地震作用效应．设计反应谱最大代表值口。

按图2曲线采用[S l。

坝基为I类场地，反应谱代表值风=2，弘0．2s，大坝混凝土的阻尼比取
5％，水平地震峰值加速度取O．2g。

取无质量地基进行计算分析。

采用振型分解反应谱法分析时，阵型分析采用Subs pace法．所分析的模态阶数为前9阶频率．地震作用效应的振型组合方法采用平方和开平方根法(SRSS)。

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震
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时间T／s
图2设计反应谱
2岩基的横观各向同性对坝踵应力的影响坝踵应力分析是重力坝应力分析的重要内容。

为研究岩基的横观各向同性对坝踵应力的影响，分别对3种不同岩基的重力坝进行振型分解反应谱法分析。

其中，前2种岩基为各项同性岩基，弹性模量分别为3．0x103、3．0×104M Pa，另一种为横观各向同性岩基。

平行层面方向弹性模量E为3．0X104 M P a，垂直层面方向弹性模量丘为3．0x103M Pa。

坝踵应力计算结果见表1。

由表l可知．横观各向同性与各向同性的坝踵的应力计算结果差异明显。

由此说明，地震荷载作用下，层状岩基的横观各向同性对重力坝坝踵应力的影响不容忽视。

固W at er Pow er V oL36N o．8
表1坝踵应力计算结果(压应力为负)M Pa
水平向正应力以
竖向正应力仉
第一主应力o r l
第三主应力仍
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一t．34
—4．65
-0．89
一1．47
--0．48
一1．7l
一5．13
-2．48
一1．9l
-5．99
3弹性模量差异对重力坝地震响应的影响对于横观各向同性岩基。

平行层面与垂直层面的弹性模量存在一定差异。

为了探讨这种差异对重力坝地震响应的影响规律，假定岩基倾角为00，平行层面方向弹性模量丘取3．0x104M Pa保持不变，到E，分别取0．1、0．25、O．5、1．0、2．0、4．0、10．0，对坝体的自振频率、坝顶位移以及坝踵应力进行对比分析。

3．1坝体自振频率分析
不同鲥邑下的坝体自振频率计算结果见表2 (后为坝体第i阶自振频率)。

从表2中可知，随着到E，逐渐增大，坝体各阶自振频率均呈逐渐降低的趋势，振动周期变长。

说明酌E的增大对坝体稳定有不利影响。

襄2坝体自振频率计算结果H z
3．2坝顶位移分析
计算结果表明，相对其他部位，坝顶位移最大，坝顶位移与E皿的关系见图3。

由图3可知，随着剧E的增大，坝顶水平向位移变化不大，但坝顶竖向位移逐渐增大，说明坝基弹性模量变小后，坝顶位移主要表现为竖向位移。

3．3坝踵应力分析
重力坝坝踵应力与E旭，的关系见图4。

从图4可知，随着E忸，的增大，坝踵应力由拉应力逐渐转为压应力。

并呈增大的趋势。

说明E J Ey的增大对坝踵应力分布有利。

此外，笔者还对50、80、110、140、170、200 m
等不同坝高的重力坝进行计算分析。

结果表明，。

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42：雩鬻雪等薹层倾角的关系见图5。

从图5可蜘篓冀纂主雾嚣嚣?翥主誊兽主茹盖焘；罢二冀喜詈箕?耄嚣嚣刍雾篙嚣_磊；兰蒿盖
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这说明岩层倾角对坝j 贝但修影州业有。

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岩层倾角对坝体的自振频翠、坝j 贝L ’错彤w “7
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42．5中热水泥成型的砂浆试件14d龄期膨胀率平均值为0．007％，膨胀率降低了94．7％。

2．2．2高碱水泥掺粉煤灰抑制骨料碱活性反应试验试验使用的高碱水泥同前述。

粉煤灰为工程拟用的乌石港松尧煤灰粉磨加工有限公司生产的I级、Ⅱ级粉煤灰。

掺量分别为10％、20％、30％。

高碱水泥掺粉煤灰抑制骨料碱活性反应(参照砂浆棒快速法)试验结果见表5、6。

表5高碱水泥掺l级灰粉煤灰抑制骨料碱活性反应试验结果
表6高碱水泥掺¨级灰粉煤灰抑制骨料碱活性反应试验结果
由表5、6可知：①掺粉煤灰具有抑制骨料碱一硅酸反应的作用。

砂浆试件的膨胀率随粉煤灰掺量的增加而降低；②对于I级粉煤灰，当掺量为10％、20％、30％时．砂浆试件14d龄期膨胀率平均值分别为0．063％、0．016％、0．007％，与高碱水泥砂浆试件同一龄期膨胀率相比较．膨胀率降低率分别为52．0％、87．8％、94．6％；③对于Ⅱ级粉煤灰，
(上接第27页)位移及坝踵应力的影响规律与上述情况类似。

5结论
(1)当层状岩基平行层面与垂直层面方向上的力学参数相差显著时，在重力坝地震响应分析中，不宜把层状岩基假设为均质各向同性材料，否则，将给计算结果带来较大误差。

(2)平行层面与垂直层面方向弹性模量的差异对重力坝的坝体自振频率、坝顶位移及坝踵应力影响显著。

(3)当平行层面与垂直层面方向弹性模量相差较大时，横观各向同性岩基岩层倾角对重力坝坝体自振频率影响不大。

但对坝顶位移及坝踵应力影响较大，倾角600～1350对坝踵应力分布较为不利。

困W at er Pow er V01．36N o．8当粉煤灰掺量为10％、20％、30％时。

砂浆试件14d 龄期膨胀率平均值分别为0．074％、0．030％、0．015％．与高碱水泥砂浆试件同一龄期膨胀率相比较，膨胀率降低率分别为43．5％、77．0％、88．5％；④无论是I级粉煤灰还是Ⅱ级粉煤灰，当其掺量达到20％时，相应砂浆试件的14d龄期膨胀率均可降到O．05％以下。

3结论
根据乐昌峡水利枢纽抑制骨料碱活性反应试验研究成果可知．工程拟用的昌泥牌42．5中热硅酸盐水泥和乌石港松尧I级粉煤灰(掺量达到35％的质量比时)，具有抑制碱一骨料反应的效能，而乌石港松尧Ⅱ级粉煤灰在掺量达35％的质量比时，仍不具有抑制碱一骨料反应的效能。

无论是使用低碱水泥还是采用在高碱水泥中掺粉煤灰的措施。

均可有效抑制Ⅲ20料场灰岩骨料的碱活性反应。

且在实际工程中一般采取的是在低碱水泥中掺粉煤灰这样双管齐下的保证措施，其抑制效果将更加显著。

因此，从丁程建设的经济性考虑，乐昌峡水利枢纽工程可以将l U20料场灰岩作为混凝土骨料料源使用，但需采取相应的措施，如采用低碱水泥、掺一定量的粉煤灰等，以预防混凝土碱一骨料反应的发生。

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(责任编辑周晓蔚)
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(责任编辑杨健)。