300 m級特高拱壩地震損傷特征分析

任 大 春，樊 義 林，熊 堃

(1.中國三峽建設(shè)管理有限公司，四川 涼山 615421； 2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010)

1 研究背景

我國水能資源的大約70%～80%集中在西部地區(qū)，西部地區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈、地質(zhì)環(huán)境極不穩(wěn)定，地震活動顯著。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和西部大開發(fā)的推進(jìn)，水電建設(shè)中心已轉(zhuǎn)移到西南高地震烈度地區(qū)。自20世紀(jì)90年代后期開始，在西南部地震高烈度區(qū)已逐漸修建完成了多座300 m級特高壩，比較典型的高壩有瀾滄江上的小灣水電站，雅礱江上的錦屏一級水電站，金沙江上的溪洛渡水電站。金沙江下游正在修建的烏東德、白鶴灘水電站也位于該地區(qū)。汶川地震后，國家對工程建設(shè)的抗震設(shè)計(jì)更加重視、高壩抗震安全的重要性也更加突出，考慮地震荷載組合的工況甚至成為了大壩設(shè)計(jì)的控制工況，大壩的抗震性能是保證工程安全的關(guān)鍵。

國內(nèi)外拱壩遭受震害的實(shí)例并不多，24座100 m級高拱壩受到地震影響的僅有8座，沒有任何一座大壩因地震發(fā)生嚴(yán)重破壞而導(dǎo)致庫水失控下瀉，修建在強(qiáng)震區(qū)的壩高200 m以上的高拱壩經(jīng)受強(qiáng)震作用的實(shí)例更少。

相比200 m級大壩，300 m級特高壩抗震技術(shù)研究的時間較短，震害經(jīng)驗(yàn)少，現(xiàn)行的水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范僅適用于200 m級以下的大壩，對于300 m級的特高壩尚無設(shè)計(jì)規(guī)范可循。目前300 m級特高壩的建設(shè)理論和依據(jù)都是借鑒以往積累的工程經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，加上壩址處于高烈度區(qū)，因此特高壩的抗震安全問題十分突出，需要加強(qiáng)其抗震易損性分析，為高拱壩的防震抗震研究工作提供技術(shù)支撐。

本文首先收集了國內(nèi)外高拱壩在發(fā)生強(qiáng)震時其壩體及壩肩發(fā)生損害的實(shí)際案例，再結(jié)合白鶴灘工程的實(shí)際情況，采用目前國內(nèi)通用的3種非線性有限元方法分析了設(shè)計(jì)和校核情況下可能出現(xiàn)的高應(yīng)力和大變形的情況；最后通過拱壩極限承載能力計(jì)算和拱壩動力模型試驗(yàn)，分析了拱壩承受超越地震的能力和可能出現(xiàn)的損傷及其破壞特性。

2 國內(nèi)外高拱壩震害情況調(diào)查

2008年5月12日(星期一)14∶28∶04，四川汶川發(fā)生了8.0級特大地震，地震烈度達(dá)11度，地震嚴(yán)重破壞地區(qū)超過10萬km2，其中，極重災(zāi)區(qū)共10個縣(市)，較重災(zāi)區(qū)共41個縣(市)，一般災(zāi)區(qū)共186個縣(市)，死傷總?cè)藬?shù)超過10萬人，是中華人民共和國成立以來破壞力最大的地震，也是唐山大地震后傷亡最嚴(yán)重的一次地震。地震發(fā)生后，水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院受國家發(fā)改委委托，立即組織開展了水電工程震損調(diào)查。調(diào)查結(jié)果表明[1-2]，地震災(zāi)害共造成近830座水電工程受損，但無一潰壩，沒有造成次生災(zāi)害。納入調(diào)查的地震烈度8度范圍內(nèi)、電站裝機(jī)容量大于30 MW的已建水電工程共有22個，壩高超過100 m的有紫坪鋪、寶珠寺、沙牌、水牛家和碧口等5個工程，僅有沙牌壩為拱壩。

