苗尾水電站礫質(zhì)土心墻堆石壩抗震復(fù)核分析

鄭惠峰，周廷清，孫 來，黃泰仁

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州，311122）

1 工程概況

苗尾水電站位于云南省大理州云龍縣苗尾鄉(xiāng)境內(nèi)的瀾滄江干流上，是瀾滄江上游河段一庫(kù)七級(jí)開發(fā)方案中的最下游一級(jí)電站。電站為一等大（1）型工程，大壩為1 級(jí)建筑物，礫質(zhì)土心墻堆石壩壩頂高程1 414.80 m，最大壩高131.30 m，壩頂軸線長(zhǎng)576.68 m，壩頂寬度12.0 m，上、下游壩坡均為1∶2.0。壩體防滲結(jié)構(gòu)采用礫質(zhì)土心墻，心墻頂高程為1 412.80 m，心墻底高程1 285.00 m，心墻最大高度127.80 m，心墻頂寬4.0 m，上、下游坡比1∶0.25。大壩反濾料采用石料場(chǎng)開采軋制料，過渡料采用工程洞挖料和石料場(chǎng)開采軋制料，堆石料Ⅰ區(qū)采用工程開料填筑，堆石料Ⅱ區(qū)采用石料場(chǎng)開采料填筑。石料場(chǎng)巖體巖性主要為片麻巖，工程開挖料巖性主要為砂質(zhì)絹云板巖及變質(zhì)石英砂巖。大壩剖面見圖1。

圖1 大壩典型橫剖面圖Fig.1 Typical cross section of the dam

2 動(dòng)力計(jì)算本構(gòu)模型

本次計(jì)算采用等價(jià)粘彈性模型。計(jì)算中動(dòng)力剪切模量G和阻尼比λ按下列兩式計(jì)算：其中：P=（σ1+σ2+σ3）/3，γd為動(dòng)剪應(yīng)變幅值，k1、k2為動(dòng)剪模量常數(shù)，λmax為最大阻尼比，為歸一化的動(dòng)剪應(yīng)變，表示為。參數(shù)k1、k2、λmax可由常規(guī)動(dòng)力三軸試驗(yàn)測(cè)定，動(dòng)模量常數(shù)k1、k2從動(dòng)彈模Ed與動(dòng)應(yīng)變?chǔ)興的試驗(yàn)曲線出發(fā)，經(jīng)過轉(zhuǎn)換整理得出，λmax從阻尼λ與動(dòng)應(yīng)變?chǔ)興的試驗(yàn)曲線出發(fā)整理。

3 有限元模型及動(dòng)力計(jì)算參數(shù)

3.1 計(jì)算網(wǎng)格

三維有限元網(wǎng)格劃分時(shí)，實(shí)體單元一般采用8結(jié)點(diǎn)六面體等參單元。為適應(yīng)邊界條件以及壩料分區(qū)的變化，部分采用三棱體和四面體作為退化的六面體單元處理，單元根據(jù)大壩填筑施工順序排序。根據(jù)上述劃分依據(jù)，本次計(jì)算總單元數(shù)24 960個(gè)、總結(jié)點(diǎn)數(shù)25 966個(gè)。圖2為三維有限元網(wǎng)格剖分圖。

圖2 三維有限元網(wǎng)格剖分圖Fig.2 3D finite element grid

3.2 動(dòng)力計(jì)算參數(shù)

3.2.1 壩料動(dòng)力計(jì)算參數(shù)

本次計(jì)算中，壩殼堆石料、心墻土料、反濾料等主要筑壩材料的動(dòng)力參數(shù)根據(jù)可研階段和施工技施階段有關(guān)壩料動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)果確定。未開展動(dòng)力試驗(yàn)的壩料，其動(dòng)力參數(shù)根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合工程類比方法確定。各壩料動(dòng)力計(jì)算參數(shù)詳見表1。

表1 壩料動(dòng)力計(jì)算參數(shù)Table 1 Dynamic calculation parameters of the damming materials

3.2.2 地震動(dòng)參數(shù)

根據(jù)GB 18306-2015《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》、NB 35047-2015《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，通過地震危險(xiǎn)性分析，壩址基巖場(chǎng)地50年超越概率10%的峰值加速度為138.5 gal，工程場(chǎng)地地震基本烈度為Ⅶ度。按相關(guān)規(guī)范要求，本工程大壩的抗震設(shè)防類別為甲類，抗震設(shè)防烈度在基本烈度基礎(chǔ)上提高1 度為Ⅷ度，抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用100 年超越概率2%的峰值加速度269.6 gal，抗震校核標(biāo)準(zhǔn)采用100年超越概率1%的峰值加速度314.7 gal。壩址基巖場(chǎng)地設(shè)計(jì)、校核地震動(dòng)參數(shù)見表2，地震加速度時(shí)程線見圖3和圖4。

