楊房溝拱壩抗震安全分析與評價

于 青，黃熠輝，何明杰，王建新，殷 亮

（中國水電顧問集團華東勘測設(shè)計研究院，浙江 杭州 310014）

1 工程概況

楊房溝水電站為雅礱江中游河段一庫六級開發(fā)的第五級，工程的開發(fā)任務(wù)為發(fā)電。水庫總庫容為5.125億m3，電站裝機容量為1 500 MW。工程為Ⅰ等大（1）型工程，樞紐建筑物主要由混凝土雙曲拱壩，壩身泄洪表、中孔，壩下水墊塘和左岸岸邊進出水口及地下引水發(fā)電系統(tǒng)組成?；炷岭p曲拱壩最大壩高155 m，拱冠梁頂厚9.00 m，底厚32.00 m，水平拱圈采用拋物線，頂拱中心線弧長361.6 m，最大中心角87.90°，厚高比0.206，弧高比2.33。

壩址處河谷狹窄，岸坡陡峻，兩岸地形較完整，河谷寬高比為1.53～2.05。壩址區(qū)均為花崗閃長巖，其飽和抗壓強度為52～82 MPa，巖體堅硬。巖體呈塊狀或次塊狀，中厚層結(jié)構(gòu)或鑲嵌結(jié)構(gòu)。

2 地震動參數(shù)及抗震分析方法

根據(jù)DL5180-2003《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全標(biāo)準(zhǔn)》及DL5073-2000《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，考慮到該工程區(qū)域地震基本烈度為Ⅶ度，壅水建筑物為1級建筑物，因此拱壩抗震設(shè)防類別為甲類。楊房溝水電站工程設(shè)防依據(jù)是采用專門的地震危險性分析提供的基巖峰值加速度成果進行評定的。結(jié)合楊房溝水電站工程規(guī)模，混凝土雙曲拱壩設(shè)計地震以100年為基準(zhǔn)期，超越概率為2%確定設(shè)計概率水準(zhǔn)，相應(yīng)的地震水平加速度為302.4 gal。校核地震以100年為基準(zhǔn)期，超越概率為1%確定設(shè)計概率水準(zhǔn)，相應(yīng)的地震水平加速度為378.4 gal。

由于楊房溝混凝土拱壩壩高已達155 m，且抗震設(shè)防水平也較高，拱壩結(jié)構(gòu)的抗震安全性對工程的安全與經(jīng)濟性評價起著重要作用，因此委托中國水利水電科學(xué)研究院對楊房溝拱壩進行抗震動力分析。除按現(xiàn)行抗震規(guī)范進行拱梁分載法以及線彈性有限元法進行抗震分析外，還進行了計入壩體橫縫張開和無限地基輻射阻尼影響的非線性有限元動力分析。

3 拱壩動力反應(yīng)分析

3.1 按現(xiàn)行抗震規(guī)范進行分析

3.1.1 壩體動力特性

針對水庫正常蓄水位和發(fā)電死水位兩種情況，采用動力試載法和有限元法分別計算了大壩前8階自振特性。計算結(jié)果總結(jié)如下：

1）動力試載法與有限元法計算得到的2種壩前水位的大壩自振頻率吻合良好，相當(dāng)接近；第一階自振頻率在2.0 Hz左右。

2）大壩基本振型呈反對稱振型，反映了楊房溝拱壩高度大，壩體較薄的雙曲拱壩特點。

3）2種不同壩前水位相比，由于水位降低導(dǎo)致上游壩面水體附加質(zhì)量的減小，發(fā)電死水位的自振頻率比正常蓄水位的自振頻率略有提高。由于2種水位差異不大，大壩自振頻率變化不大，基頻僅相差3%。

3.1.2 拱壩動力反應(yīng)分析

采用動力試載法和有限元法進行大壩動力反應(yīng)譜分析，得出以下結(jié)論：

1）地震作用下壩體最大徑向位移介于6～7 cm之間，均出現(xiàn)在壩頂拱冠處；由于設(shè)計地震水平較高，楊房溝拱壩動態(tài)拱、梁應(yīng)力相對較大，最大拱向應(yīng)力6～7 MPa，最大梁向應(yīng)力3～4 MPa。從應(yīng)力分布來看，上游面拱向動應(yīng)力最大值發(fā)生于頂拱拱冠附近，下游面拱向動應(yīng)力最大值發(fā)生于頂拱拱冠或1/4拱圈附近，而梁向動應(yīng)力一般發(fā)生于中部高程拱冠附近，符合拱壩動態(tài)應(yīng)力分布規(guī)律。有限元法除在壩踵、壩趾附近存在應(yīng)力集中現(xiàn)象外，其余部位試載法結(jié)果一般略大于有限元法，2種方法得出了比較接近分布規(guī)律。發(fā)電死水位工況壩體地震動力反應(yīng)較正常蓄水位時略有下降，但降幅很小，最大徑向動態(tài)位移、最大動態(tài)拱梁應(yīng)力的降幅均不超過3%。有限元法得出了相同的規(guī)律。