2010年，中國水利水電科學(xué)研究院開展了“大壩工程資料和抗震設(shè)計(jì)規(guī)范調(diào)研”[3]，共收集到14座國內(nèi)外經(jīng)歷強(qiáng)烈地震的混凝土壩資料。其中，100 m以上的拱壩有中國沙牌、中國臺灣德基、中國臺灣霧社、日本新豐根、美國Pacoima等5座。

2012年，長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司對“國內(nèi)外高壩震害與抗震規(guī)范”進(jìn)行了進(jìn)一步的收集整理工作[4]，共收集到國內(nèi)外經(jīng)受過地震考驗(yàn)的拱壩共有46座，其中壩高超過100 m的為24座，詳細(xì)情況如表1所列。

表1中數(shù)據(jù)顯示：24座100 m級高拱壩受到地震影響的僅為8座，占比為33%；唯一一座受到損傷較嚴(yán)重的是帕柯伊瑪(Pacoima)拱壩，該壩經(jīng)受過2次大地震；受到一定損傷的有中國臺灣的谷關(guān)拱壩和智利的Rapel拱壩等。受到輕微損傷、開裂，滲水量增加，但不影響運(yùn)行的有14座；但沒有任何一座大壩發(fā)生嚴(yán)重破壞而導(dǎo)致庫水失控下瀉。

表1 國內(nèi)外100 m以上高拱壩地震時性狀統(tǒng)計(jì)Tab.1 Seismic performance in earthquake of high arch dams above 100 m in the world

對以上經(jīng)歷過地震考驗(yàn)的拱壩進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，拱壩發(fā)生損傷的形式主要表現(xiàn)為：山體滑坡、壩肩及壩基接合部開裂、施工縫張開、河谷變形擠壓壩體以及兩岸和壩基滲漏。

3 白鶴灘拱壩抗震復(fù)核計(jì)算分析

白鶴灘水電站位于金沙江下游四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，上游距烏東德水電站壩址約182 km，下游距溪洛渡水電站約195 km，控制流域面積43.03萬km2，占金沙江以上流域面積的91%。電站開發(fā)任務(wù)為以發(fā)電為主，兼顧防洪、航運(yùn)，并促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。水庫總庫容206.27億m3，居我國高拱壩庫容第一，為年調(diào)節(jié)水庫，調(diào)節(jié)庫容為104.36億m3，防洪庫容為75.00億m3。

水電站樞紐由攔河壩、泄洪消能設(shè)施、引水發(fā)電系統(tǒng)等主要建筑物組成。攔河壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程834 m，最大壩高289 m，主要特征參數(shù)如表2所列。

表2 白鶴灘拱壩主要特征參數(shù)Tab.2 Major parameters of Baihetan arch dam

對于白鶴灘拱壩抗震復(fù)核計(jì)算分析，先后聯(lián)合了華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司[1]、中國水利水電科學(xué)研究院、大連理工大學(xué)[5]以及清華大學(xué)，分別采用LDDA大壩非線性有限元軟件、PSDAP混凝土壩非線性動力分析軟件和三維通用有限元 ABQUS計(jì)算軟件以及拱壩大型動力模型試驗(yàn)進(jìn)行研究。

3.1 抗震復(fù)核參數(shù)

白鶴灘混凝土拱壩在可研階段就進(jìn)行了大壩防震抗震研究，按照GB18306-2001《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖(1∶400萬)的要求，設(shè)計(jì)地震水平加速度為325gal，校核地震水平加速度為420gal。按照新的國家抗震標(biāo)準(zhǔn)GB18306-2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》及NB35047-2015《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》復(fù)核，白鶴灘工程區(qū)域地震基本烈度為Ⅷ度，不同超越概率標(biāo)準(zhǔn)的基巖水平峰值加速度如表3所列。

表3 白鶴灘壩址場地不同超越概率的基巖水平峰值加速度Tab.3 Horizontal bedrock peak acceleration of Baihetan dam site at different exceedance probability gal

