澳大利亞穆特博爾德壩地震危險(xiǎn)性復(fù)核

澳大利亞穆特博爾德壩地震危險(xiǎn)性復(fù)核

澳大利亞穆特博爾德壩始建之時(shí)尚沒(méi)有得到廣泛認(rèn)可的大壩安全標(biāo)準(zhǔn)。從非線性分析、地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、強(qiáng)度評(píng)估、穩(wěn)定性評(píng)估、大壩鋼筋混凝土破壞預(yù)測(cè)、混凝土整體評(píng)估等方面對(duì)該壩安全性能進(jìn)行了綜合性評(píng)價(jià)。分析得出，穆特博爾德壩并不滿足100 a超越概率1%的罕遇地震設(shè)防要求，為此，已著手對(duì)該壩進(jìn)行升級(jí)改造。

水工建筑物監(jiān)測(cè)；危險(xiǎn)性復(fù)核；穆特博爾德壩；澳大利亞

穆特博爾德(Mt Bold)壩的建成形成了南澳大利亞最大的水庫(kù)，混凝土壩共分19個(gè)壩段，其中11個(gè)構(gòu)成中央拱壩段，其余8個(gè)分別組成左右壩肩的重力壩段。拱壩上游壩面直立，壩頂部向水庫(kù)側(cè)傾懸。該壩始建于20世紀(jì)30年代， 60年代加高4.3 m，壩肩重力壩段使用大體積混凝土加高，拱壩非溢流壩頂使用中空門(mén)式鋼筋混凝土框架加高。在溢洪道反弧段頂部安裝防浪墻閘門(mén)系統(tǒng)，最大壩高58 m。

大壩的設(shè)計(jì)施工標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)行不斷地復(fù)核和改進(jìn)。20世紀(jì)30年代穆特博爾德壩始建之時(shí)，尚沒(méi)有被廣泛認(rèn)可的大壩標(biāo)準(zhǔn)。而到了20世紀(jì)60年代大壩加高時(shí)，基本上完全按照當(dāng)時(shí)大壩標(biāo)準(zhǔn)施工。但是，通過(guò)新的研究、技術(shù)革新以及大壩性能監(jiān)測(cè)，如今需要更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。作為南澳大利亞水務(wù)公司(SA Water)登記的大壩，需要根據(jù)最新的大壩安全導(dǎo)則和標(biāo)準(zhǔn)定期對(duì)該壩進(jìn)行安全復(fù)核。南澳大利亞水務(wù)公司制定了一個(gè)動(dòng)態(tài)投資計(jì)劃，旨在精準(zhǔn)有效地排除大壩安全復(fù)核中發(fā)現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。因此， 2011年以來(lái)，穆特博爾德壩一直處于階段性安全復(fù)核中。

1 非線性分析的必要性

安全復(fù)核的早期階段，穆特博爾德壩線性數(shù)值分析結(jié)果表明，在最大設(shè)計(jì)地震(MDE)下可能出現(xiàn)超應(yīng)力區(qū)。

由于線彈性分析存在局限性，無(wú)法確定壩體內(nèi)的超應(yīng)力區(qū)是否一定會(huì)演變?yōu)橥{壩體結(jié)構(gòu)安全的破壞模式，因此穆特博爾德壩的非線性時(shí)程分析目的至少部分為地震作用下混凝土壩體中觀測(cè)到的非線性特性(如縱向伸縮縫的開(kāi)閉、壩體與壩基結(jié)合帶裂縫等)分析。

在強(qiáng)震作用下，拱壩通常表現(xiàn)為非線性特性，包括壩體與壩基結(jié)合面這樣的弱面張開(kāi)(假定抗拉強(qiáng)度為零)、縱向伸縮縫和無(wú)粘性結(jié)構(gòu)縫的張開(kāi)以及混凝土的開(kāi)裂等。不穩(wěn)定混凝土壩段的滑動(dòng)傳遞到相鄰壩段，不管是在靜力荷載下或是動(dòng)力荷載下都是非線性的。

采用DIANA軟件建立的穆特博爾德壩有限元模型，能夠模擬上述大部分非線性行為，但模型僅限于模擬壩體內(nèi)部界面和不連續(xù)面等邊界的非線性，而材料仍是線彈性體。

采用庫(kù)侖摩擦接觸單元模擬壩體與壩基結(jié)合面以及壩體與上下游和兩壩肩開(kāi)挖面。此外，庫(kù)侖摩擦單元還用于模擬剔除剪切鍵的縱向伸縮縫(例如加高的溢洪道、閘墩和門(mén)式框架)，以及原始?jí)误w與加高部分壩體間的無(wú)粘結(jié)縫。

采用非連續(xù)縫單元模擬各壩段間具有剪切鍵的縱向伸縮縫，由于裂面上存在混凝土骨料的咬合作用，這種可以張開(kāi)和閉合的不連續(xù)結(jié)構(gòu)面可以提供抗拉強(qiáng)度。

2 地震環(huán)境

作為安全評(píng)價(jià)的一部分，地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)包括不同重現(xiàn)期和5%結(jié)構(gòu)阻尼反應(yīng)譜，構(gòu)建代表穆特博爾德壩址地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境的加速度時(shí)程曲線。