圖3 設(shè)計(jì)地震基巖水平加速度時(shí)程線（100年2%）Fig.3 Curve of horizontal acceleration of bedrock and time in design earthquake

圖4 校核地震基巖水平加速度時(shí)程線（100年1%）Fig.4 Curve of horizontal acceleration of bedrock and time in checking earthquake

表2 壩址基巖場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)Table 2 Ground motion parameters of the bedrock at dam site

4 動(dòng)力分析計(jì)算結(jié)果

4.1 設(shè)計(jì)和校核地震動(dòng)作用下抗震復(fù)核分析

采用動(dòng)力有限元分析方法，對(duì)苗尾礫質(zhì)土心墻壩壩體在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和校核標(biāo)準(zhǔn)地震動(dòng)作用下的動(dòng)應(yīng)力變形進(jìn)行計(jì)算分析，壩體抗震復(fù)核結(jié)果見表3。地震安評(píng)報(bào)告根據(jù)反應(yīng)譜人工合成了3條樣本曲線，對(duì)比分析大壩對(duì)各條地震波動(dòng)力反應(yīng)的差別發(fā)現(xiàn)：設(shè)計(jì)地震工況下輸入地震動(dòng)AT10022 時(shí)，壩體動(dòng)力反應(yīng)總體最為強(qiáng)烈、永久變形和振動(dòng)孔壓也最大，而校核地震工況下輸入地震動(dòng)AT10011 時(shí)，壩體動(dòng)力反應(yīng)總體最為強(qiáng)烈、永久變形和振動(dòng)孔壓也最大。因此從安全角度考慮，計(jì)算時(shí)設(shè)計(jì)地震工況下輸入地震動(dòng)參數(shù)AT10022、校核地震工況下輸入地震動(dòng)參數(shù)AT10011。

表3 設(shè)計(jì)和校核地震動(dòng)作用下大壩動(dòng)應(yīng)力變形計(jì)算分析結(jié)果Table 3 Analysis of the dam in design and checking earthquake

4.1.1 壩體地震動(dòng)力反應(yīng)加速度

設(shè)計(jì)地震工況下，大壩壩軸向、順河向和垂直向的最大加速度放大倍數(shù)分別為3.63、3.72和3.76，壩體加速度反應(yīng)在順河向最為強(qiáng)烈。隨著高程增加，高頻波被吸收，振動(dòng)周期變長(zhǎng)，與大壩主振頻率更為接近，大壩動(dòng)力反應(yīng)也越大，壩頂部15 m范圍內(nèi)壩體的加速度放大系數(shù)增加明顯，存在地震“鞭梢”效應(yīng)。由于壩頂附近加速度絕對(duì)值較大，堆石存在局部松動(dòng)、滑落的可能性，因此有必要在上、下游坡采取一定的抗震工程措施。

校核地震工況下，壩體動(dòng)力應(yīng)力變形規(guī)律與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)地震工況計(jì)算結(jié)果大體相同，只是壩體反應(yīng)加速度放大倍數(shù)有所減小，大壩壩軸向、順河向及垂直向最大反應(yīng)加速度放大倍數(shù)分別為3.56、3.68和3.72，壩頂區(qū)域壩體“鞭梢”效應(yīng)明顯。另外，圍堰頂部與棄渣壓坡體相接部位軸向與順河向的地震反應(yīng)加速度也較大。

4.1.2 壩體最大動(dòng)位移

設(shè)計(jì)地震工況下，大壩壩軸向、順河向和垂直向動(dòng)位移最大值分別為14.0 cm、14.8 cm和6.5 cm，大壩動(dòng)位移較大部位主要集中在河谷中央壩頂?shù)木植繀^(qū)域。校核地震工況下，壩軸向、順河向和垂直向動(dòng)位移最大值分別為16.1 cm、19.3 cm和8.5 cm。

4.1.3 地震永久變形

設(shè)計(jì)地震工況下，心墻壩壩體軸向永久變形表現(xiàn)為兩岸向河床的擠壓變形，指向右岸變形最大值為7.2 cm，指向左岸變形最大值為9.6 cm；上游壩殼部分順河向變形指向上游，最大值為15.6 cm，其余部分、心墻及下游壩殼的順河向變形均指向下游，最大值為24.9 cm，壩體震陷最大值為35.6 cm，發(fā)生在靠近壩頂上游壩殼內(nèi)。校核地震工況下，心墻壩壩體指向右岸永久變形最大值為13.6 cm，指向左岸永久變形最大值為10.5 cm，指向上游永久變形最大值為16.1 cm，指向下游永久變形最大值為30.3 cm，壩體震陷最大值為45.6 cm。計(jì)算結(jié)果表明，地震永久變形與壩高有著明顯的關(guān)系：河床部位壩體高度最大，地震永久變形也最大；接近岸坡處壩體高度較小，地震永久變形也相對(duì)較小。

