基于新抗震規(guī)范的楊房溝高拱壩抗震安全分析與評價

黃熠輝，徐建軍，殷 亮，魏海寧，李德玉，張伯艷，葉 甜

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州311122；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京100048)

0 引 言

楊房溝水電站是我國首個以EPC模式建設(shè)的百萬千瓦級大型水電工程，水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內(nèi)的雅礱江中游河段上，是規(guī)劃中該河段的第6級水電站，工程的開發(fā)任務(wù)為發(fā)電。水庫總庫容為5.125億m3，總裝機(jī)容量為1 500 MW，楊房溝水電站為一等大(1)型工程。樞紐主要建筑物由擋水建筑物、泄洪消能建筑物及引水發(fā)電系統(tǒng)等組成，主要水工建筑物為1級建筑物。主體工程已于2016年1月1日正式開工，計劃2021年11月首臺機(jī)組發(fā)電。工程靜態(tài)投資約149億元，總投資約200億元。

擋水建筑物采用拋物線型混凝土雙曲變厚拱壩[1]，最大壩高155 m，河床建基面高程1 947 m，壩頂高程2 102 m。拱冠梁頂厚9 m、底厚32 m，厚高比0.206，壩頂中心線弧長362.17 m，弧高比2.34。結(jié)合招標(biāo)設(shè)計報告咨詢意見，施工圖階段拱壩體形在招標(biāo)設(shè)計體形基礎(chǔ)上進(jìn)行了建基面、拱圈中心角和拱端厚度的優(yōu)化調(diào)整，優(yōu)化后最大拱端厚34.90 m，最大中心角86.84°，壩體基本體形混凝土約75.81萬m3，柔度系數(shù)為13.2。

根據(jù)新頒布的NB 35047—2015《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱“現(xiàn)行抗震規(guī)范”)的相關(guān)規(guī)定，對施工圖階段優(yōu)化調(diào)整后的拱壩體形進(jìn)行抗震復(fù)核分析，揭示大壩的動力特性、地震反應(yīng)及壩肩的動力抗滑穩(wěn)定性，對楊房溝拱壩及壩肩的抗震安全進(jìn)行綜合評價。

1 設(shè)定地震場地相關(guān)反應(yīng)譜及人工地震波

DL 5073—2000《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱“原抗震規(guī)范”)給出的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計反應(yīng)譜適用于所有水工建筑物的抗震設(shè)計，各類建筑物分別按照其場地類別和建筑物類型確定其采用的反應(yīng)譜特征周期和反應(yīng)譜最大值。而在現(xiàn)行抗震規(guī)范中，根據(jù)工程重要性的不同，其設(shè)計反應(yīng)譜采用了不同的確定方式：對于應(yīng)作專門的地震安全性評價的工程抗震設(shè)防類別為甲類的工程，應(yīng)依據(jù)工程場址的具體地震地質(zhì)條件，采用基于設(shè)定地震方法確定其場地相關(guān)反應(yīng)譜作為設(shè)計反應(yīng)譜。

楊房溝大壩的工程抗震設(shè)防類別為甲類，其設(shè)計地震動參數(shù)應(yīng)依據(jù)專門的地震安全性評價成果確定。根據(jù)中國地震局地震預(yù)測研究所于2006年3月提交的《四川省雅礱江楊房溝水電站工程場地地震安全性評價報告》[2]，楊房溝大壩設(shè)計地震相應(yīng)的100年2%超越概率水平的基巖水平向地震動峰值加速度為0.309g。根據(jù)2009年4月提交的《楊房溝水電站壩址設(shè)計地震動參數(shù)補(bǔ)充工作報告》[3]，大壩校核地震(最大可信地震)相應(yīng)的100年1%超越概率水平的壩址基巖水平向峰值加速度為0.386g。據(jù)新頒布的GB18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，楊房溝水電站壩址區(qū)處在0.15g區(qū)內(nèi)，反應(yīng)譜特征周期為0.45 s，根據(jù)現(xiàn)行抗震規(guī)范特征周期調(diào)整表，楊房溝壩址標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜的特征周期調(diào)整為0.3 s。

楊房溝拱壩設(shè)計反應(yīng)譜應(yīng)根據(jù)設(shè)定地震方法研究確定，為大壩抗震設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

1.1 確定設(shè)定地震及場地相關(guān)設(shè)計反應(yīng)譜

根據(jù)各潛在震源區(qū)對壩址地震危險性貢獻(xiàn)值，對楊房溝壩址地震危險性的100年超越概率2%和1%貢獻(xiàn)最大的是均為10號7.0級前波北潛在震源區(qū)。遵循發(fā)生概率最大的原則，根據(jù)確定設(shè)定地震的主要步驟，考慮10號7.0級前波北潛在震源區(qū)對壩址的影響，得到楊房溝壩址設(shè)定地震的震級和震中距見表1。

