路玲

（河南省豫北水利工程管理局，河南 新乡 453002）

1 引言

由于高心墙堆石坝建设对大坝建设的重要性，许多学者对此进行研究，袁上丰等对已经建好的多座高心墙堆石坝进行研究，通过大坝的外部特征和内部材料坝拟定多种计算参数，进行数值模拟计算。

目前中国对于高心墙堆石坝的抗震特性进行了多方面的研究，但未考虑高心墙堆石坝的动力响应和其抗震情况。文章基于有限元数值模拟，通过位移变化探究高心墙堆石坝的动力响应和抗震特性，并进行分析。

2 模型建立

2.1 工程概况

如文章以某高心墙堆石坝工程为研究对象，该地区在河床附近需开挖高程2.88 km，其中基底厚2 m，由混凝土制成，石坝则由砾石制造，有较好的加固作用。大坝的高度为296 m，宽16 m，坡比分为上下游，分别为1∶2.00和1∶1.90，并且在相应位置设置马道。高心墙堆石坝在河床附近，附近地形较为复杂，因此通过数字模拟对大坝进行建模，并对模型进行分析。

2.2 参数计算

此数值模拟研究主要针对在地震作用下，大坝的破坏情况，其中主要研究的是其剪切破坏，通过屈服准则定理，得出强切屈服函数为：

通过表参数，输入到数值模拟之中，并且为了研究地震的情况对大坝的影响，得出计算方案，如表2所示。

表1 数值模拟计算参数表

表2 计算方案表

3 模型分析

3.1 动力反应

由表3 可知，表明了各项方向的放大倍数，由此得出在不同地震波下大坝顶端轴线的加速度放大倍数的分布情况。

表3 动力反应计算结果表

对于超越概率1%和超越概率2%的放大倍数曲线的具体情况是相似的，其中当场地谱为0.50时，其工况的放大倍数都达到了最大值，并且曲线在场地谱为0.50～0.70时放大倍数曲线下降到上升，但总体放大倍数随场地谱的增大先增大后减小。

超越概率1%的高度归一比超过0.80时，工况才接近，但超越概率2%的高度归一比为0.80时，两种工况就已经接近。其中当加速度放大倍数在2.50时，高度归一比都趋于稳定，但加速度放大倍数在1.00～2.50时，曲线呈递增关系。

通过上述可以看出，大坝在地震作用下，其加速度分布较为合理，并且本数值模拟研究动力反应情况，主要考虑其稳定性。

3.2 永久变形

由表4可知，表明了大坝在每个工况下的永久变形位移情况变化，由此得出在不同地震波作用下大坝顶端轴线的位移沉降情况。

表4 永久变形计算结果表 单位：m

大坝顶端轴线的位移分布情况，对于超越概率1%和超越概率2%的竖直位移曲线是相似的，都是先增大后减小，并且在场地谱为0.50左右时，其位移都达到了最大值；不同工况的水平位移情况，超越概率1%的水平位移比超越概率2%的水平位移的场地谱要长，但水平位移与场地谱呈正相关，但当场地谱接近1.50时，就不会在提高了。其中当水平位移在0.90左右之时，水平位移在上升，但场地谱却在下降。

通过上述可以看出，大坝在地震作用下，永久位移分布较为合理，并且数值模拟研究永久变形情况，主要考虑其稳定性。

3.3 加固措施

对于大坝的抗震的加固措施，主要通过数值模拟对模型进行分析，计算不同的工况，得出其加固范围，并在此基础上，进行加筋，在大坝顶端的60 m 左右，中间部分为100 m 左右加筋，加筋筋材的间距为10 m左右，具体情况如图1所示。

图1 加筋筋材分布图

通过图1的加筋筋材分布情况，对超越概率2%的场地谱进行进一步研究，对其动力进行分析加筋效果。对比加筋与未加筋的效果，不难发现，加筋之后，大坝中轴线的竖直位移要高于加筋的，说明加筋之后，能明显提升大坝的稳定性加筋之后相较于未加筋，需要场地谱需要达到更大值，水平位移才会更大，并且未加筋大坝的水平位移变化趋势始终快于加筋大坝水平位移变化趋势。

3.4 能力分析

由于对于地震作用下，大坝能力分析没有统一标准，由此通过多因素对其综合评价，主要通过加筋前后大坝竖向变形情况和安全系数的分析情况进行评价。通过数值模拟，计算不同加速度峰值下的变形情况。对于未加筋的大坝，其沉降深度会随着加速度峰值的上升而上升，加筋大坝与未加筋大坝相似，但加筋大坝的沉降情况要低于未加筋大坝，并且占高比也小于未加筋大坝，说明加筋之后，大坝的稳定性得到了提升。而对于安全系数的变化情况，大坝在面对地震波的情况下，安全系数会随着加速度峰值的上升而下降，但加筋大坝的下降幅度要低于未加筋大坝，由此说明大坝经过加筋之后，能够提升大坝的安全系数，为工程施工提供参考。

4 结论

①超越概率1%和超越概率2%的放大倍数曲线的具体情况是相似的，放大倍数随场地谱的增大先增大后减小。高度归一比则当加速度放大倍数在2.5时，高度归一比都趋于稳定，但加速度放大倍数在1.0～2.5时，曲线呈递增关系。说明加速度分布较为合理。②超越概率1%和超越概率2%的竖直位移曲线是相似的，都是先增大后减小，对于水平位移情况，超越概率1%的水平位移比超越概率2%的水平位移的场地谱要长，但水平位移与场地谱呈正相关。说明永久位移分布较为合理。③大坝加筋之后，面对地震波的作用，其稳定性能明显得到提升。对于未加筋的大坝，其沉降深度会随着加速度峰值的上升而上升，加筋大坝与未加筋大坝相似，但加筋大坝的沉降情况要低于未加筋大坝，并且占高比也小于未加筋大坝，安全系数则随着加速度峰值的上升而下降，但加筋大坝的下降幅度要低于未加筋大坝，说明大坝经过加筋之后，能够提升大坝各项性能，为工程施工提供参考。