根據(jù)全球地震數(shù)據(jù)庫(kù)資料，選出與穆特博爾德壩場(chǎng)地反應(yīng)譜相匹配的3個(gè)100 a超越概率1%的最大設(shè)計(jì)地震，并將其與場(chǎng)地的預(yù)期加速度值匹配，列于表1。

表1 所選地震波

3 強(qiáng)度評(píng)估

強(qiáng)度評(píng)估包括地震荷載作用下壩體內(nèi)壓應(yīng)力和拉應(yīng)力同混凝土允許應(yīng)力的對(duì)比，內(nèi)容如下。

(1)豎向應(yīng)力同混凝土橫向分縫允許拉應(yīng)力對(duì)比，評(píng)估橫向分縫脫粘和裂縫擴(kuò)展的可能性。

(2)拱向應(yīng)力和主拉應(yīng)力與混凝土允許拉應(yīng)力對(duì)比，評(píng)估混凝土由拱向應(yīng)力產(chǎn)生豎向裂縫和主拉應(yīng)力產(chǎn)生其他方向裂縫的可能性。

(3)主壓應(yīng)力與允許壓應(yīng)力對(duì)比，評(píng)估混凝土壓碎的可能性。

4 穩(wěn)定性評(píng)估

拱壩通常有兩種類(lèi)型的滑動(dòng)失穩(wěn)。一類(lèi)是沿壩基接觸帶滑動(dòng)(如壩基交界面、壩基不連續(xù)結(jié)構(gòu)面或第一、二層混凝土接縫)，另一類(lèi)是壩基尤其是壩肩巖體的滑動(dòng)。

壩體沿壩基接觸帶滑動(dòng)只考慮向下游沿壩拱徑向的滑動(dòng)。組成拱壩的19個(gè)壩段均進(jìn)行了抗滑穩(wěn)定性評(píng)估。

由于對(duì)大壩的安全評(píng)估考慮了水庫(kù)滿蓄條件下、地震荷載作用下的穩(wěn)定性，庫(kù)水提供了巨大的抗滑荷載阻止壩體向上游側(cè)滑動(dòng)，因此不考慮大壩向上游方向的滑動(dòng)模式。

由于兩壩肩壩段嵌入在兩岸巖體中(兩岸壩肩分別高24 m和28 m)，并且兩岸壩段嵌入壩肩邊坡的角度適中，因此也無(wú)需考慮拱向滑動(dòng)的失穩(wěn)模式。

5 混凝土壩體破壞

豎向應(yīng)力的最大垂直應(yīng)力集中在壩拱的“咽喉”位置，介于高程228.31～231.81 m。在這一高程范圍內(nèi)，壩體在地震作用下會(huì)形成上、下游貫通的水平裂縫，所形成的獨(dú)立混凝土塊體會(huì)發(fā)生搖擺而倒向庫(kù)內(nèi)。

計(jì)算結(jié)果表明，在無(wú)粘結(jié)混凝土加高塊體與原壩體間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，在最大設(shè)計(jì)地震條件下新老壩體結(jié)合面會(huì)產(chǎn)生研磨，盡管混凝土加高塊在底部徑向上相對(duì)較長(zhǎng)，但仍存在向上游側(cè)水庫(kù)傾倒的可能性。

在壩體或壩基結(jié)合面沒(méi)有像預(yù)期的那樣出現(xiàn)破壞，無(wú)論是靜力荷載還是地震荷載條件下壩體均沒(méi)有發(fā)生滑移，下游巖體也沒(méi)有發(fā)生剪切變形。

受壩肩壩段所產(chǎn)生的推擠作用，壩肩潛在不穩(wěn)定塊體的穩(wěn)定性綜合分析也是穆特博爾德壩安全評(píng)價(jià)的一部分。

6 大壩鋼筋混凝土破壞預(yù)測(cè)

壩體加高的鋼筋混凝土單元(門(mén)式框架、反弧段和閘墩)并不符合最新的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

門(mén)式框架結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度(抗剪)、穩(wěn)定性(滑動(dòng))以及撓度方面要求很高。上述任何一種破壞模式均會(huì)導(dǎo)致大的位移，引起閘室溢流和門(mén)式框架結(jié)構(gòu)倒塌。

反弧段可能產(chǎn)生超應(yīng)力集中，導(dǎo)致反弧部分的鋼筋混凝土與原壩體分離、反弧加高段鋼筋混凝土破壞和混凝土的散裂。

閘墩也可能發(fā)生雙向彎曲和剪切破壞，導(dǎo)致閘墩產(chǎn)生永久變形，堵塞溢洪道閘門(mén)，原壩體以上加高的閘墩(238.84 m高程以上)也可能完全倒塌。

7 混凝土整體評(píng)估

根據(jù)國(guó)際大壩委員會(huì)對(duì)大型水壩在地震荷載下的性能要求，目前穆特博爾德壩并不滿足100 a超越概率1%的罕遇地震設(shè)防要求。因此，已經(jīng)著手對(duì)該壩進(jìn)行升級(jí)改造，使之符合當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)。

李妍賈宇峰馬貴生譯

(編輯：朱曉紅)

2017-04-12

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