白鶴灘水電站壩址屬I0類場地，按照GB18306-2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》的規(guī)定，對地震安全性評價(jià)給出的基巖地震動峰值加速度進(jìn)行調(diào)整后，將其作為大壩的抗震設(shè)計(jì)參數(shù)，據(jù)此確定的白鶴灘水電站工程區(qū)的地震動峰值加速度的調(diào)整系數(shù)為0.9。由此確定白鶴灘水電站拱壩抗震設(shè)計(jì)加速度峰值為：

(1) 設(shè)計(jì)地震。以100 a為基準(zhǔn)期，超越概率為2%確定設(shè)計(jì)概率水準(zhǔn)，經(jīng)調(diào)整后的地震水平加速度為406gal，豎向峰值加速度為271gal。

(2) 校核地震。以100 a為基準(zhǔn)期，超越概率為1%確定設(shè)計(jì)概率水準(zhǔn)，經(jīng)調(diào)整后的地震水平加速度為481gal，豎向峰值加速度為321gal。

3.2 非線性數(shù)值計(jì)算分析

對白鶴灘拱壩非線性數(shù)值復(fù)核計(jì)算進(jìn)行了分析，結(jié)果如下。

(1) 自振頻率。3種模型在正常蓄水位條件下的大壩基頻基本相同(1.08～1.14 Hz)，死水位條件下的基頻差異稍大(1.15～1.37 Hz)，正常蓄水位的自振頻率比死水位的同階自振頻率值小 7%～20%。自振頻率和振型符合高拱壩的一般規(guī)律，也反映了不對稱河谷的特點(diǎn)。

(2) 順河向位移。設(shè)計(jì)地震作用下，拱壩以順河向位移響應(yīng)為主，壩頂部位的位移最大，3種模型壩體動位移響應(yīng)總體相當(dāng)(23～31 cm)。壩頂拱冠、壩頂左拱端、壩頂右拱端位移在震后均基本回復(fù)到靜態(tài)位移位置，說明壩體位移是穩(wěn)定的，未發(fā)生位移的偏移現(xiàn)象，頂拱相對位移對比情況如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)地震作用下白鶴灘水電站頂拱動位移Fig.1 Dynamic displacement of Baihetan arch crown under designed carthquake

(3) 橫縫開度。設(shè)計(jì)地震作用下，3種模型正常蓄水位時橫縫開度分別為10.0，7.7 mm和30.0 mm，死水位時橫縫開度分別為25.0，23.6 mm和40.0 mm，大連理工大學(xué)模型因橫縫模擬條數(shù)少(30條橫縫模擬了 11 條)而使得張開度計(jì)算值偏大，其他兩家成果接近。橫縫張開均主要集中在壩體上部?？傮w上，設(shè)計(jì)地震作用下橫縫張開度仍在止水可適應(yīng)范圍。設(shè)計(jì)地震作用下白鶴灘水電站大壩頂橫縫最大開度如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)地震作用下白鶴灘水電站頂橫縫最大開度Fig.2 Maximum joint openning at Baihetan arch crown urder designed earthquake

(4) 應(yīng)力分布。設(shè)計(jì)地震作用下，壩體的靜動綜合主應(yīng)力分布亦符合一般規(guī)律，正常蓄水位條件下，壩體的壓應(yīng)力以上游面中部和下游壩面與貼腳交界面頂點(diǎn)處控制。除局部應(yīng)力集中外，壩體靜動綜合最小主應(yīng)力為 8～18 MPa，抗壓強(qiáng)度安全滿足要求。從拉應(yīng)力分布來看，除壩基交界面局部區(qū)域外，在上下游面上部區(qū)域會有2～3 MPa的拉應(yīng)力區(qū)，下游面應(yīng)力水平相對較高，在靠近左岸的中上部區(qū)域出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，其中在下游面中上部很小范圍仍有超過混凝土動態(tài)抗拉強(qiáng)度 3.42 MPa 的主拉應(yīng)力區(qū)。

