高地震烈度地區(qū)重力壩抗震鋼筋配置及應(yīng)用

吳余生

（云南省能源投資集團(tuán)有限公司，昆明 650228）

隨著我國水電開發(fā)向西南地區(qū)的金沙江、瀾滄江、雅礱江、大渡河等流域不斷延伸［1-2］，在西南地震多發(fā)的高地震烈度地區(qū)修建高壩大庫是水電開發(fā)面臨的重大關(guān)鍵技術(shù)問題［3］，須采取有效抗震措施，確保大壩抗震安全?；炷林亓卧庥龅卣饡r(shí)，在不危害大壩整體穩(wěn)定安全的前提下，壩頭、上下游折坡點(diǎn)等薄弱部位產(chǎn)生局部裂縫是允許的，但必須采取有效工程措施限制裂縫發(fā)展。在大壩上下游壩面配置抗震鋼筋是提高混凝土重力壩抗震性能的實(shí)用工程措施，抗震鋼筋在一定程度上可以減小裂縫寬度及限制混凝土裂縫發(fā)展，提高大壩抵御地震破壞的抗震性能，尤其在主震后遇較強(qiáng)余震發(fā)生時(shí)，抗震鋼筋能有效提高重力壩的整體抗震能力。目前國內(nèi)外尚未有具體的規(guī)范明確混凝土重力壩在地震荷載作用下配筋量計(jì)算，本文以西南地區(qū)金沙江中游某大型水電站為例，通過不同配筋量的分析比較，探討合理可行的大壩抗震配筋方案，并應(yīng)用于工程實(shí)踐。

1 工程概況

某大型水電站位于云南省麗江市境內(nèi)的金沙江中游河段，樞紐工程為Ⅰ等、大（1）型工程，擋水建筑物為碾壓混凝土重力壩，最大壩高160 m，工程開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，裝機(jī)容量2400 MW，多年平均發(fā)電量110.43億kW·h。電站壩址區(qū)位于西南橫斷山脈高地震烈度區(qū)，地震基本烈度為Ⅷ度，50年超越概率為5%的基巖水平峰值加速度為0.246g，100年超越概率為2%的基巖水平峰值加速度為0.399g，100年超越概率為1%的基巖水平峰值加速度為0.475g。根據(jù)規(guī)范［4］相關(guān)規(guī)定，壅水建筑物應(yīng)提高1度設(shè)防，故重力壩地震設(shè)防烈度為Ⅸ度，抗震概率水準(zhǔn)采用基準(zhǔn)期100年超越概率2%，基巖水平峰值加速度采用0.399g作為設(shè)計(jì)地震抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，地震動(dòng)參數(shù)高。

2 大壩抗震配筋計(jì)算分析

電站大壩的廠房壩段位于河床中央，是最高壩段，遭遇地震時(shí)的地震動(dòng)反應(yīng)最強(qiáng)烈。選取廠房壩段為計(jì)算對象，采用三維非線性動(dòng)力有限元，運(yùn)用整體式鋼筋混凝土動(dòng)力本構(gòu)模型［5］，進(jìn)行抗震配筋計(jì)算，分析大壩在地震工況下的裂縫發(fā)展損傷深度，評(píng)價(jià)各配筋方案的效果和合理性，并最終確定配筋方案。三維有限元計(jì)算模型如圖1，不同配筋方案下壩體關(guān)鍵部位的損傷區(qū)深度如表1。

圖1 廠房壩段壩體三維有限元計(jì)算網(wǎng)格模型

表1 不同配筋方案壩體關(guān)鍵部位的裂縫發(fā)展損傷情況

三維有限元計(jì)算成果表明，設(shè)計(jì)地震工況作用下，大壩壩踵、壩頭、上下游折坡點(diǎn)等薄弱部位混凝土開裂損傷，配置抗震鋼筋能有效減小裂縫寬度，有效控制裂縫發(fā)展，提高大壩抵抗地震破壞的能力。

（1）不配置抗震鋼筋的情況，壩踵開裂損傷深度達(dá)10.2m，壩基上游防滲帷幕開裂破壞，危及大壩安全。

（2）應(yīng)用方案1布置一排φ28@200mm的三級(jí)鋼筋，壩踵開裂損傷深7.2m，損傷區(qū)深度減小約30%，部分壩基上游防滲帷幕開裂，壩體混凝土開裂損傷仍然較嚴(yán)重。

（3）應(yīng)用方案2布置2排φ28@200mm的三級(jí)鋼筋，壩踵開裂損傷深5.4m，損傷區(qū)深度減小約50%，有效抑制混凝土開裂損傷，沒有破壞壩基上游防滲帷幕，大壩整體是安全的。

（4）應(yīng)用方案3布置2排φ28@143mm的三級(jí)鋼筋，壩踵開裂損傷深3.1m，損傷區(qū)深度減小約67%，較好抑制混凝土開裂損傷，但鋼筋布置較密集。

（5）應(yīng)用方案4布置2排φ36@143mm的三級(jí)鋼筋，壩踵開裂損傷深2.6m，損傷區(qū)深度減小約75%，進(jìn)一步抑制混凝土開裂損傷，但相對于方案3，繼續(xù)加大配筋量對減小壩體損傷區(qū)深度效果不明顯。

3 大壩抗震鋼筋布置方案

重力壩抗震設(shè)計(jì)遵循“小震不壞、中震可修、大震不倒”的總體原則，主要采取以配置抗震鋼筋為主，重點(diǎn)控制大壩壩踵、壩頭、上下游折坡點(diǎn)等薄弱部位的混凝土裂縫發(fā)展，提高大壩整體抗震能力。從上述計(jì)算分析可知，配筋越大壩體損傷區(qū)域越小，但配筋量達(dá)到一定水平后，繼續(xù)加大配筋量難以大幅降低壩體損傷程度。從混凝土澆筑施工的角度考慮，在大壩上下游壩面配筋過大過密會(huì)導(dǎo)致鋼筋間距小，導(dǎo)致混凝土澆筑難以振搗密實(shí)，影響混凝土澆筑質(zhì)量，反而不利于增強(qiáng)大壩整體抗震能力，并且大幅增加工程造價(jià)。綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)和施工實(shí)際等方面考慮，上述方案2的配筋量適中，能有效限制壩體裂縫的發(fā)展，保證壩踵區(qū)損傷開裂深度不會(huì)導(dǎo)致上游灌漿帷幕破壞，不危及大壩的整體安全性，以該方案為基礎(chǔ)對大壩進(jìn)行抗震配筋是合適的。

3.1 抗震配筋原則

（1）大壩上游面為二級(jí)配碾壓混凝土防滲層，需要嚴(yán)格控制裂縫的發(fā)展，全壩面布置一排φ28@200 mm的三級(jí)鋼筋。

（2）大壩的壩踵、上游起坡點(diǎn)、上下游壩頭等體型變化部位為壩體抗震薄弱環(huán)節(jié)，在其上下一定范圍內(nèi)布置兩排φ28@200mm的三級(jí)鋼筋。大壩抗震鋼筋配置典型示意如圖2。

圖2 大壩抗震鋼筋配置示意圖

3.2 抗震配筋工程應(yīng)用實(shí)踐

在大壩壩體混凝土澆筑施工過程中，按照上述配筋原則，結(jié)合各壩段實(shí)際體型結(jié)構(gòu)，具體設(shè)計(jì)配筋如下。

3.2.1 左、右岸非溢流壩段抗震配筋

左、右岸非溢流壩段壩高20～120 m。壩體上游面全壩面布置抗震鋼筋（φ28@200 mm的三級(jí)鋼筋）；在EL1330.0 m上游起坡點(diǎn)的上下各10 m范圍內(nèi)增加一排相同直徑和間距的鋼筋。壩體下游面折坡點(diǎn)采用了圓弧連接的方式，并且布置了兩排抗震鋼筋，第一排布置范圍為圓弧以下10.0m至壩頂，第二排為圓弧下5 m至圓弧上2～5 m，鋼筋直徑和間距與上游壩面相同。

3.2.2 左岸沖沙底孔壩段抗震配筋

左岸沖沙底孔壩段壩高136m。壩體上游面全壩面布置抗震鋼筋（φ28@200mm的三級(jí)鋼筋），在抗震的薄弱部位EL1326.7m上游起坡點(diǎn)的上、下各10m范圍內(nèi)增加一排相同直徑和間距的鋼筋。壩體下游面電梯井左岸折坡點(diǎn)采用了圓弧連接的方式，布置了兩排抗震鋼筋，并且第一排從圓弧下EL1382.7m（圓弧下16.7m）至壩頂，第二排從EL1388.0 m（圓弧下11.3m）至圓弧上5.0m，鋼筋直徑和間距與上游壩面抗震鋼筋相同。

3.2.3 廠房壩段抗震配筋

廠房壩段最大壩高160m。壩體上游面EL1350.0m以下全壩面布置抗震鋼筋（φ28@200mm的三級(jí)鋼筋），EL1330.0m上游折坡點(diǎn)和EL1350.0m的進(jìn)水口懸挑結(jié)合部是廠房壩段的抗震薄弱環(huán)節(jié)，在EL1330.0m上游折坡點(diǎn)上下各10m范圍內(nèi)增加一排相同直徑和間距的鋼筋，EL1350.0m以上為電站進(jìn)水口，體型結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，抗震鋼筋和結(jié)構(gòu)鋼筋結(jié)合布置。壩體下游面從EL1380.0 m至壩頂全部布置兩排抗震鋼筋（φ28@200 mm的三級(jí)鋼筋）。

3.2.4 右岸泄洪沖沙底孔壩段抗震配筋

右岸泄洪沖沙底孔壩段壩高132m。壩體上游面全壩面布置抗震鋼筋（φ28@200mm的三級(jí)鋼筋）。在沖沙孔進(jìn)口形成的轉(zhuǎn)折點(diǎn)EL1362.0m上下各5m范圍內(nèi)結(jié)合進(jìn)口結(jié)構(gòu)布置增加一排相同直徑和間距的抗震鋼筋。壩體下游面折坡點(diǎn)采用了圓弧連接的方式，布置兩排抗震鋼筋，第一排布置范圍為圓弧以下10m至壩頂，第二排為圓弧下5m至圓弧上5m，主受力筋為φ28@200mm的三級(jí)鋼筋，與上游面抗震鋼筋相同。

3.2.5 溢流壩段抗震配筋

溢流壩段壩高108～132m。壩體上游面全壩面布置抗震鋼筋（φ28@200mm的三級(jí)鋼筋），抗震鋼筋從壩基布置至EL1393.0m，在EL1330.0m上游起坡點(diǎn)的上下各10m范圍內(nèi)增加一排相同直徑和間距的鋼筋，EL1393.0m以上至堰頂結(jié)合溢流面鋼筋布置了一排φ28@200mm的三級(jí)鋼筋。

4 結(jié)語

在高地震烈度地區(qū)修建高壩大庫是水電開發(fā)面臨的重大關(guān)鍵技術(shù)問題，本文以西南地區(qū)金沙江中游某大型水電站為例，通過不同配筋量的分析比較研究，提出大壩上游面全壩面布置一排φ28@200mm的三級(jí)鋼筋，大壩的壩踵、上游起坡點(diǎn)、上下游壩頭等體型突變的抗震薄弱部位，在其上下一定范圍內(nèi)布置兩排φ28@200mm的三級(jí)鋼筋的抗震配筋方案并應(yīng)用于工程實(shí)踐，可為類似高地震烈度地區(qū)重力壩抗震配筋提供有益借鑒和參考。