2）設(shè)計地震正常蓄水位工況試載法得到的靜動綜合上、下游面最大主拉應(yīng)力為5.18 MPa和3.57 MPa，均大于應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)；靜動綜合上、下游面最大主壓應(yīng)力分別為9.49 MPa和8.05 MPa，均小于控制標(biāo)準(zhǔn)，滿足規(guī)范要求。有限元法得出了與試載法大致相同的應(yīng)力分布規(guī)律，但在壩踵、壩趾區(qū)域出現(xiàn)范圍不大的高拉、壓應(yīng)力集中區(qū)域。發(fā)電死水位工況試載法結(jié)果顯示，大壩靜動綜合上、下游面主拉應(yīng)力略有增加，但增幅不超過5%；靜動綜合主壓應(yīng)力則略有減小，最大降幅約為6%。有限元法結(jié)果的降幅略大于試載法，上游壩踵處的靜動綜合主拉應(yīng)力減小了約13%，上游壩頂拱冠處的靜動綜合最大主壓應(yīng)力則減小約11%。設(shè)計地震下壩體上、下游面的抗拉強度均有部分區(qū)域不能滿足現(xiàn)行抗震規(guī)范要求，但壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

3）與設(shè)計地震作用下的結(jié)果相比，校核地震作用下大壩動態(tài)位移、應(yīng)力以及靜動綜合應(yīng)力反應(yīng)均有所提高，大壩靜動綜合的拉應(yīng)力增幅大于壓應(yīng)力增幅。校核地震下壩體上、下游面的抗拉強度均有部分區(qū)域不能滿足現(xiàn)行抗震規(guī)范要求，但壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

3.2 計入地基輻射阻尼和橫縫張開影響的分析

通過以LDDA模擬拱壩橫縫、以粘彈性邊界為吸能邊界的時域有限元計算,得出考慮地基輻射阻尼和橫縫張開影響的拱壩非線性有限元動力分析成果。通過成果分析，得出：

1）無限地基輻射阻尼效應(yīng)使得大壩地震動力響應(yīng)顯著降低。正常水位和死水位條件下，考慮無限地基幅射阻尼的影響，總體上動拱梁應(yīng)力都有較大幅度的降低，最大降幅為40%～50%。

2）壩體橫縫張開對大壩地震動力響應(yīng)影響很大，死水位時更顯著些。橫縫張開使得拱向拉應(yīng)力與不計橫縫影響的整體壩的拱向最大動態(tài)拉應(yīng)力比較有明顯降低，這種效應(yīng)使得按常規(guī)線彈性分析的大壩中上部高程的高水平拉應(yīng)力區(qū)消失。同時橫縫張開也導(dǎo)致大壩梁向動態(tài)拉應(yīng)力有不同程度的增加，其中尤以下游面增加更為顯著。

3）死水位時大壩橫縫張開度較正常蓄水位時大，且最大值均出現(xiàn)在壩頂拱冠附近。設(shè)計地震規(guī)范譜人工波作用下，死水位時下游面橫縫張開范圍約為2 060 m高程以上，上游面橫縫張開范圍2 040 m高程以上，總體看來出現(xiàn)橫縫張開的范圍較小。橫縫最大張開度為6 mm，根據(jù)當(dāng)前橫縫止水設(shè)計和制造水平，楊房溝大壩地震時橫縫張開應(yīng)該在可允許的變形范圍之內(nèi)。

4）受橫縫張開和無限地基輻射阻尼效應(yīng)的綜合影響，常規(guī)線彈性分析出現(xiàn)在壩體中上部高程大范圍的高拉應(yīng)力區(qū)消失。下游壩面最大主拉應(yīng)力為0.98 MPa，小于C9025混凝土動態(tài)抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值2.35 MPa；而上游面壩基交接面附近最大主拉應(yīng)力最大值為4.56 MPa，壩基交接面附近最大主應(yīng)力大于2.80 MPa（C9030混凝土的容許動態(tài)抗拉強度）的區(qū)域較小，主應(yīng)力大于2.80 MPa的區(qū)域沿壩高方向距建基面不超過15 m。

5）不管是整體壩還是分縫壩，大壩靜動綜合最大壓應(yīng)力不超過12MPa，對大壩抗震安全不起控制作用。

6）對比分縫壩設(shè)計地震柯依那地震波與規(guī)范譜人工波作用可見，柯依那地震波作用下最大主拉、壓應(yīng)力均有減小，柯依那波作用工況不是控制工況。

7）對比分縫壩設(shè)計地震洛馬普利塔地震波與規(guī)范譜人工波作用可見，洛馬普利塔地震波作用下最大主拉應(yīng)力稍有減小，最大主壓應(yīng)力略有增加；在洛馬普列塔波作用下，壩體上游面1 980 m高程以上壩基交接部位最大主拉應(yīng)力大于對應(yīng)的規(guī)范譜人工波作用下的最大主拉應(yīng)力；而在1 980 m高程以下，洛馬普列塔波作用下壩體上游面壩基交接部位最大主拉應(yīng)力小于對應(yīng)的規(guī)范譜人工波作用下的最大主拉應(yīng)力。

8）對比分縫壩校核地震與設(shè)計地震工況可知，校核地震時，上、下游面最大主拉應(yīng)力較設(shè)計地震時分別增加0.71 MPa和0.54 MPa；上、下游面最大主壓應(yīng)力較設(shè)計地震時分別增加8.3%和7.8%?？傮w來講，計入無限地基輻射阻尼影響后，盡管校核地震下大壩靜動綜合拉應(yīng)力較設(shè)計地震有所增加，但增幅不大，除去壩踵局部區(qū)域外，壩體最大拉應(yīng)力未超過大壩混凝土的動態(tài)抗拉強度。

4 拱壩抗震安全評價

本文通過拱梁分載法及有限元法對楊房溝拱壩進行地震作用下的動力分析，總體評價如下：

1）設(shè)計地震作用試載法得出的壩體上、下游面最大主拉應(yīng)力為5.18 MPa和3.57 MPa，出現(xiàn)于拱壩上部拱圈中部范圍；壩體上、下游面最大主壓應(yīng)力分別為9.48 MPa和8.05 MPa，小于應(yīng)力控制值。校核地震作用下大壩反應(yīng)均有所提高。

2）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，大壩橫縫張開度也不大，最大張開度為6 mm，應(yīng)該在橫縫止水可允許的變形范圍之內(nèi)。高拉應(yīng)力區(qū)僅集中于河床上游面壩基交接面附近，超2.80 MPa(C9030混凝土的容許動態(tài)抗拉強度）的范圍相對較小，最大主拉應(yīng)力最大值為4.56 MPa，考慮到有限元分析存在的應(yīng)力集中問題，壩踵的實際應(yīng)力應(yīng)小于計算值。另外，拱壩作為一種高次超靜定結(jié)構(gòu)，強震時即使壩體局部拉應(yīng)力較大導(dǎo)致壩體開裂，壩體也具有較強的應(yīng)力調(diào)整能力。

3）與同類工程抗震分析成果比較，楊房溝拱壩橫縫開度相對較小，下游面最大主應(yīng)力也是較小的，上游面最大主應(yīng)力居中等水平，出現(xiàn)的部位與其它工程類似，均處于壩基交界范圍。

綜上所述，楊房溝拱壩在地震作用下壩體變形和應(yīng)力同國內(nèi)類似工程比較均處于中等水平，大壩的抗震安全性可以得到保證。

［1］DL/T 5346-2006,混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］DL5073-2000,水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］李瓚，王光綸，等.混凝土拱壩設(shè)計［M］.北京：中國電力出版社，2000.

［4］李德玉，陳厚群.高拱壩抗震動力分析和安全評價［J］.水利水電技術(shù)，2004（1）.

［5］中國水利水電科學(xué)研究院.高拱壩地基地震能量逸散影響的研究［R］.“九五”國家重點科技攻關(guān)項目報告95-221-03-02-01（1），1999.

［6］古泉，王光綸，徐艷杰.強震作用下高拱壩橫縫張開非線性反應(yīng)的研究［J］.水利水電技術(shù)，2001（9）.