(5) 損傷分析。考慮壩體混凝土材料損傷，在設(shè)計(jì)地震作用下，大壩上游面完好，下游壩面在靠近左岸壩肩附近有局部損傷發(fā)生，但屬于輕微損傷。只有與該損傷區(qū)域緊鄰的建基面附近有很小區(qū)域的壩體損傷嚴(yán)重，預(yù)示有宏觀開裂的風(fēng)險(xiǎn)。壩踵區(qū)宏觀開裂范圍較小，小于大壩底厚的 10%，尚未達(dá)到大壩帷幕處。大壩防滲帷幕在設(shè)計(jì)地震作用下是安全的。

(6) 抗滑穩(wěn)定。設(shè)計(jì)地震作用下，按剛體極限平衡法中的抗剪斷公式計(jì)算，左右岸壩肩可能滑動塊體的抗滑穩(wěn)定滿足要求。滑塊底面特征點(diǎn)對震后相對錯動穩(wěn)定在小于1.8 cm 的位置，壩基交接面未發(fā)生相對錯動，未發(fā)生影響大壩整體穩(wěn)定性或造成壩體局部過大變形的滑移，壩體位移基本恢復(fù)到靜態(tài)的平衡位置，壩體和基巖能夠保持穩(wěn)定，整體上大壩地基系統(tǒng)是安全的。

(7) 校核地震作用。校核地震作用下，相對于設(shè)計(jì)地震作用，由于地震加速度的增加，拱壩的動力響應(yīng)分布規(guī)律基本不變，總體響應(yīng)增大幅度約 10%～20%，但仍未達(dá)到承載力極限狀態(tài)，大壩地基系統(tǒng)震后能夠保持穩(wěn)定，可滿足不潰壩的設(shè)防目標(biāo)。

3.3 拱壩極限抗震能力分析

分別采用承載能力計(jì)算和拱壩動力模型[6]對拱壩極限抗震能力進(jìn)行了分析和試驗(yàn)研究。

3.3.1拱壩地震極限承載能力計(jì)算分析

在模擬壩體伸縮橫縫接觸非線性、大壩墊座和擴(kuò)大基礎(chǔ)影響以及無限地基輻射阻尼效應(yīng)的基礎(chǔ)上，模擬大壩近域地基內(nèi)復(fù)雜的地質(zhì)條件，建立了大壩-地基系統(tǒng)的有限元模型，進(jìn)行設(shè)計(jì)地震、校核地震作用下大壩抗震能力分析和評價(jià)。采用設(shè)計(jì)地震加速度峰值比例放大的超載工況，分別基于正常蓄水位+設(shè)計(jì)地震、 死水位+設(shè)計(jì)地震兩種設(shè)計(jì)工況，針對拱壩-地基系統(tǒng)整體穩(wěn)定、壩體損傷兩個方面進(jìn)行了白鶴灘水電站拱壩地震超載工況計(jì)算。

(1) 采用混凝土壩非線性動力分析法，對正常蓄水位下3組設(shè)計(jì)地震波分別進(jìn)行了1～2倍的超設(shè)計(jì)地震計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果表明：隨著超載倍數(shù)的增加，左岸滑塊底面和右岸滑塊C3-1底面特征點(diǎn)對殘余變形隨地震作用的加大基本呈緩慢線性增長，并未出現(xiàn)突變點(diǎn)。 而右滑塊 C4 底面特征點(diǎn)對殘余變形和右拱端順河向的殘余位移，在3組設(shè)計(jì)地震超載下分別在超載倍數(shù)為1.8，1.7和2.0 時變形曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，點(diǎn)對錯動量增速突然加快，且地震結(jié)束時仍呈不穩(wěn)定狀態(tài)，說明該滑塊已經(jīng)出現(xiàn)過大滑移而失穩(wěn)，并將導(dǎo)致相鄰壩體失去抗力體支撐而喪失承載能力。因此，可以偏于安全地認(rèn)為，白鶴灘水電站大壩-地基系統(tǒng)的抗震超載安全系數(shù)為1.7。

