豐滿新建碾壓混凝土重力壩極限抗震能力研究

郭建業(yè)，銀佳男，胡志強

（1.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021；2.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024）

1 工程概況

豐滿水電站重建工程是按恢復(fù)電站原任務(wù)和功能，在老壩下游120 m處新建一座大壩，并利用原三期工程。工程實施后以發(fā)電為主，兼顧防洪、城市及工業(yè)供水、灌溉、生態(tài)環(huán)境保護，并具有旅游、水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合效益。

水庫正常蓄水位263.50 m，設(shè)計洪水位268.20 m，校核洪水位268.50 m，總庫容103.77億m3。新建電站總裝機容量1 480 MW，為Ⅰ等大（1）型工程。

電站樞紐主要建筑物由碾壓混凝土重力壩、壩身泄洪系統(tǒng)、左岸泄洪兼導(dǎo)流洞、壩后式引水發(fā)電系統(tǒng)、GIS開關(guān)站、過魚設(shè)施及利用的原三期電站組成。擋水、泄水及消能防沖、引水建筑物及發(fā)電廠房等永久性主要建筑物級別為1級，過魚設(shè)施建筑物、廠房尾水渠擋墻等永久性次要建筑物級別為3級。

碾壓混凝土重力壩共分56個壩段，壩頂總長1 068.00 m，壩頂高程269.50 m，最大壩高94.50 m。其中1～9號壩段為左岸擋水壩段，總長162.00 m；10～19號壩段為河床溢流壩段，總長180.00 m；20～25號壩段為引水壩段，總長168.00 m；26～56號壩段為右岸擋水壩段，總長558.00 m。

大壩抗震設(shè)防類別屬“甲”類，其設(shè)計地震加速度代表值的概率水準取基準期100年內(nèi)超越概率2%，校核地震加速度代表值的概率水準取基準期100年內(nèi)超越概率1%，相應(yīng)的基巖水平地震動峰值加速度分別為186.43 gal和221.75 gal。

2 壩基工程地質(zhì)條件

壩址位于松花江上游豐滿峽谷口，谷底寬約450.00 m，高程184.00～190.00 m，兩岸山頂高程一般500.00～700.00 m。左岸地形坡度25°～35°，右岸地形坡度5°～20°[1]。

壩址基巖主要為二疊系下統(tǒng)一拉溪組變質(zhì)礫巖（P1y）和第四系地層，侵入巖為華力西晚期花崗巖、閃長巖及正長巖巖脈。變質(zhì)礫巖具有明顯的變余層理，分布于整個壩址，產(chǎn)狀一般走向N25°～35°W，傾向NE，傾角25°～45°[1]。

基巖巖質(zhì)堅硬，抗風(fēng)化能力強，河床無全、強風(fēng)化帶，兩岸山坡強風(fēng)化帶厚1～5 m，右岸階地局部存在0～5 m厚的強風(fēng)化巖石。弱風(fēng)化帶厚度：左岸山坡10～20 m，河床10～15 m，右岸階地15～20 m，右岸山坡15～40 m[1]。壩基開挖期爆前聲波測試成果表明，壩基弱風(fēng)化巖體縱波速為2.00～5.91 km/s，完整性系數(shù)為0.11～0.97，多屬較完整～完整巖體和完整性差～較完整巖體，部分為完整性差巖體，局部為較破碎～破碎巖體。

根據(jù)《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》的規(guī)定，結(jié)合大壩建基巖體縱波速、巖體完整性、風(fēng)化程度、斷層與裂隙發(fā)育程度及巖體透水性等，將壩基巖體結(jié)構(gòu)分為4類。其中，ⅡA類巖體約占34.94%、Ⅲ1A類巖體約占50.42%、Ⅳ1A類巖體約占5.86%、Ⅳ2A類及Ⅴ類巖體約占8.78%。ⅡA類巖體主要分布在17～22號、25～26號、38～42號、44號及56號壩段。Ⅳ1A類和Ⅳ2A類巖體主要分布在F67斷層破碎帶出露的30～32號壩段。

壩基斷裂構(gòu)造較發(fā)育，按產(chǎn)狀可分為4組：走向N20°～30°W，傾向SW，傾角70°以上；走向N40°～70°W，傾向NE，傾角50°～80°；走向N5°～25°E，傾向NW，傾角多為60°～80°；走向N60°～85°E，多傾向NW，傾角70°～80°。

