廈門抽水蓄能電站面板堆石壩動力分析抗震評價

張顯羽，駱曉鋒，孫立昌，李 凌

（1.福建抽水蓄能有限公司，福建省廈門市 361000；2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇省南京市 210098）

0 前言

抽水蓄能電站是一種在電力負(fù)荷低谷期，使用電能將水運送至上水庫，然后在電力負(fù)荷高峰期，再向下水庫釋放水從而用以發(fā)電的一種水電站，也稱蓄能式水電站。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷較低時，它可以把冗余電能轉(zhuǎn)換為高峰期的高價值電能。雖然在這個過程當(dāng)中，能量轉(zhuǎn)換損耗（效率一般為70%左右）是不可避免的，但其優(yōu)良的經(jīng)濟性和顯著改善高峰期用電緊張的優(yōu)點，正在被越來越多的人認(rèn)知，將成為中國有效且不可或缺的電力調(diào)節(jié)方式[1，2]。考慮到蓄水方便，運營調(diào)度合理等因素，水庫多建在山地中，地質(zhì)條件一般較差。面板堆石壩有工期短、成本低、對地形的適應(yīng)能力較強等優(yōu)點，因此作為蓄水電站的壩型[3]。

近年來，大壩的抗震安全備受關(guān)注。在地震作用下，松散堆石體會發(fā)生坍塌、陷落等問題，從而影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[4]。本文針對福建廈門抽水蓄能電站的下水庫面板堆石壩，在靜力分析基礎(chǔ)上，采用動力時程分析法和等效非線性粘彈性模型，計算分析地震情況下的地震反應(yīng)，評價其抗震安全性。

1 工程概況

福建廈門抽水蓄能電站位于福建省廈門市同安區(qū)汀溪鎮(zhèn)境內(nèi)，樞紐工程主要由上、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房及開關(guān)站組成。下水庫大壩壩型為混凝土面板堆石壩，最大壩高95.5m。主廠房內(nèi)安裝4臺單機容量為350MW的水泵/水輪機組，總裝機容量1400MW，最大水頭（一臺空載）591.9m，最小水頭521.1m，額定水頭545m。工程等別為一等大（1）型工程，主要永久性建筑物為1級水工建筑物，次要永久性建筑物為3級水工建筑物。

樞紐場區(qū)基巖50年超越概率10%的地震動峰值加速度為100.9gal，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度；設(shè)計地震（100年超越概率2%）動水平加速度峰值為226gal，校核地震（100年超越概率1%）動水平加速度峰值為271.2gal，其相應(yīng)的地震烈度均為Ⅷ度。本次計算采用設(shè)計地震情況分析，即取基準(zhǔn)期100年超越概率2%的地震動參數(shù)作為抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[5]。

2 計算模型

2.1 壩體布置

下水庫大壩壩型為混凝土面板堆石壩，壩頂高程311.50m，上游設(shè)防浪墻，墻頂高程312.70m，防浪墻高4.7m（壩頂以上1.2m）。大壩最大壩高95.5m，壩頂長度346.10m，壩頂寬度10m，左壩頭與溢洪道交通橋連接，右壩頭與環(huán)庫公路連接。壩頂路面為混凝土結(jié)構(gòu)，厚0.26m，下設(shè)0.32m厚水泥碎石穩(wěn)定基層和0.18m厚碎石墊層。下水庫混凝土面板堆石壩典型剖面圖如圖1所示。

圖1 下水庫混凝土面板堆石壩標(biāo)準(zhǔn)剖面圖Figure 1 Standard profile of concrete face rockfill dam of reservoir

2.2 計算方法及參數(shù)

根據(jù)實際情況和特點，建立下水庫面板堆石壩壩體和壩基的三維有限元模型?；炷粒ǚ览藟?、面板等）和基巖按線性材料考慮，采用線彈性模型（參數(shù)見表1）；壩體材料（墊層、過渡層、主堆石區(qū)、下游堆石區(qū)等）、地基覆蓋層及壩后回填料區(qū)按非線性材料考慮，均采用鄧肯-張E-B模型（參數(shù)見表2）；本構(gòu)模型及參數(shù)選用河海大學(xué)的試驗成果[6]。面板與防浪墻之間（周邊縫）接縫采用接縫模型。

表1 材料線性本構(gòu)關(guān)系的計算參數(shù)Table 1 Calculating parameters of linear constitutive relation of materials

表2 壩體填筑材料三維有限元靜力計算參數(shù)（鄧肯-張E-B模型）Table 2 Three-dimensional finite element static calculation parameters of dam filling materials（Duncan-Chang E-B model）