4.2 地震期心墻抗剪安全性分析

根據(jù)Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則，心墻抗剪安全系數(shù)可表達(dá)為：式中：(τd)eff為等效動(dòng)剪應(yīng)力，(τd)max為地震過程中單元?jiǎng)蛹魬?yīng)力過程線的峰值。計(jì)算結(jié)果表明，設(shè)計(jì)和校核地震工況下，心墻內(nèi)部抗剪安全系數(shù)均大于1.0，心墻不會(huì)產(chǎn)生剪切破壞。圖5為設(shè)計(jì)地震和校核地震工況下壩0+286 剖面心墻內(nèi)抗剪安全系數(shù)分布圖。

圖5 地震期心墻抗剪安全系數(shù)分布圖Fig.5 Distribution of shear safety factor of the core wall during earthquake

4.3 地震期上游反濾Ⅰ料抗液化安全性分析

設(shè)計(jì)和校核地震工況下，最大振動(dòng)孔隙水壓力分別為90.8 kPa 和122.8 kPa，設(shè)計(jì)地震工況反濾I料孔壓比ud/σ3′最大值為0.72，校核地震工況反濾I料孔壓比ud/σ3′最大值為0.83，均小于1.0。根據(jù)有效應(yīng)力法判別標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)和校核地震不會(huì)觸發(fā)上游反濾I 料液化。設(shè)計(jì)地震工況下，反濾I 料內(nèi)部(τd)eff/(τd)l最大值為0.83，抗液化安全系數(shù)在1.20以上；校核地震工況下，反濾I料內(nèi)(τd)eff/(τd)l最大值為0.91，抗液化安全系數(shù)在1.10以上。根據(jù)總應(yīng)力法判別標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)和校核地震均不會(huì)觸發(fā)上游反濾I料液化。

4.4 壩坡抗震穩(wěn)定分析

采用擬靜力法計(jì)算，上、下游壩坡在穩(wěn)定滲流期的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為2.406和2.570，設(shè)計(jì)地震工況下分別為1.836和2.014，校核地震工況下分別為1.735和1.930，壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)都滿足規(guī)范要求。

采用有限元法計(jì)算，設(shè)計(jì)地震過程中，上游坡安全系數(shù)均大于1.0，最危險(xiǎn)時(shí)刻出現(xiàn)在5.54 s，最小安全系數(shù)為1.119；壩體下游坡安全系數(shù)均大于1.0，最危險(xiǎn)時(shí)刻出現(xiàn)在15.18 s，最小安全系數(shù)為1.203。校核地震過程中，上游壩坡安全系數(shù)均大于1.0，最危險(xiǎn)時(shí)刻出現(xiàn)在10.60 s，最小安全系數(shù)為1.059；下游壩坡安全系數(shù)均大于1.0，最危險(xiǎn)時(shí)刻出現(xiàn)在13.38 s，最小安全系數(shù)為1.139?？梢?，在設(shè)計(jì)和校核地震工況下，壩體上、下游坡安全系數(shù)均大于1.0，壩坡不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞，堆石壩上、下游壩坡均不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)失穩(wěn)破壞。

5 結(jié)語

（1）設(shè)計(jì)地震工況下，壩體軸向、順河向及垂直向最大反應(yīng)加速度放大倍數(shù)分別為3.63、3.72 和3.76，壩體軸向、順河向及垂直向最大動(dòng)位移為14.0 cm，14.8 cm 和6.5 cm。由于壩頂區(qū)域范圍內(nèi)附近動(dòng)力反應(yīng)較大，堆石存在局部松動(dòng)、滑落的可能性，因此有必要在壩頂以下15 m范圍內(nèi)的上、下游坡采取一定的抗震工程措施。

（2）設(shè)計(jì)地震工況下，大壩最大震陷為35.6 cm，約為壩高的0.28%，該量值在心墻壩經(jīng)驗(yàn)永久變形范圍內(nèi)。

（3）校核地震工況下，壩體動(dòng)力應(yīng)力變形規(guī)律與設(shè)計(jì)地震工況計(jì)算結(jié)果大體相同，只是壩體反應(yīng)加速度放大倍數(shù)有所減小，而動(dòng)位移、地震永久變形等動(dòng)力特征值都有所增大，但仍在正常范圍內(nèi)。

（4）設(shè)計(jì)地震和校核地震工況下，上游反濾I料內(nèi)動(dòng)孔壓比ud/σ3′最大值分別為0.72 和0.83，均小于1.0，抗液化安全系數(shù)(τd)l/(τd)eff最小值分別為1.20 和1.10。有效應(yīng)力法和總應(yīng)力法判別分析結(jié)果表明，反濾Ⅰ料不會(huì)發(fā)生液化。

（5）設(shè)計(jì)和校核地震工況下，心墻抗剪安全系數(shù)均大于1.0，心墻不會(huì)出現(xiàn)剪切破壞。

（6）穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表明，穩(wěn)定滲流期和地震工況下，上、下游壩坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，且有一定安全貯備，不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞。