西藏高地震區(qū)碾壓混凝土重力壩抗震研究

周廷清，吳世勇，朱瑞晨

(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)

西藏高原工程地區(qū)某水電站位于青藏高原拉薩地體南部邊緣，靠近YLZBJ縫合帶，區(qū)域內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，工程區(qū)地震基本烈度達(dá)Ⅷ度。該電站總裝機(jī)容量660 MW，攔河大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高為117 m，壩頂長(zhǎng)度385 m，共分17個(gè)壩段。根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL5073-2000)及工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)成果，本工程場(chǎng)地地震基本烈度為Ⅷ度，大壩抗震設(shè)防類別為乙類，設(shè)計(jì)地震工水平地震動(dòng)峰值加速度為179 gal(50年超越概率10%)，復(fù)核地震工水平地震動(dòng)峰值加速度為236 gal(50年超越概率5%)。該電站工程規(guī)模較大，碾壓混凝土重力壩高較高，為確保工程安全，需對(duì)該水電站的抗震安全性進(jìn)行分析研究，以保證大壩抗震安全評(píng)價(jià)的可靠。本文擬采用材料力學(xué)的懸臂梁法和三維限元法[1-4]對(duì)選取的9號(hào)溢流壩段、10號(hào)泄洪沖沙底孔壩段、11號(hào)廠引壩段、15號(hào)擋水壩段共4個(gè)典型壩段進(jìn)行靜、動(dòng)力反應(yīng)分析，評(píng)價(jià)大壩抗震安全性。

1 基本資料

1.1 大壩體型幾何參數(shù)

4個(gè)典型壩段的主要幾何參數(shù)為：9號(hào)溢流壩段壩高117 m，壩頂寬度41.5 m，壩底最大寬度101 m；10號(hào)泄洪沖沙底孔壩段壩高117 m，壩頂寬度26.5 m，壩底最大寬度101 m；11號(hào)廠引壩段壩高111 m，壩頂寬度29 m，壩底最大寬度96.5 m；15號(hào)擋水壩段壩高81 m，壩頂寬度26 m，壩底最大寬度62.7 m，典型壩段剖面圖見(jiàn)圖1。

圖1 典型壩段剖面圖

1.2 計(jì)算參數(shù)

某水電站重力壩大體積混凝土共分3個(gè)區(qū)，分別為碾壓混凝土為C9015、碾壓混凝土C9020、態(tài)混凝土為C9020混凝土，結(jié)構(gòu)混凝土采用C25、C40混凝土，混凝土材料的靜、動(dòng)態(tài)物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。根據(jù)地質(zhì)勘探成果，9、10、11號(hào)典型壩段基礎(chǔ)位于Ⅲ1類基巖上，15號(hào)典型壩段基礎(chǔ)位于Ⅲ2類基巖上，相應(yīng)的巖體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 混凝土材料參數(shù)

表2 典型壩段建基面巖體物理力學(xué)參數(shù)

1.3 地震作用

動(dòng)力分析中采用振型分解反應(yīng)譜，反應(yīng)譜法計(jì)算中的反應(yīng)譜為規(guī)范反應(yīng)譜[4]，場(chǎng)地特征周期Tg=0.2 s，設(shè)計(jì)反應(yīng)譜最大值的代表值βmax=2.0，設(shè)計(jì)地震基巖水平向地震動(dòng)峰值加速度為179 gal，復(fù)核地震基巖水平向地震動(dòng)峰值加速度為236 gal，豎向地震設(shè)計(jì)值取為水平向的2/3。大壩地基輻射阻尼影響分析時(shí)采用時(shí)程法，時(shí)程法分析中的地震波采用以規(guī)范反應(yīng)譜為目標(biāo)譜擬合的人工地震波，如圖2所示。

圖2 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)譜擬合的人工地震加速度時(shí)程

2 材料力學(xué)懸臂梁法及有限元法抗震安全分析及評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)4個(gè)典型壩段的動(dòng)力分析，得到某水電站大壩的自振頻率(見(jiàn)表3)，兩種方法計(jì)算的自振頻率比較結(jié)果，自振頻率最大的均為15號(hào)擋水壩段，為2.33 Hz(材料力學(xué)懸臂梁法)、2.99 Hz(有限元法)。