壩基多為微透水～弱透水巖體，局部為中等透水巖體。壩基巖體相對隔水層埋深：左岸山坡25～75 m，河床35～75 m，右岸階地50～90 m，右岸山坡30～110 m[1]。

3 大壩極限抗震能力研究對象

根據(jù)豐滿新建大壩的整體布置及各典型壩段的體型特點，選取建基高程最低的擋水壩段，即26號擋水壩段，創(chuàng)建反映大壩-地基-庫水體系的二維有限元分析模型，綜合考慮遠域地基的輻射阻尼效應(yīng)、壩體混凝土和近域地基巖體的材料非線性等因素的影響，確定計算參數(shù)，開展大壩地震破壞機理、破壞模式和極限抗震能力研究。

在非線性地震響應(yīng)分析中，分別采用粘彈性人工邊界、流固耦合模型、塑性-損傷本構(gòu)模型、擴展的Drucker-Prager本構(gòu)模型分析壩-基動力相互作用、壩-庫水動力相互作用、壩體混凝土和壩基巖石材料的非線性變形特性等對壩體動力響應(yīng)的影響。

4 大壩極限抗震能力研究方法

混凝土重力壩極限承載能力計算方法通常有兩種：強度儲備法，關(guān)注材料強度的不確定性和潛在的弱化效應(yīng)，通過降低材料強度而使結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，相應(yīng)的強度折減倍數(shù)即為強度儲備安全系數(shù)；超載法，則是加大地震荷載的峰值，對結(jié)構(gòu)進行損傷計算，得到結(jié)構(gòu)破壞的臨界荷載。

對于混凝土重力壩極限抗震能力的評價標(biāo)準，可從多種角度進行綜合分析，其中，地基的變形、穩(wěn)定和壩體開裂破壞導(dǎo)致喪失擋水功能是決定重力壩抗震安全的關(guān)鍵因素。因此，可以根據(jù)地震超載工況下的壩體響應(yīng)、壩體混凝土損傷破壞演化過程、損傷區(qū)域發(fā)展范圍、壩體開裂模式及破壞等級、建基面抗滑穩(wěn)定性、計算收斂性等方面綜合評價大壩的極限抗震能力。

結(jié)合國內(nèi)外對混凝土壩極限抗震能力的研究及發(fā)展現(xiàn)狀，該項目研究采用放大設(shè)計地震動峰值加速度的地震超載分析方法，分別采用1，2，3，4，5倍的設(shè)計地震動峰值加速度對研究對象進行動荷載激勵，開展大壩-地基-庫水體系非線性地震響應(yīng)分析，評價新建碾壓混凝土重力壩的極限抗震能力。不同地震超載工況所對應(yīng)的水平地震動峰值加速度見表1。

表1 不同地震超載工況對應(yīng)的水平地震動峰值加速度

5 材料非線性計算參數(shù)

5.1 大壩混凝土非線性參數(shù)

采用ABAQUS軟件中的塑性-損傷本構(gòu)模型模擬大壩混凝土非線性本構(gòu)關(guān)系。在實際計算中，根據(jù)該工程大壩全級配混凝土試件在循環(huán)加載條件下的混凝土單軸拉伸、壓縮試驗數(shù)據(jù)，生成了能保證材料非線性迭代求解收斂且與試驗數(shù)據(jù)較為相符的拉應(yīng)力-開裂應(yīng)變和拉損傷因子-開裂應(yīng)變曲線，以及壓應(yīng)力-非彈性應(yīng)變和壓損傷因子-非彈性應(yīng)變曲線，見圖1，圖2。

圖1 塑性-損傷本構(gòu)模型的拉伸損傷曲線

圖2 塑性-損傷本構(gòu)模型的壓縮損傷曲線

根據(jù)全級配混凝土試驗成果，大壩碾壓混凝土動彈性模量取值為29.80 GPa，泊松比取值為0.09；大壩碾壓混凝土單軸抗拉、抗壓強度取值分別為1.84和44.89 MPa。

5.2 壩基巖體非線性參數(shù)

采用強度和變形特性擴展的Drucker-Prager彈塑性本構(gòu)模型模擬基巖材料的非線性本構(gòu)關(guān)系（見圖3）。Drucker-Prager模型的屈服函數(shù)：

圖3 線性Drucker-Prager屈服函數(shù)的子午面和平面

由圖3可見，Drucker-Prager本構(gòu)模型的屈服面在子午面上是線性函數(shù)。曲線a表示Mises模型在偏平面上的投影，相應(yīng)的k=1；曲線b表示Drucker-Prager模型在偏平面上的投影，相應(yīng)的k=0.8。

對于平面應(yīng)變問題，當(dāng)k=1時，Drucker-Prager模型的參數(shù)（β，d，ψ；其中ψ為膨脹角），與Mohr-Coulomb模型參數(shù)之間的關(guān)系（c，φ；其中c為粘聚力，φ為摩擦角）如式（2）～（5）所示。其中，26號擋水壩段壩基巖體為ⅡA變質(zhì)礫巖，壩體混凝土/基巖的φ=47.7°，c=1.1MPa。

此次計算中采用相關(guān)聯(lián)動法，則ψ=β，得

6 計算成果分析

根據(jù)混凝土重力壩極限抗震能力常用的評價標(biāo)準，分別從地震超載情況下的壩體位移響應(yīng)、損傷破壞過程及范圍、壩體開裂模式及破壞等級、壩基抗滑穩(wěn)定安全性、計算收斂性等方面綜合評價26號擋水壩段的極限抗震能力。

6.1 壩體位移響應(yīng)

重力壩地震位移響應(yīng)的最大值一般出現(xiàn)在壩頂，可以較好地反映大壩動力響應(yīng)的強烈程度，因此，選擇壩頂?shù)乃胶拓Q向位移時程響應(yīng)來研究大壩的超載能力。圖4為不同地震超載倍數(shù)下壩頂上游面節(jié)點的水平位移和豎向位移時間歷程圖。由圖4可見，隨著地震超載倍數(shù)的增加，壩頂位移幅值明顯增加，當(dāng)加速度超載倍數(shù)達到4時，在大約15 s之后，壩體水平和豎向位移偏離靜力荷載作用下的位移值，并在地震后期出現(xiàn)了永久位移；當(dāng)加速度超載倍數(shù)達到5時，在大約10 s之后，壩體出現(xiàn)較為顯著的水平和豎向永久位移。

圖4 不同地震超載倍數(shù)下26號擋水壩段壩頂位移時程圖

6.2 損傷破壞過程及范圍

隨地震超載倍數(shù)的增加，壩踵及壩體拉損傷區(qū)域逐漸變大，在設(shè)計地震工況下，壩踵區(qū)出現(xiàn)拉損傷區(qū)域，局部最大損傷值達到0.98；在2倍設(shè)計地震工況下，壩踵區(qū)損傷范圍略有增大，但與設(shè)計地震相比，壩體損傷區(qū)域和損傷程度變化不大；當(dāng)?shù)卣饎臃逯导铀俣冗_到3倍設(shè)計地震時，壩體拉損傷部位增多，除壩踵外，中部高程以上壩體下游側(cè)出現(xiàn)拉損傷區(qū)，損傷區(qū)域范圍也有不同程度的增大；當(dāng)?shù)卣饎臃逯导铀俣冗_到4倍設(shè)計地震時，壩體損傷部位顯著增多，尤其是壩體中上部區(qū)域，已有的拉損傷區(qū)域范圍進一步擴大，而且壩上部拉損傷區(qū)域沿上下游方向逐漸連通；當(dāng)?shù)卣饎臃逯导铀俣冗_到5倍設(shè)計地震時，壩體中部以上大部分區(qū)域進入高拉損傷區(qū)，形成貫穿性裂縫。

與壩體拉損傷范圍、大小和發(fā)展過程相比，壓損傷區(qū)范圍和大小也同樣隨地震超載倍數(shù)的增加而增加。壓損傷區(qū)主要出現(xiàn)在上游183.00 m高程至壩踵、灌漿廊道的頂部，壩體中上部等區(qū)域，但由于壩體混凝土抗壓強度高，壓損傷值相對較小。

地震超載分別為3，4和5倍的激勵下，大壩壩體整體拉損傷、壓損傷變量分布見圖5，6。

圖5 不同地震超載倍數(shù)下26號擋水壩段整體拉損傷變量分布圖

6.3 壩體開裂模式及破壞等級

根據(jù)計算得到的不同地震超載倍數(shù)下的壩體損傷范圍、損傷程度及導(dǎo)致后果的嚴重性，將混凝土重力壩在地震作用下的震害等級分為以下5個級別。

1）基本完好：壩體無可見裂縫或者只有局部小范圍區(qū)域出現(xiàn)細小的裂縫，不影響大壩的正常使用。

圖6 不同地震超載倍數(shù)下26號擋水壩段整體壓損傷變量分布圖

2）輕微損傷：壩踵局部、廊道出現(xiàn)拉損傷，但損傷區(qū)域離排水帷幕較遠，稍加修護大壩即可正常投入使用。

3）中等損傷：在大壩上游面、壩踵、灌漿排水廊道、折坡點、壩體中上部廊道下游壩頭部折坡點等多處區(qū)域出現(xiàn)拉損傷，但大部分損傷區(qū)的范圍較小，且損傷程度中等（損傷值一般不超過0.7），壩踵處損傷未延伸至壩基灌漿帷幕處，經(jīng)修復(fù)方能恢復(fù)原設(shè)計功能。

4）嚴重損傷：壩體上、下游壩面出現(xiàn)多處損傷，且損傷區(qū)域范圍較大，損傷程度較大（損傷值超過0.7），且破壞部位難以修復(fù)使用。

5）潰壩：壩頭或者壩體中上部形成貫穿性裂縫，甚至斷裂，大壩完全破壞，已無修復(fù)可能，失去既定的正常擋水功能。

從大壩損傷破壞過程、損傷范圍及損傷程度計算結(jié)果看，1倍和2倍設(shè)計地震工況下，可以認為震害等級均屬于輕微損傷；當(dāng)?shù)卣饎臃逯导铀俣冗_到3倍設(shè)計地震時，可以認為震害等級屬于中等損傷；當(dāng)?shù)卣饎臃逯导铀俣冗_到4倍設(shè)計地震時，可以認為壩體處于嚴重損傷等級；當(dāng)?shù)卣饎臃逯导铀俣冗_到5倍設(shè)計地震時，壩體中部以上大部分區(qū)域進入高拉損傷區(qū)，形成了多處貫穿裂縫，在上游水壓力、裂縫中揚壓力和地震荷載的聯(lián)合作用下，上部形成貫穿性裂縫的壩體可能會向下游傾倒，從而失去擋水功能，可以認為壩體處于潰壩級別。

6.4 壩基抗滑穩(wěn)定安全性

對26號擋水壩段建基面進行抗滑穩(wěn)定安全計算分析，得到不同地震超載倍數(shù)下建基面抗滑穩(wěn)定的抗力作用比時程分布，提取整個時程中建基面抗滑穩(wěn)定抗力作用比的最小值，結(jié)果見表2。由表2可見，隨著地震超載倍數(shù)的增加，建基面抗滑穩(wěn)定抗力作用比最小值降低，但在不同的地震超載倍數(shù)激勵下，壩體建基面均未發(fā)生滑動失穩(wěn)。

表2 不同地震超載倍數(shù)下建基面抗滑穩(wěn)定抗力作用比最小值

6.5 計算收斂性

在ABAQUS軟件中，如果結(jié)構(gòu)非線性響應(yīng)強烈和非線性范圍增加時，為了提高收斂性，軟件將自動減小增量步長，增加計算步數(shù)。因此，在相同的荷載時長下，計算步數(shù)越多則說明結(jié)構(gòu)響應(yīng)的非線性特性越強。表3給出了不同地震超載倍數(shù)下的計算步數(shù)，由表3可知，隨著地震超載倍數(shù)的增加，計算步數(shù)也相應(yīng)增加，但增加幅度不大。

表3 不同地震超載倍數(shù)下計算步數(shù)統(tǒng)計表

7 結(jié)語

豐滿水電站重建工程地位特殊，工程規(guī)模及社會影響大，新建碾壓混凝土重力壩的抗震安全是工程需要重點研究的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。本文針對豐滿重建工程26號最高擋水壩段，按照地震超載法，采用塑性損傷和彈塑性本構(gòu)模型，對大壩極限抗震能力進行了計算研究。根據(jù)計算結(jié)果，分別從壩體位移響應(yīng)、損傷破壞過程及范圍、壩體開裂模式及破壞等級、壩基抗滑穩(wěn)定安全性、計算收斂性等方面綜合評價并確定新建大壩的地震超載安全系數(shù)為4.0，相應(yīng)水平向地震動峰值加速度為745.72 gal。豐滿新建碾壓混凝土重力壩具備較強的極限抗震能力。