垫座及扩大基础对高拱坝抗震性能的影响分析

随着我国水电工程建设的不断发展，一批300 m等级的世界级高坝在西南水电资源丰富的地区开工建设，这些工程面临的地质、地形条件复杂，地震设防烈度高，对大坝的强度、变形和稳定性提出了很高的要求。

西部高烈度地震区的地震地质条件决定了高拱坝坝址即使经过反复比选，所确定的场址地形地质条件仍十分复杂，需要对地基采取大量的处理措施才能满足工程安全的需要。合理分析评价地基处理措施的效果对于保障拱坝建设安全具有十分重要的意义。

从目前高拱坝的地震动响应分析研究现状来看，针对坝体本身的措施，比如配筋、设置底缝、周边缝等工程措施对于坝体静态应力状态和地震动响应的影响方面的研究较多，陈媛等［1］通过结构模型破坏试验，分析了诱导缝、横缝、周边缝等分缝形式对拱坝的影响。罗原宗等［2］以大花水拱坝为原型，分析了设置诱导缝和周边缝后的位移变化情况与规律。李海枫等［3］对碾压混凝土拱坝分缝防裂设计的方法、诱导缝布置及缝面结构型式等问题进行了研究。也有针对拱坝采用耗能减震措施开展的研究，陈江等［4］研究了气幕隔震技术高拱坝的减震效果。对于坝基处理等方面的措施，比如扩大基础、垫座等，主要从拱坝静态应力状态的影响分析较多［5-7］，而扩大基础或坝肩垫座的设置对于坝体地震动响应的影响研究相对较少，合理分析评价地基处理措施的效果对于保障拱坝建设安全具有十分重要的意义［8］。宋子亨等［9］从设置底部垫座对坝体地震动响应是否有影响的角度论证了对于九甸峡拱坝的地基处理，可采用垫座的形式。

由于不同的工程场址地形地质条件不同，大坝坝高、体型不同，因此，垫座或者扩大基础等措施对于拱坝的静动力影响不同，比如设置底部垫座的李家峡拱坝、意大利瓦伊昂拱坝、美国的圣曼诺拱坝等以及设置坝肩垫座或重力墩的锦屏拱坝、美国的pacoima拱坝等。

白鹤滩拱坝坝高289 m，坝址处于“V”型不对称河谷，左岸地质条件较差，两岸地形、地质条件明显不对称。在通过坝身不对称体形来改善拱坝应力状态的同时，在坝体底部采取扩大基础以降低不利地基条件的影响。宋子亨等对白鹤滩拱坝扩大基础的效果进行了分析研究，潘元炜等［10］则对扩大基础形式进行了方案优化分析。

白鹤滩拱坝处于高烈度地震区，抗震设防地震动水平峰值加速度为450.8 gal，采取扩大基础方案加固以后，研究已经表明对于静力工况是有利的，对坝体抗震性能的影响还值得商榷，需要进行合理的分析。本文针对白鹤滩拱坝采取的扩大基础和坝肩垫座方案进行地震动响应分析，通过与不采取扩大基础和垫座的方案对比，表明扩大基础和垫座方案不仅对于坝体静应力和变形状态有较好的改善作用，对于地震动下的动态响应也具有有利的作用。

1 计算模型

1.1 坝体混凝土塑性损伤模型

基于应变等价原理，定义损伤因子为

式中：E和分别为无损材料和有损材料的弹性模量张量。

在多轴应力作用下，名义应力σ与有效应力的关系为

定义

式中：εij为总应变；为弹性应变；为塑性应变。

可得张量表达的塑性损伤应力-应变关系为

式中为弹性模量张量。

由塑性势函数G可以给出塑性应变率

采用非关联流动法则，塑性势函数可表达为

式中分别为平均有效应力和Mises等效有效应力指标；σt0为单轴弹性极限拉应力；∈为一参数，描述势函数趋近渐近线的比率。当离心率为0时，塑性势趋近于直线。

采用Lee等［11］建议的用有效应力表示的屈服函数

式中：α，β和γ为屈服函数的参数；为最大有效主应力；σbo/σco为双轴等压与单轴受压初始屈服应力的比值；kc为初始屈服面上拉、压应力子午线第二应力不变量的比值分别为有效拉压黏聚应力。

1.2 有限元模型

针对白鹤滩拱坝建立考虑坝体混凝土材料非线性、横缝接触非线性及无限地基辐射阻尼的三维非线性有限元模型，横缝采用面-面接触模型，考虑横缝内键槽作用，模拟30条横缝。坝体混凝土采用塑性损伤模型，地基采用基于D-P屈服准则的本构模型，地基外边界采用三维黏弹性人工边界。模型节点总数39 967个，单元数33 069个。模型及坐标如图1所示（X正向为横河向右岸，Y正向为顺河向下游，Z正向为垂直向上）。

文章来源：《华南地震》 网址: http://www.hndzzz.cn/qikandaodu/2021/0127/503.html