其中：ρ為干密度，φо為初始內(nèi)摩擦角，Δφ為圍壓增加一個對數(shù)周期下摩擦角的減小值，K、n、Kb、m為實驗參數(shù)，Rf為破壞比。

動力分析采用國內(nèi)外廣泛使用的等價非線性粘彈性模型。根據(jù)設(shè)計提供的試驗參數(shù)，選取壩料的動力特性參數(shù)如表3所示，其他所缺土料參數(shù)則根據(jù)土料靜力特性相近的原則參照類似土料選取[7]。

表3 下水庫壩料動力有限元計算參數(shù)（沈珠江模型）Table 3 Dynamic finite element calculation parameters of reservoir dam materials（Shenzhujiang model）

其中：λmax為最大阻尼比，νd為泊松比，K1、K2、n、C1、C2、C3、C4、C5均為實驗參數(shù)。

2.3 模型

計算模型的邊界范圍如下：

（1） 垂直方向地基取至高程66m；

（2） 上、下游邊界自河床最大斷面處上、下游坡腳分別向上、下游各延伸200m；

（3） 兩岸邊界取至壩端向外延伸150m；

（4） 壩體和壩基材料分區(qū)依據(jù)設(shè)計提供的資料，包括斷面、地質(zhì)剖面等。

建模時，不計開挖回彈和覆蓋層清除所帶來的影響，忽略基巖局部凹凸，壩體下游坡取平均坡比。面板、墊層、堆石體等其他分區(qū)按設(shè)計尺寸模擬。根據(jù)面板的寬度和壩體分層填筑分級加載的需要切取斷面，壩基和兩岸壩肩巖體采用超單元自動剖分或人工剖分，形成有限元網(wǎng)格。離散后，計算模型結(jié)點總數(shù)86148個，單元總數(shù)84290個。計算模型有限元網(wǎng)格如圖2所示，典型斷面壩的有限元網(wǎng)格如圖3所示。

圖2 計算模型有限元網(wǎng)格Figure 2 Finite element mesh of computational model

圖3 典型斷面有限元網(wǎng)格Figure 3 Finite element mesh of typical section

計算按照施工順序，結(jié)合壩體單元剖分情況，確定荷載分級，從而模擬大壩填筑、面板澆筑及蓄水運行過程。整個壩體施工（包括地基覆蓋層）和蓄水過程分為27級，每一荷載級均一次性加載，采用中點增量法，以便較好地模擬加載過程。

3 靜力計算成果分析

位移正負(fù)號規(guī)定為：順溝谷向水平位移以指向下游為正，壩軸線向水平位移以指向左岸為正，垂直位移以向上為正，單位為mm。應(yīng)力正負(fù)號規(guī)定為：壓應(yīng)力為正，拉應(yīng)力為負(fù)，單位為kPa。

竣工期，壩體典型斷面位移分布如圖4所示。該工況下壩體整體向下游移動，典型斷面上，順溝谷向指向下游的最大水平位移為206.0mm，位于壩體下游側(cè)次堆石區(qū)底部附近區(qū)域。壩軸線向壩體位移最大值為56.6mm，發(fā)生在距壩軸線下游約13m、高程266m附近。壩體最大垂直位移（沉降）為-358.6mm，占最大壩高0.37%，發(fā)生在壩軸線下游26m、1/2壩高附近。

圖4 竣工期典型斷面位移分布（單位：mm）Figure 4 Displacement distribution of typical section in completion period（Unit：mm）

運行期工況中，在水壓力作用下，壩體的水平位移整體傾向下游；蓄水過程中，壩體位移隨蓄水水位的增高而逐漸增加。運行期正常蓄水位下，壩體典型斷面位移分布如圖5所示。壩體順溝谷向指向下游的最大水平位移為239.0mm；壩體壩軸線向位移最大為54.2mm；壩體的最大垂直位移（沉降）為-360.3mm，占最大壩高0.38%，仍發(fā)生在壩軸線下游26m、1/2壩高附近。

4 動力計算成果分析

計算工況選取庫水位為正常蓄水位時，對100年超越概率2%的地震作用設(shè)計工況進行計算，輸入地震波的基巖水平向地震動峰值加速度為226gal。

圖5 正常蓄水位典型斷面位移分布（單位：mm）Figure 5 Displacement distribution of typical section of normal storage water level（Unit：mm）

圖6 典型斷面最大絕對加速度反應(yīng)分布（單位：m·s-2）Figure 6 Distribution of maximum absolute acceleration response in typical section（Unit：m·s-2）

