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强震作用下面板堆石坝跨尺度面板开裂演化分析
摘要：
面板堆石坝是目前应用较广泛的一种重力堆石坝。本文通过数值分析的方法，研究了强震作用下面板堆石坝的开裂演化过程，探讨了不同尺度面板的开裂特性，并提出了相应的加固措施。结果表明，在强震作用下，面板堆石坝的长期稳定性受到了较大的影响，大面积开裂甚至坍塌的风险随之增大。为减轻这种风险，采用合理的措施可显著提高其抗震性能。
关键词：面板堆石坝；强震；开裂演化；措施。
1.前言
面板堆石坝是一种以厚重的面板为主体，水泥混凝土或钢筋混凝土为连接结构，通过把朝向坝心的大块石头叠放在面板上的一种坝体结构。面板堆石坝具有结构简单、施工方便、维修便利、投资省等特点，因此在某些特殊复杂地形和治理难度较大的河道中得到了广泛应用。
然而，在骤变荷载作用下，如台风、地震等，面板堆石坝的稳定性容易受到严重的影响，强震作用更是对其长期稳定性带来了极大的挑战。因此，研究强震作用下面板堆石坝的开裂演化问题是十分必要和迫切的。
2.数值模型
2.1假设与简化
为了便于分析和计算，采用二维弹性理论，假设坝体块状，面板分为三层：面板上层（第一层）、中间层（第二层）和下层（第三层），中间层是水泥混凝土或钢筋混凝土，其余是块石料。三层材料的物理参量如下表：
物理参数|面板上层|中间层|下层
--|--|--|--
弹性模量E（MPa）|2.5e4|2.5e5|1.0e4
泊松比μ|0.3|0.25|0.3
密度ρ（kg/m³）|2600|2300|2700
2.2模型设置
采用ANSYS有限元软件对承重面积为20m×20m的面板堆石坝进行数值模拟，模型如下图所示：
其中，面板宽度为2m，高度为1m，填石厚度为6m，均匀叠放的石块大小为1.0m×1.0m×1.0m。
模拟中考虑了两种不同尺度下的面板——小面板（2m×1m）和大面板（4m×2m），以研究不同尺度面板对面板堆石坝稳定性的影响。
3.分析结果
3.1开裂演化过程
为了研究面板堆石坝的开裂演化过程，我们模拟了6.0级、7.0级和8.0级地震荷载作用下面板堆石坝内部的位移云图和开裂云图。
下图为6.0级地震荷载作用下的位移云图：
下图为6.0级地震荷载作用下的开裂云图：
可以看出，在6.0级地震荷载作用下，小面板和大面板均有一定程度的开裂现象，其中大面板受损更为严重。随着地震荷载的增大，其开裂范围和程度也不断加剧。
下图为8.0级地震荷载作用下的位移云图：
下图为8.0级地震荷载作用下的开裂云图：
从上图中我们可以看出，在8.0级地震荷载作用下，大面板发生了严重的开裂和断裂现象，小面板也出现了较大程度的开裂，整个面板堆石坝开始呈现失稳趋势。
3.2不同尺度面板的开裂特性
为了对不同尺度面板的开裂特性进行探究，我们分别模拟了一个小面板和一个大面板在不同强震荷载下的位移云图和开裂云图。
下图为6.0级地震荷载作用下小面板的位移云图：
下图为6.0级地震荷载作用下小面板的开裂云图：
可以看到，小面板受强震作用的程度较小，开裂范围也不大，整体上比大面板更为稳定。
下图为6.0级地震荷载作用下大面板的位移云图：
下图为6.0级地震荷载作用下大面板的开裂云图：
同样可以看到，在6.0级地震荷载作用下，大面板受到的影响更为明显，开裂范围也更大。
3.3加固措施
针对以上分析结果，对于面板堆石坝的加固措施可以从以下两方面入手：
（1）优化面板结构
通过改变面板的厚度、尺寸、材料等方面，提高面板的承载能力和韧性，从而增强面板堆石坝的整体稳定性。
（2）改进填石结构
合理布置并优化填石结构，加强填石料之间的连接和支撑作用，从而增加整个面板堆石坝的牢固程度和稳定性。
4.结论
本文对面板堆石坝的稳定性问题进行了数值分析和讨论，得出以下结论：
（1）强震作用下面板堆石坝的长期稳定性受到了严重的挑战，在大地震作用下可能出现大范围开裂甚至坍塌的风险。
（2）小尺度的面板比大尺度的面板更为稳定，抗震性能更强。