表1 楊房溝水電站工程設(shè)定地震

從安全考慮，取逆斷上盤形式的放大系數(shù)譜β(T)為設(shè)定地震確定的楊房溝壩址的場地相關(guān)設(shè)計反應(yīng)譜(圖1)。將β(T)譜值乘以地震危險性概率計算不確定校正后的相應(yīng)概率水準(zhǔn)的地震動峰值加速度，得到楊房溝壩址的加速度反應(yīng)譜，見圖2。

圖1 楊房溝壩址設(shè)定地震放大系數(shù)

圖2 楊房溝壩址設(shè)定地震加速度反應(yīng)譜

1.2 基于場地相關(guān)設(shè)計反應(yīng)譜的人工地震波

根據(jù)確定的楊房溝大壩設(shè)計地震和最大可信(校核)地震場地相關(guān)反應(yīng)譜為目標(biāo)譜，采用人工地震動生成技術(shù)，按照現(xiàn)行抗震規(guī)范要求，分別生成了相應(yīng)于設(shè)計地震和最大可信(校核)地震的各3組3個分量的地震動時程。

2 大壩靜動力分析

2.1 基于拱梁分載法和線彈性有限元法的大壩整體動力分析

通過對拱壩進(jìn)行拱梁分載法和整體三維線彈性有限元法分析，可知：

(1)拱梁分載法與有限元法得出兩種壩前水位的大壩自振頻率吻合良好，相當(dāng)接近。大壩基本振型呈反對稱(橫河向)，反映了一般雙曲高拱壩的特點(diǎn)。

(2)正常蓄水位靜態(tài)組合下，大壩最大徑向位移4～5 cm，發(fā)生位置位于中上部高程2 060～2 080 m拱冠部位；設(shè)計地震作用下，最大徑向位移分別為7.81(拱梁分載法)、7.21 cm(有限元)，出現(xiàn)在壩頂拱冠處。

(3)設(shè)計地震標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜法作用下，正常蓄水位溫降工況拱梁分載法靜動綜合上游面最大主拉、壓應(yīng)力分別為8.16、11.97 MPa，下游面則分別為5.56、8.96 MPa；最大主拉、壓應(yīng)力發(fā)生于上部高程拱冠附近。溫升與溫降相比，靜動綜合主拉應(yīng)力有所降低而主壓應(yīng)力略有提高；有限元法結(jié)果給出了與拱梁分載法大致相同的應(yīng)力分布規(guī)律，上游面壩頂拱冠附近及下游面上部高程左、右1/4拱圈附近出現(xiàn)超過5 MPa的高拉應(yīng)力區(qū)，上游面上部高程拱冠附近出現(xiàn)大于10 MPa的高壓應(yīng)力區(qū)，此外在壩踵、壩趾區(qū)域出現(xiàn)范圍不大的高拉、壓應(yīng)力集中區(qū)域。

2.2 計入地基輻射阻尼和橫縫張開影響的大壩非線性動力分析

常規(guī)分析表明大壩中上部動力放大效應(yīng)明顯，借鑒類似工程經(jīng)驗(yàn)以粘彈性邊界吸收散射波以考慮無限地基幅射阻尼的作用，以LDDA動接觸理論模擬橫縫非線性張開，進(jìn)行大壩結(jié)構(gòu)動力有限元模擬分析[4]，所建模型如圖3所示，大壩橫縫布置及編號如圖4所示。

圖3 楊房溝大壩壩體—地基體系有限元網(wǎng)格模型

圖4 大壩橫縫布置及編號示意

靜荷載作用下，分縫壩主拉主壓應(yīng)力均不大，最大主拉應(yīng)力1.18 MPa，只出現(xiàn)在1 955 m高程左岸上游拱端局部區(qū)域，最大主壓應(yīng)力7.15 MPa，出現(xiàn)在下游面1 953 m高程拱冠右側(cè)；最大順河向位移為4.86 cm，與試載法計算結(jié)果接近。

設(shè)計地震作用下，考慮輻射阻尼和分縫，多種工況和地震波下，上游面靜動綜合最大主拉應(yīng)力4.35 MPa(與類似拱壩工程相比相對較小)，發(fā)生于1 955 m高程左拱端(見圖5a)，超過拉應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)2.6 MPa的范圍為壩基1 980 m高程以下壩踵附近10 m厚度范圍，接近大壩帷幕灌漿線位置，但由于壩基交接面處，存在有限元應(yīng)力集中效應(yīng)，其應(yīng)力值難以作為抗震設(shè)計的依據(jù)，考慮混凝土材料非線性及損傷分析后，根據(jù)類似拱壩工程經(jīng)驗(yàn)，拉應(yīng)力數(shù)值和分布范圍可減小，不會對壩基防滲帷幕產(chǎn)生不利的影響。下游面靜動綜合最大主壓應(yīng)力為9.41 MPa，發(fā)生在2 013 m高程左拱端(見圖5b)，小于應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 設(shè)計地震作用下大壩靜動綜合主應(yīng)力等值線(正常蓄水位溫降工況)