表3 各典型壩段自振頻率結(jié)果 Hz

在靜荷載作用下，材料力學(xué)懸臂梁法的分析結(jié)果顯示(見(jiàn)表4)，4個(gè)典型壩段的壩面基本無(wú)拉應(yīng)力出現(xiàn)，壩體處于受壓狀態(tài)，大壩靜態(tài)基本荷載作用下的應(yīng)力水平不高。而三維有限元分析結(jié)果顯示，壩段應(yīng)力基本處于受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力水平不高；大壩壩踵附近壩面倒角部位有拉應(yīng)力出現(xiàn)，但量值較小；由于上游壩踵附近壩面采取了弧形倒角，大壩建基面垂直向應(yīng)力均為壓應(yīng)力，故滿足拉應(yīng)力范圍不超過(guò)壩基灌漿帷幕線，滿足規(guī)范要求[5]。

表4 各典型壩段靜態(tài)應(yīng)力成果 MPa

在靜力荷載疊加動(dòng)力作用下，材料力學(xué)懸臂梁法的分析結(jié)果顯示(見(jiàn)表5)，規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜設(shè)計(jì)地震和復(fù)核地震作用兩種情況下，各典型壩段靜動(dòng)綜合應(yīng)力水平總體不高，設(shè)計(jì)地震下，上游面靜動(dòng)綜合拉應(yīng)力最大部位出現(xiàn)在11號(hào)廠引壩段，為1.26 MPa，復(fù)核地震下這一位置拉應(yīng)力為2.12 MPa，下游面靜動(dòng)綜合拉應(yīng)力最大部位在11號(hào)廠引壩段，為1.40MPa，復(fù)核地震下這一位置拉應(yīng)力為2.19 MPa，各典型壩段靜動(dòng)綜合壩面壓應(yīng)力最大值均小于5 MPa。各典型壩段進(jìn)行抗震強(qiáng)度安全校核結(jié)果表明，設(shè)計(jì)地震作用下各典型壩段大壩混凝土的抗拉、抗壓強(qiáng)度安全均滿足現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求[6]，且有較大安全裕度；復(fù)核地震作用下各典型壩段大壩混凝土抗拉、抗壓強(qiáng)度基本可滿足要求，僅10號(hào)泄洪沖沙底孔壩段高程和15號(hào)擋水壩段高程下游面折坡處的最大主拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度容許值，10號(hào)泄洪沖沙底孔壩段抗震強(qiáng)度安全校核結(jié)果見(jiàn)表6。地震作用下，對(duì)典型壩段沿建基面抗滑穩(wěn)定安全進(jìn)行校核(見(jiàn)表7)，校核結(jié)果表明建基面抗滑穩(wěn)定安全性可以滿足規(guī)范要求[7]。

表5 各典型壩段靜動(dòng)綜合應(yīng)力成果，材料力學(xué)懸臂梁法 MPa

表6 10號(hào)泄洪沖砂底孔壩段壩體抗震強(qiáng)度校核結(jié)果，材料力學(xué)懸臂梁法 MPa

表7 各典型壩段建基面抗滑穩(wěn)定校核結(jié)果，材料力學(xué)懸臂梁法 kN

三維有限元分析結(jié)果顯示(見(jiàn)表8)，較大拉應(yīng)力發(fā)生在各典型壩段壩踵和下游面中上部的折坡位置，設(shè)計(jì)地震工況下，壩踵拉應(yīng)力因局部的應(yīng)力集中效應(yīng)，各典型壩段最大拉應(yīng)力基本發(fā)生在壩踵；各壩段下游面中上部高程的靜動(dòng)綜合拉應(yīng)力范圍較大，是影響重力壩抗震安全的一個(gè)關(guān)鍵部位；設(shè)計(jì)和復(fù)核地震作用下，各典型壩段建基面的垂直拉應(yīng)力寬度均未超過(guò)壩基上游防滲灌漿帷幕線，滿足規(guī)范要求[8]。