(2) 運(yùn)用三維通用有限元計(jì)算時，考慮了壩體混凝土材料損傷和地基巖體彈塑性等非線性行為，采用死水位、 設(shè)計(jì)地震為基本計(jì)算條件，對白鶴灘水電站拱壩進(jìn)行了地震超載條件下的損傷分析。計(jì)算結(jié)果表明：隨著地震超載倍數(shù)增加，大壩損傷越來越嚴(yán)重，當(dāng)超載到2.0倍設(shè)計(jì)地震時，壩體發(fā)生較大范圍貫穿上下游的宏觀裂縫，壩頂相對位移隨地震超載系數(shù)的增加呈現(xiàn)為明顯的非線性，橫縫最大開度達(dá)到62 mm，但此時壩踵區(qū)開裂深度并未到達(dá)壩基帷幕(距離帷幕約8 m)。進(jìn)一步超載到2.3倍設(shè)計(jì)地震時，壩踵區(qū)開裂范圍達(dá)到并穿過帷幕線。經(jīng)綜合評估，認(rèn)為白鶴灘水電站拱壩壩體超載安全系數(shù)可達(dá)到2.0倍設(shè)計(jì)地震。

(3) 上述2種方法計(jì)算成果表明：白鶴灘水電站拱壩的地震超載能力受兩岸滑塊的穩(wěn)定控制，可承受相對設(shè)計(jì)地震的超載倍數(shù)約1.7(相對于690gal)，超過了校核地震水平(1.185倍)，因此，白鶴灘水電站拱壩能夠承受一定的超越設(shè)計(jì)地震和校核地震的能力。

3.3.2拱壩動力模型試驗(yàn)

采用拱壩動力模型試驗(yàn)的方法，對壩體和墊座、壩體構(gòu)造橫縫、地基、左岸壩肩關(guān)鍵滑裂體、滑裂面抗剪參數(shù)和滲透壓力、庫水及無限地基的輻射阻尼效應(yīng)等影響拱壩系統(tǒng)地震響應(yīng)的主要因素進(jìn)行了模擬，使試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥畲笙薅鹊啬M實(shí)際工程條件。研究設(shè)計(jì)地震、校核地震及超設(shè)計(jì)地震作用下大壩-地基-庫水系統(tǒng)的動力響應(yīng)，評價(jià)大壩的抗震安全性及抗震超載能力。

利用模型基礎(chǔ)部分，除模擬拱壩附近的河谷地形及巖體的力學(xué)特征外，還對壩肩附近的控制性結(jié)構(gòu)面(左岸的F17、LS3318和LS331)的空間位置、抗滑指標(biāo)、滲透壓力等進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，以研究左岸局部塊體在地震荷載作用下的穩(wěn)定性。

試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1) 在正常水位設(shè)計(jì)人工波地震作用后，壩體基頻基本未發(fā)生變化。在之后的場地波及柯依那波加載后，也未觀測到明顯的損傷；

(2) 在正常水位人工波1.2倍超載地震作用后，拱冠及左岸壩體高階固有頻率出現(xiàn)降低；

(3) 在1.6倍超載地震作用下，壩肩滑裂體出現(xiàn)永久性滑動，拱冠及左岸壩體高階固有頻率繼續(xù)降低；

(4) 在2.0倍超載地震作用后，壩體高階固有頻率各測點(diǎn)均發(fā)生下降，但未觀測到宏觀損傷；

(5) 在2.4倍超載地震作用后，在左岸下游面距壩頂約60 m處，首先觀測到微小宏觀裂縫，上游壩踵部位出現(xiàn)損傷。

(6) 在2.4倍之后的加載工況，下游面宏觀開裂增多并沿水平向擴(kuò)展。拱冠及左、右岸1/4拱圈橫縫間均有宏觀梁向裂縫出現(xiàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，上游面未觀察到宏觀裂縫?；洋w殘余滑動基本向下游方向，向河谷方向無明顯殘余滑動。壩體墊座未見宏觀開裂。

