中國水電開發修建的大壩數量和規模均居世界之首， 其中不少已建、在建和擬建的高壩大庫都位于峰值加速度 0.2~0.3 g 的強震區， 特別是大渡河上的大崗山拱壩， 設計峰值加速度達到 0.557 g. 如何解決大壩抗震安全問題一直是工程與科研面對的難題[1].
土木建筑的抗震理論與應用得到了長足發展，從開始通過加大結構的剛度和延性來提高建筑物的抗震能力到近年來采用隔震、消能減震等技術措施[2].
特別是汶川地震中采用減震措施的建筑物都經受了強震的檢驗。 與之相比， 水工建筑物由于體積巨大，尤其是承受高水頭壓力， 土木建筑成功的抗震減震技術措施并不適用水工大體積建筑物[3].
多年來， 國內外一直探索大壩抗震措施與減震方法[4~6]. 目前大壩設計除采用常規抗震構造外， 也采用了壩體配筋、設置阻尼器等減震措施。 配置鋼筋可明顯改善裂縫開度， 提高大壩整體性， 是一種常規的加強壩體剛度的抗震措施， 但不能消耗地震輸入的能量； 壩體橫縫間設置黏滯或摩擦阻尼器裝置也得到了較多關注。 增設阻尼器能限制縫張開， 也能消耗地震輸入能量， 但模型計算結果不理想， 減震效果有待實踐檢驗[7~10].
不同于黏滯、摩擦、調諧質量阻尼器[11~13], 調諧液體阻尼器（TLD）利用水波動原理， 通過調整液體自振頻率等于建筑物頻率來降低建筑物的振動。 為了使 TLD 具有較高的阻尼效果， 可增加孔網措施。 TLD技術在建筑物抗風防災中得到廣泛應用， 但在建筑物抗震中應用較少， 原因之一是強震導致結構自振頻率發生改變。 為了克服 TLD 不足， 飽水海綿阻尼器利用孔隙流體流動原理， 消耗建筑物振動能量。 這種孔隙介質阻尼器不需要調諧頻率， 已應用于建筑物環境減振。 但到目前為止還未見類似的液體阻尼器應用于水工建筑物減震的報道。
針對大壩抗震安全需要， 本文改進飽水海綿阻尼器， 提出了一種砂土液化阻尼器減震裝置。 這種新型阻尼器利用不排水飽和砂土振動液化原理， 通過液化砂土耗能、降低大壩強震響應。 振動臺試驗驗證了砂土液化阻尼器具有期望的阻尼特性； 有限元模擬安裝砂土液化阻尼器的重力壩也表明壩頂位移幅值減震達 1/3. 砂土液化阻尼器減震裝置不但構造簡單， 使用方便， 是大體積建筑物減震的一種新措施。
1 砂土液化阻尼器振動臺試驗
試驗用的砂土液化阻尼器模型為內置飽和砂土的鋼質箱體， 長×寬×高分別為 0.8 m×0.6 m×0.4 m;試驗在清華大學水利系 MTS 振動臺進行（圖 1）。 模型阻尼器安裝在有導向滑軌的振動臺上， 并通過 20 kN測力傳感器與振動臺連接， 應用壓電傳感器采集加速度信號。 試驗用砂土為一般河砂， 裝料高度 0.3 m并錘擊密實； 飽和水由砂土頂面緩慢滲入。 振動臺試驗采用加速度控制， 頻率 5 Hz, 幅值 0.3 g. 圖 2 和 3為砂土液化阻尼器液化前后砂土狀況。
砂土液化阻尼器振動臺試驗結果示于圖 4, 其中加速度為模型阻尼器加速度測量值， 力為測力傳感器結果。 圖 5 為阻尼器速度與受力關系圖， 速度為測量加速度積分結果。
從圖4可知， 砂土液化過程外力與加速度不同步：加速度最大時， 外力最??； 相反加速度最小時， 外力最大。 因此， 由振動力學可知阻尼器外力不是慣性力，也不會是恢復力。 將測量加速度時程積分得到速度時程， 并與阻尼器外力對比發現： 外力與速度二者同步但反方向（圖 5）。 因此， 砂土液化阻尼器的外力為阻尼力， 并沒有體現慣性力和彈性力效應。 特別由圖5 可知， 液化的砂土動力粘黏度系數可達 0.5~1.0MPa s, 與以往砂土液化試驗結果一致[14,15].