圖7 典型斷面最大位移反應(yīng)分布（單位：mm）Figure 7 Distribution of maximum displacement response of typical section（Unit：mm）

4.1 加速度反應(yīng)

壩體典型斷面的最大絕對加速度分布如圖6所示，包括順溝谷向、壩軸線向和垂直向最大絕對加速度分布。壩體加速度反應(yīng)在三個方向均較為強烈，且在溝谷最深部位的壩頂附近最大。典型斷面上，堆石體順溝谷向的最大絕對加速度最大值為8.0m/s2，加速度放大倍數(shù)3.62，發(fā)生在壩頂下游附近；壩軸線向的最大絕對加速度最大值為6.4m/s2，加速度放大倍數(shù)2.89，發(fā)生在壩頂下游附近；壩體垂直向的最大絕對加速度最大值為3.8m/s2，加速度放大倍數(shù)2.52，發(fā)生在壩頂下游附近。

4.2 位移反應(yīng)

壩體典型斷面的最大位移反應(yīng)分布如圖7所示，包括順溝谷向、壩軸線向和垂直向最大位移反應(yīng)分布。堆石體的順溝谷向位移反應(yīng)的最大值為114.7mm，發(fā)生在壩頂下游附近；壩軸線向位移反應(yīng)的最大值為60.6mm，發(fā)生在壩頂附近；垂直向位移反應(yīng)的最大值為25.2mm，發(fā)生在壩頂下游附近。從堆石體斷面的最大位移反應(yīng)分布來看，其位移反應(yīng)不大，其中垂直向的位移反應(yīng)最小，順溝谷向的位移反應(yīng)最大。

4.3 應(yīng)力反應(yīng)

壩體典型斷面的最大主應(yīng)力反應(yīng)分布如圖8所示，包括最大第一主應(yīng)力反應(yīng)、第三主應(yīng)力反應(yīng)和剪應(yīng)力分布?？傮w來說堆石體應(yīng)力反應(yīng)較小，典型斷面上的最大第一主應(yīng)力反應(yīng)為370.9kPa，最大第三主應(yīng)力反應(yīng)為112.6kPa，最大剪應(yīng)力反應(yīng)為301.6kPa。

圖8 壩體典型斷面應(yīng)力反應(yīng)分布（單位：kPa）Figure 8 Stress response distribution of typical section of dam body（Unit：kPa）

4.4 永久變形

壩體典型斷面的地震永久變形分布如圖9所示，包括順溝谷向和垂直向變形。地震后，壩體的最大永久水平位移順溝谷向為向下游92.2mm，最大永久垂直位移即沉降為196.54mm。按最大壩高95.5m計算，壩體地震永久沉降約為壩高的0.2%。

圖9 壩體典型斷面地震永久變形分布（單位：mm）Figure 9 Distribution of seismic permanent deformation of typical section of dam body（Unit：mm）

5 結(jié)論與建議

（1）建立了廈門抽水蓄能電站下水庫混凝土面板堆石壩的有限元模型，從三維有限元靜力分析結(jié)果看，下水庫堆石壩未發(fā)現(xiàn)有特殊不利的性態(tài)，壩體的位移分布規(guī)律性較好，符合一般規(guī)律，設(shè)計方案在技術(shù)上是合理的。

（2）在地震作用下，壩體加速度反應(yīng)在順溝谷向、壩軸線向（橫河向）和垂直向均較為強烈，且在溝谷最深部位的壩頂附近最大。從壩體典型斷面絕對加速度分布來看，壩體下游坡的加速度反應(yīng)大于上游坡。從典型斷面的最大位移反應(yīng)分布來看，其位移反應(yīng)不大，其中垂直向的位移反應(yīng)最小，順溝谷向的位移反應(yīng)最大。地震期間，堆石體應(yīng)力反應(yīng)較小。壩體各單元不會產(chǎn)生動力剪切破壞。從典型斷面的永久變形來看，地震永久沉降不大，為壩高的0.2%。

（3）溝谷最深處附近壩頂及壩頂下游坡區(qū)域的加速度反應(yīng)比較大。在強震作用下，上述區(qū)域堆石存在松動的可能性。由于壩頂有防浪墻，下游有壩后任意料區(qū)等加固措施，因此，發(fā)生嚴(yán)重地震破壞的可能性很小，壩體下游坡不會出現(xiàn)滑動破壞的情況，可以不采取其他抗震措施[8]。該設(shè)計方案是合理的，符合抗震要求。