動力超載試驗(yàn)結(jié)果表明：白鶴灘水電站拱壩在強(qiáng)地震作用下，壩肩滑裂體、壩體上部下游面梁向及拱冠上游面壩踵附近成為抗震薄弱部位。由于壩體的不對稱性，左岸地震響應(yīng)大于右岸地震響應(yīng)。

4 拱壩抗震易損部位分析

通過前述國內(nèi)外高拱壩震害資料收集、對白鶴灘水電站拱壩抗震復(fù)核計(jì)算和極限抗震能力分析，可知300 m特高拱壩壩體的高應(yīng)力區(qū)、結(jié)構(gòu)體形變化區(qū)、壩基壩肩軟弱結(jié)構(gòu)面等部位需要重點(diǎn)關(guān)注，這些重點(diǎn)部位描述如下。

(1) 壩基接觸部位。非線性數(shù)值計(jì)算和極限抗震能力分析發(fā)現(xiàn)，特高拱壩建基面附近存在應(yīng)力集中區(qū)，拱壩損壞主要受接觸處的滑塊失穩(wěn)控制，國內(nèi)外高拱壩震害調(diào)查也體現(xiàn)了類似現(xiàn)象。

(2) 壩體接縫。非線性數(shù)值計(jì)算顯示：壩體在設(shè)計(jì)和校核狀況都會出現(xiàn)一定的壩基接縫錯動和壩體橫縫張開情況；極限抗震能力分析顯示，壩體損壞自橫縫開裂開始，國內(nèi)外高拱壩震害調(diào)查資料也顯示拱壩出現(xiàn)橫縫張開和水平縫開裂的情況。

(3) 壩體中上部拱冠梁。非線性數(shù)值計(jì)算和極限抗震能力分析顯示，拱壩最大位移和橫縫最大張開度均位于拱壩上部，在上下游面上部區(qū)域會有2～3 MPa的拉應(yīng)力區(qū)，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在靠近左岸的中上部區(qū)域。

(4) 壩肩受力體。極限抗震能力分析顯示，特高拱壩地震損壞主要受壩肩受力體處的結(jié)構(gòu)面滑動影響，國內(nèi)外高拱壩震害調(diào)查也體現(xiàn)了壩肩受力體變形導(dǎo)致拱壩受損的現(xiàn)象。

(5) 防滲體系。極限抗震能力分析顯示，壩體橫縫張開影響壩基帷幕安全，國內(nèi)外高拱壩震害調(diào)查也體現(xiàn)了壩基揚(yáng)壓力升高和滲漏量增大的現(xiàn)象。

5 結(jié) 論

(1) 白鶴灘水電站特高拱壩壩體和基巖在設(shè)計(jì)地震作用下能夠保持整體穩(wěn)定，在校核地震作用下總體響應(yīng)增大幅度約為10%～20%，但仍未達(dá)到承載力極限狀態(tài)。滿足“設(shè)計(jì)地震條件下大壩整體安全，校核地震條件不潰壩”的設(shè)防目標(biāo)。

(2) 白鶴灘水電站特高拱壩的抗震超載能力主要受兩岸滑塊的穩(wěn)定控制，總體上可承受相對設(shè)計(jì)地震動強(qiáng)度1.7倍的超強(qiáng)地震。

(3) 白鶴灘水電站特高拱壩壩基壩肩存在一定的軟弱結(jié)構(gòu)面。在超強(qiáng)地震的作用下，壩體存在高應(yīng)力區(qū)、結(jié)構(gòu)體形變化區(qū)，需要重點(diǎn)關(guān)注壩基接觸部位、壩體接縫、壩體中上部拱冠梁、壩肩受力體和防滲體系。