2 重力壩砂土液化阻尼器減震效果模擬
考慮一座高150 m的混凝土重力壩， 應用二維動力有限元分析砂土液化阻尼器的減震效果。
2.1 計算模型幾何模型范圍取壩基深度 500 m（大于 3 倍壩高），上游、下游方向長度均大于 1.5 倍壩高（圖 6）； 采用四節點平面應變單元離散形成有限元計算模型， 模型材料參數如表 1 所示， 地基簡化為無質量地基。
2.2 砂土液化阻尼器模型針對砂土液化阻尼器安裝在重力壩頂， 有限元模型采用壩頂每個節點都有水平、豎向阻尼器單元，阻尼器單元采用黏彈性模型， 但彈簧剛度系數均為 0,節點阻尼力按下式計算：
f = d × v,（1）其中， v 為壩頂節點速度， d 為阻尼力系數， 按下式確定：
d = ρ× c × A,（2）其中， ρ為阻尼器液化砂土的密度， 取為 2000 kg/m3;c 為引入的砂土液化特征波速：
c = μ （ ρh） ,（3）其中， μ為液化砂土動力黏性系數， h 為阻尼器液化砂土層有效高度， A 為計算模型的節點控制面積， 取為節點相關單元的有效面積。
2.3 計算方案
有限元計算時水平向地震動輸入 El-centro 加速度， 豎向加速度幅值取為 2/3 水平向幅值， 地震動時程為 40 s, 采用 Newmark 平均加速度法進行壩體動力時程分析。 計算采用以下 4 種方案：方案 A, 無阻尼器；方案 B, 施加特征波速 300 m/s 的阻尼器；方案 C, 施加特征波速 100 m/s 的阻尼器；方案 D, 施加特征波速 30 m/s 的阻尼器。
2.4 結果分析與討論
表 2 為重力壩前 5 階自振頻率和周期。
4 種計算方案選擇壩頂上游節點為特征節點， 圖7~9 分別對應 3 種特征波速的特征點水平位移響應時程， 同時圖中也提供了無阻尼器方案特征點位移時程。 很明顯， 特征波速高的阻尼器減震效果明顯。 為了清晰表示減震， 圖 10 對比了 3 種安裝阻尼器減震方案效果對比， 圖中縱坐標為相應方案位移響應與方案 A 的位移響應差。 由此可見砂土液化阻尼器地震響應消峰效果十分明顯。 圖 11 為方案 A 壩下游折線處主拉應力時程， 圖 12 為方案 A 與方案 D 相應位置拉應力降幅時程。 應力降幅達 60%. 圖 13 為壩頂設置砂土液化阻尼器產生的特征點內力時程， 也就是阻尼器對壩頂施加的阻尼力。 重力壩安裝砂土液化阻尼器具有以下特點：
1） 當阻尼器液化波速為 300 m/s 時， 壩頂位移減振效果達到32%; 當阻尼器液化特征波速降至1/3時，壩頂位移減振效果達 10%, 也相應降低為 1/3; 當阻尼器液化波速降到 1/10 時， 壩頂位移減振效果約降至 1/10. 因此， 砂土液化特征波速是影響阻尼器減震效果的關鍵因素。
2） 當阻尼器液化波速為 300 m/s 時， 下游壩面折線處拉應力減少達到 60%, 能有效降低混凝土開裂風險； 當阻尼器液化特征波速分別降至1/3與1/10時，壩體相應位置應力的減震效果也相應降低。
3） 砂土液化阻尼器施加在壩頂節點的阻尼力幅值約為 30 kN, 相當應力 0.3 MPa, 遠小于混凝土強度。
3 結論
1） 振動臺試驗表明砂土液化阻尼器具有理想的阻尼特性， 可近似用線性阻尼模型表示， 液化黏度系數是阻尼器關鍵因素。
2） 重力壩有限元分析表明安裝砂土液化阻尼器的壩頂位移降幅近 1/3, 應力降幅更為明顯。
3） 砂土液化阻尼器工作原理簡單， 安裝方便，且不需要日常維護。
4） 為了更好發揮水箱阻尼器的性能， 需要進一步加強砂土液化阻尼器布置優化方案以及現場振動監測研究， 同時進一步開展水箱阻尼器振動臺不同尺度模型試驗也是需要的。
參考文獻：
1 陳厚群。 混凝土高壩抗震研究。 北京： 高等教育出版社， 2011.
2 中華人民共和國國家標準。 建筑抗震設計規范（GB 50011-2010）。 北京： 中國建筑出版社， 2010.
3 中華人民共和國行業標準。 水工建筑抗震設計規范（SL 203-97）。 北京： 中國水利水電出版社， 1997.