設(shè)計地震作用下，橫縫最大張開度約為8.7 mm，見圖6，橫縫張開范圍上游面在2 020 m高程以上，下游面在2 060 m高程以上；地震作用下的橫縫張開度處于類似拱壩工程中等水平，橫縫的開合不會破壞橫縫止水設(shè)施。

圖6 設(shè)計地震作用下各工況橫縫張開度沿頂拱分布

校核地震作用下，壩體橫縫張開度、壩體應(yīng)力反應(yīng)均有所增大，橫縫最大張開度為13 mm，不會破壞橫縫止水設(shè)施，壩體最大主拉應(yīng)力為5.85 MPa，發(fā)生于1 955 m高程上游面左拱端，超過大壩混凝土的動態(tài)抗拉強(qiáng)度的范圍均較??；壩體最大主壓應(yīng)力10.36 MPa，小于大壩混凝土的動態(tài)抗壓強(qiáng)度，發(fā)生在2 013 m高程下游面左拱端。

3 壩肩動力抗滑穩(wěn)定分析

3.1 基于振型分解反應(yīng)譜的剛體極限平衡法分析

采用基于振型分解反應(yīng)譜法的三維剛體極限平衡法，對拱壩壩肩左、右岸各潛在滑動塊體在正常蓄水位情況下進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析，成果表明：

(1)靜力工況壩肩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均較大，大于拱壩設(shè)計規(guī)范[5]規(guī)定的3.5(按剛體極限平衡的剪摩公式)。

(2)設(shè)計地震作用下，在各種遇合系數(shù)組合情況下，右岸各滑塊的動態(tài)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于現(xiàn)行抗震規(guī)范規(guī)定的1.31。左岸滑塊1、滑塊3和滑塊6的動態(tài)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最小值分別為1.14、1.27和1.20，小于1.31，左岸其余滑塊的動態(tài)穩(wěn)定安全系數(shù)大于1.31。施工圖階段按照現(xiàn)行抗震規(guī)范規(guī)定采用的設(shè)定地震場地相關(guān)反應(yīng)譜較原規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計反應(yīng)譜，在大壩主振周期范圍內(nèi)有較大增加，致使拱端動態(tài)推力增加較為顯著，導(dǎo)致各滑塊的動態(tài)穩(wěn)定安全系數(shù)均有所降低。

3.2 基于時程分析的時域剛體極限平衡法分析

由上述采用基于振型分解反應(yīng)譜法的拱梁分載法的拱推力進(jìn)行壩肩穩(wěn)定分析結(jié)果可見，設(shè)計地震下左岸部分滑塊的動力抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)偏低。因此，遵循現(xiàn)行抗震規(guī)范8.1.10的規(guī)定，采用基于時程分析法的時域剛體極限平衡法對左岸滑塊1、滑塊3和滑塊6進(jìn)行分析，根據(jù)穩(wěn)定指標(biāo)超標(biāo)的持續(xù)時間和程度，綜合評判拱座潛在滑動巖塊的抗滑穩(wěn)定性及其對大壩整體安全性的影響。在時程分析法中，拱端推力的時程系采用有限單元法時程分析得到，巖體慣性力時程為3組人工地震加速度波與滑動塊體質(zhì)量的乘積。

表2為對左岸滑塊1、滑塊3和滑塊6進(jìn)行的基于時程分析法的時域剛體極限平衡法計算成果，可知，3個塊體穩(wěn)定安全系數(shù)小于1.31的時間總和與地震總持時的比例很小，最大不超過0.7%，且在每個超標(biāo)段內(nèi)的持時更短，如此短暫的瞬間滑動所累積的殘余變形尚不至導(dǎo)致壩肩失去穩(wěn)定。通過國內(nèi)類似拱壩工程壩肩塊體時域剛體極限平衡法分析成果類比可看出，楊房溝拱壩壩肩塊體動力穩(wěn)定安全系數(shù)小于1.31占時比例處在類似工程中間水平。

表2 設(shè)計地震下塊體最小安全系數(shù)以及超標(biāo)持時占地震總持時的比例

4 結(jié) 語

根據(jù)現(xiàn)行抗震規(guī)范要求，采用基于設(shè)定地震方法確定的場地相關(guān)反應(yīng)譜及人工地震波，考慮壩體橫縫張開和地基輻射阻尼效應(yīng)影響后，楊房溝拱壩的地震動力響應(yīng)明顯降低，常規(guī)線彈性分析在大壩中上部拱冠附近出現(xiàn)的大范圍高拉應(yīng)力區(qū)不復(fù)存在，拱壩在地震作用下的應(yīng)力狀態(tài)可以滿足設(shè)計要求；大壩橫縫張開度不大，在橫縫止水可允許的變形范圍之內(nèi)；在設(shè)計地震作用下，拱壩壩肩動力抗滑穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。因此，在設(shè)計地震作用下，施工圖階段楊房溝拱壩優(yōu)化體形的抗震安全是可以保證的。