表8 各典型壩段靜動(dòng)綜合應(yīng)力成果，三維有限元法 MPa

大壩極限抗震能力分析根據(jù)損傷理論[7-9]，將壩體材料按混凝土損傷塑性本構(gòu)模型進(jìn)行模擬，并假定地基材料仍為線彈性，外荷載與材料參數(shù)等不變，并且考慮地基地基輻射阻尼作用，通過(guò)不斷加大規(guī)范波設(shè)計(jì)地震作用的倍數(shù)，計(jì)算典型壩段的損傷發(fā)展情況，分析重力壩的地震超載能力，地震超載能力系數(shù)以損傷區(qū)范圍超過(guò)壩體上游防滲層和壩基防滲帷幕中心線為判斷標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算結(jié)果表明：9號(hào)溢流壩段在2.6倍地震時(shí)壩體中部損傷區(qū)發(fā)展到壩體厚度的一半左右已貫穿壩體上游防滲層；10號(hào)底孔壩段在2.5倍地震時(shí)壩體頭部損傷區(qū)發(fā)展到壩體厚度的一半左右，此時(shí)壩體上游防滲層已被貫穿。11號(hào)廠房壩段在2.8倍地震時(shí)壩基上游損傷帶寬度有限，未超過(guò)壩基灌漿帷幕線，但是壩體中部上游水平損傷帶已貫穿壩體上游防滲層。15號(hào)擋水壩段在3.3倍地震時(shí)壩體損傷自下游壩坡轉(zhuǎn)折處幾乎貫穿至上游面，壩基損傷帶已貫穿壩基帷幕線。綜合分析大壩極限抗震能力約為2.5倍設(shè)計(jì)地震，相應(yīng)的基巖水平峰值加速度約為0.448g，而復(fù)核地震的基巖水平峰值加速度0.236g，故復(fù)核地震作用下能夠滿足“不潰壩”的安全要求，且有較大的安全裕度。從超載時(shí)損傷區(qū)擴(kuò)張來(lái)看，壩段上下游變截面高程附近為相對(duì)薄弱部位。

大壩抗震計(jì)算分析時(shí)，地基一般是按照無(wú)質(zhì)量截?cái)嗟鼗Ｐ瓦M(jìn)行模擬，未能計(jì)及無(wú)限地基輻射阻尼的影響，這會(huì)使結(jié)構(gòu)地震動(dòng)響應(yīng)比實(shí)際情況有所偏大[10-11]。假定壩體線彈性材料時(shí)，考慮無(wú)限地基輻射阻尼后，大壩的動(dòng)力反應(yīng)規(guī)律與無(wú)質(zhì)量地基模型基本相同，但壩體的整體反應(yīng)水平顯著降低，其中，高拉應(yīng)力區(qū)范圍明顯縮小的同時(shí)，最大應(yīng)力值降低了無(wú)質(zhì)量地基情況下的13%～47%。假定壩體非線性材料分析時(shí)，在不考慮輻射阻尼情況下，在壩踵和壩段剖面轉(zhuǎn)折等應(yīng)力集中處出現(xiàn)不同程度的損傷，10號(hào)泄洪沖沙底孔壩段和11號(hào)廠引壩段下游面折坡處(高程3 420 m)附近損傷范圍較大，考慮地基輻射阻尼后，由于拉應(yīng)力大幅減小，損傷區(qū)域僅發(fā)生在上游壩踵處。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜合上述，通過(guò)對(duì)某水電站碾壓混凝土重力壩典型壩段進(jìn)行抗震計(jì)算分析，可以得到如下主要結(jié)論：

1)材料力學(xué)懸臂梁法抗震分析和安全評(píng)價(jià)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)地震規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜作用下，各典型壩段大壩混凝土的抗壓、抗拉強(qiáng)度安全均能滿足現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求，且有一定安全裕度。復(fù)核地震規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜作用下，各壩段大壩混凝土抗拉、抗壓強(qiáng)度基本滿足要求，底孔壩段和擋水壩段下游壩面高程折坡處出現(xiàn)高拉應(yīng)力區(qū)，部分超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度，可采用局部設(shè)置抗震鋼筋的方式增強(qiáng)抗震性能。

2)三維有限元法分析結(jié)果表明，大壩總體反應(yīng)及自振特性等成果與懸臂梁法基本吻合，但三維有限元方法揭示了在壩段內(nèi)某些懸臂梁法無(wú)法考慮的局部角緣、孔口等薄弱部位存在一些拉應(yīng)力集中區(qū)。設(shè)計(jì)和復(fù)核地震作用下，各典型壩段建基面的垂直拉應(yīng)力寬度均未超過(guò)壩基上游防滲灌漿帷幕線，滿足規(guī)范要求。

3)大壩地基輻射阻尼影響分析結(jié)果表明，以非線性損傷模型模擬壩體混凝土材料，考慮無(wú)限地基輻射阻尼實(shí)際情況，在設(shè)計(jì)地震作用下，各典型壩段主要在壩踵部位出現(xiàn)局部損傷，基本僅限于壩踵表層單元，各典型壩段下游壩頭折坡部位未發(fā)生損傷，故設(shè)計(jì)地震作用下大壩的整體安全性是有保證的。

4)大壩極限抗震能力約為2.5倍設(shè)計(jì)地震，相應(yīng)的基巖水平峰值加速度約為0.448g，而復(fù)核地震的基巖水平峰值加速度0.236g，故復(fù)核地震作用下能夠滿足“不潰壩”的安全要求。