天花板碾壓混凝土雙曲拱壩抗震設(shè)計

林健勇，蘇 巖，周飛平，楊子強

（中國水電顧問集團北京勘測設(shè)計研究院，北京 100024）

天花板水電站為三等中型工程，攔河壩及泄洪建筑物等主要建筑物為3級建筑物。其中，攔河壩為碾壓混凝土雙曲拱壩，最大壩高107.0 m，壩軸線長159.87 m，拱冠梁頂寬6.005 m，拱壩最大中心角 93.3°，拱冠梁底寬22.643 m，拱端最大厚度24.086 m，厚高比0.212。泄洪建筑物由相間布置的3個表孔、2個中孔組成，正對主河床，集中布置于壩體中部，壩后僅設(shè)混凝土短護坦。

工程區(qū)的地震基本烈度為Ⅷ度，電站設(shè)計烈度為7度，工程抗震設(shè)防類別為丙類。50年超越概率10%的地震動參數(shù)為0.143 g，50年超越概率5%的地震動參數(shù)為0.177 g。

1 抗震性能研究

1.1 研究方法

本電站攔河壩為100 m級高壩，壩身設(shè)有集中布置的泄洪排沙建筑物，體形結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。施工詳圖階段，根據(jù)攔河壩實際開挖及體形調(diào)整情況，再次進行了防震抗震分析的專題研究工作。采用了如下兩種研究方法：

（1）拱梁分載法。可研階段采用拱壩體形優(yōu)化系統(tǒng)程序 （ADASO）進行了五向調(diào)整的拱梁分載法壩體應(yīng)力分析計算和壩體體形優(yōu)化設(shè)計工作；施工詳圖階段根據(jù)壩基巖體質(zhì)量分類的變化情況及其拱壩體形的局部的調(diào)整，采用ADASO程序重新進行了拱梁分載法的壩體應(yīng)力分析計算，并對設(shè)計地震工況時壩體應(yīng)力狀態(tài)進行了復(fù)核。

（2）有限元法壩體動力分析。 ①對壩體進行整體三維彈性有限元動力分析，研究拱壩的動力特性。采用振型分解反應(yīng)譜理論計算方法進行拱壩結(jié)構(gòu)抗震計算，分析拱壩的動位移和動應(yīng)力。 ②基于非線性動力分析軟件，考慮無限地基輻射阻尼的影響，邊界采用等效三維一致粘彈性邊界，按橫縫接觸算法及時程分析方法，對拱壩進行三維非線性地震反應(yīng)分析，研究分縫拱壩在7度地震時的地震響應(yīng)。

1.2 計算工況

根據(jù)水電工程地震設(shè)防要遵循 “確保安全，留有裕度”的原則，天花板水電站拱壩在抗震復(fù)核時，按50年超越概率10%的地震動參數(shù)做為設(shè)計地震。同時，研究了在遭遇超標準的地震情況下壩體的應(yīng)力狀態(tài)，按50年超越概率5%計。在有限元法壩體動力分析時，分別對拱壩在正常蓄水位1 071.0 m和死水位1 050.0 m時，在場地譜地震波作用下的設(shè)計地震工況和校核地震工況的地震動力響應(yīng)進行了分析，研究了地震工況對壩體的影響，對壩體應(yīng)力狀態(tài)進行了復(fù)核。

1.3 主要研究結(jié)論

（1）自振特性分析表明，正常蓄水位、設(shè)計死水位和空庫時，拱壩各階振動周期均小于特征周期0.5 s，拱壩不會發(fā)生共振。

（2）反應(yīng)譜法地震反應(yīng)分析表明，在設(shè)計地震作用下，壩體順河向動位移最大值出現(xiàn)在上游面3號表孔左側(cè)閘墩墻頂部。拱壩閘墩的橫向位移較大，尤其是斷面較單薄的上游面左側(cè)薄墩墻。拱壩最大動主拉應(yīng)力出現(xiàn)在上游面1號表孔左側(cè)墩墻與壩面連接處。最大動主壓應(yīng)力出現(xiàn)在下游面右岸側(cè)誘導(dǎo)縫下端部。拱壩除閘墩與壩體交接處和壩踵有較高應(yīng)力集中外，拱端的中上部拉應(yīng)力相對較大。在超標準的地震作用下，靜力成果與反應(yīng)譜法成果疊加后，作用效應(yīng)較設(shè)計地震增大。最大位移及最大動主拉應(yīng)力分布部位與設(shè)計地震工況規(guī)律都很相近。

（3）時程分析法地震反應(yīng)分析表明，壩體正常蓄水位較死水位地震反應(yīng)大。對于有縫壩體模型，上游面壩體大部分拉應(yīng)力得以釋放，壩體拉應(yīng)力較無縫壩有所降低，拱座處中部高程仍有較高拉應(yīng)力區(qū)。不同水位時壩體在設(shè)計地震和超標準的地震作用下的應(yīng)力分布規(guī)律基本相近：壩體第一主應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在上游面右岸側(cè)誘導(dǎo)縫底端部；第三主應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在下游面右岸側(cè)誘導(dǎo)縫底端部。最大應(yīng)力出現(xiàn)部位均為明顯的應(yīng)力集中區(qū)。各工況下的頂拱和拱冠梁剖面順河向最大動位移分布規(guī)律都很相近。頂拱順河向最大靜位移大于動位移。正常蓄水位動位移較死水位大，但橫縫的張開度比死水位小。壩體下游面橫縫開度均大于上游面，但橫縫張開度及張開范圍均不大。橫縫雖有一定開度，但持續(xù)時間很短，不會對橫縫止水材料造成破壞。

（4）拱壩除局部應(yīng)力集中需要設(shè)計加強外，壩體應(yīng)力均在混凝土容許應(yīng)力范圍內(nèi)。大壩總體強度、剛度和穩(wěn)定性滿足水工建筑物抗震設(shè)計要求。

2 抗震措施

綜合抗震研究成果，結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范對抗震設(shè)計的要求，對大壩抗震的薄弱部位進行加強，增加其橫向剛度和整體性。

（1）本工程攔河壩為體形較薄的碾壓混凝土雙曲拱壩，表、中孔均采用了懸挑結(jié)構(gòu)。在滿足泄洪消能對體形要求的前提下，結(jié)構(gòu)布置時盡可能地減小拱壩壩體附屬結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和長度，以利于改善壩體應(yīng)力和結(jié)構(gòu)的安全。

（2）為減小地震作用時壩體中上部及接近壩基部分的拉應(yīng)力區(qū)，改善壩體應(yīng)力分布，拱壩體形設(shè)計時，壩體頂部拱冠部分體形為略傾向下游。

（3）動力分析計算表明，表孔閘墩壩頂處上游側(cè)位移及應(yīng)力較大，在上游側(cè)表孔閘墩之間設(shè)置了橫向支撐聯(lián)系梁，增強了閘墩部分的橫向剛度和整體性。

（4）最大主拉應(yīng)力發(fā)生在1號表孔左閘墩與壩體連接處。為了提高1號表孔左側(cè)閘墩承受縱向力、橫向力的能力，提高其縱向強度和橫向強度，對1號表孔左側(cè)閘墩的配筋進行了加強，設(shè)置了雙層鋼筋。

（5）拱壩閘墩與壩面的連接處有較大的應(yīng)力集中，地震時容易造成墩壩連接處局部開裂，在該部位均設(shè)置鋼筋網(wǎng)加強，即在外懸結(jié)構(gòu)與壩體上游面連接處雙向布置一層鋼筋網(wǎng)。

（6）設(shè)置誘導(dǎo)縫重復(fù)灌漿系統(tǒng)，確保壩體誘導(dǎo)縫處因地震導(dǎo)致開裂時可及時修復(fù)。

（7）集水井布置于2號表孔下游鼻坎正下方，上部與1、 2號中孔下游鼻坎共用，下部為 “∏”形結(jié)構(gòu)。懸臂結(jié)構(gòu)通過集水井下游側(cè)墻連成整體，起到了支撐的作用，增加了整體剛度，不僅增強了抗震能力，也有利于改善懸臂部分的局部應(yīng)力集中狀況。此外，集水井基本位于壩體中部，寬度和剛度較大，對改善壩體應(yīng)力也有一定作用。

（8）針對左壩肩f5斷層，采用2條平洞和1條豎井進行混凝土置換處理方案。其他地基內(nèi)軟弱部位采用灌漿、局部錨固、支護等綜合支護措施進行加固。

3 結(jié)語

通過抗震動力分析研究，進行壩體結(jié)構(gòu)強度安全性和壩體、壩肩整體穩(wěn)定的復(fù)核計算。從建筑物自震特性、變形損傷、應(yīng)力狀況、整體穩(wěn)定性和破壞模式等方面，綜合評價建筑物結(jié)構(gòu)抗震特性和抗震安全性，分析判斷不同工況下抗震安全的薄弱部位和薄弱環(huán)節(jié)，并提出相應(yīng)的抗震措施。根據(jù)研究成果完善了壩體的結(jié)構(gòu)布置，加強了薄弱部位的剛度，增強了結(jié)構(gòu)的整體性。大壩總體強度、剛度和穩(wěn)定性達到了抗震設(shè)計的要求。