新規(guī)范下某瀝青混凝土心墻壩抗震安全性復(fù)核分析

劉 慧，許 雷，2

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州 311122)

1 概況

某碾壓式瀝青混凝土心墻壩位于新疆特克斯縣境內(nèi)，最大壩高91.1m，上游壩坡1∶2.25，下游壩坡1∶1.8，最大斷面處下游綜合坡度約為1∶2.142。壩體填筑分區(qū)從上游至下游分別為上游砂礫料區(qū)、上游過渡料區(qū)、瀝青混凝土心墻、下游過渡料區(qū)、下游砂礫料區(qū)、下游利用料區(qū)、下游排水棱體區(qū)。瀝青混凝土心墻的厚度由頂厚0.4m臺階式漸變至底厚0.8m。

根據(jù)2009年電站工程場地地震安全性評價報告，工程區(qū)場地50年超越概率10%的基巖動峰值加速度為0.17g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度，攔河壩抗震設(shè)防類別為乙類。2015年發(fā)布的新版GB 18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》對國內(nèi)部分地區(qū)的地震動參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，部分已經(jīng)投入運行的水電站大壩的地震動參數(shù)比原設(shè)計取值要大[1- 2]，原設(shè)計計算成果已不能滿足大壩在定期檢查過程中對抗震安全性評價的要求。根據(jù)GB 18306—2015，該大壩工程區(qū)50年超越概率10%的基巖動峰值加速度為0.30g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅷ度，由于大壩為2級建筑物，抗震設(shè)防類別為乙類，在2019年大壩首次定期檢查過程中需采用水平地震動峰值加速度0.30g進(jìn)行大壩上、下游壩坡穩(wěn)定性復(fù)核計算，并結(jié)合壩頂高程復(fù)核成果和抗震安全性措施，綜合評價新規(guī)范要求下大壩抗震安全性。

2 壩體平面滲流計算分析

2.1 計算方法與參數(shù)

在進(jìn)行上下游壩坡穩(wěn)定性復(fù)核計算前，采用有限元法進(jìn)行壩體平面滲流計算，確定壩體浸潤線，計算程序采用加拿大GEO-SLOPE公司的巖土工程計算分析軟件包系列中的SEEP/W軟件，計算工況為上游正常蓄水位1305m時的穩(wěn)定滲流。計算區(qū)域為自壩體建基面以下，沿深度方向取至弱風(fēng)化下限；以心墻中心線為基點向上下游方向各取不小于300m。壩基底邊界為不透水邊界。各土層及材料的滲透系數(shù)取值由地勘報告和土工試驗綜合確定，見表1。

表1 大壩滲流計算參數(shù)

2.2 計算成果與分析

圖1為壩體浸潤線計算結(jié)果和上游高水位時壩基實測滲壓水位分布圖，正常蓄水位時壩體計算浸潤線與壩基實測滲壓水位分布形態(tài)基本吻合，心墻后壩基實測滲壓水位略高于計算值，主要是由于實測上游水位略高于正常蓄水位，壩體計算浸潤線與實測值相吻合，符合瀝青混凝土心墻堆石壩的滲流規(guī)律，計算成果能夠作為上、下游壩坡穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)。

圖1 正常蓄水位工況下壩體浸潤線

3 壩坡穩(wěn)定計算分析

3.1 計算方法與工況

根據(jù)DL/T 5395—2007《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》)的規(guī)定，土石壩壩坡穩(wěn)定分析可采用平面剛體極限平衡法計及條塊間作用力的簡化畢肖普法計算[3- 4]。計算程序采用中國水利水電科學(xué)研究院巖土所編制的“STAB2005邊坡穩(wěn)定分析程序”，同時用Geo-studio/Slope模塊驗證。壩坡穩(wěn)定計算區(qū)域同滲流計算區(qū)域，并在壩體平面滲流分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行壩坡穩(wěn)定分析。表2為壩坡穩(wěn)定計算工況[4]。

表2 大壩上、下游壩坡穩(wěn)定計算工況

3.2 計算參數(shù)

壩體材料動態(tài)抗剪強度采用靜態(tài)強度值，取自土工試驗得到的參數(shù)，見表3，由于缺少不固結(jié)不排水(UU)試驗參數(shù)和固結(jié)不排水(CU)試驗參數(shù)，且施工期壩坡穩(wěn)定性分析不是本次大壩抗震安全性復(fù)核的重點，因此所有工況均采用固結(jié)排水(CD)試驗參數(shù)的有效應(yīng)力法。

表3 大壩上、下游邊坡穩(wěn)定計算材料參數(shù)

地震動加速度峰值根據(jù)現(xiàn)行GB 18306—2015采用工程區(qū)50年超越概率10%的基巖動峰值加速度為0.30g，基本地震烈度為Ⅷ度。地震慣性力代表值和地震慣性力的動態(tài)分布系數(shù)根據(jù)NB 35047—2015《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》)的要求進(jìn)行取值[5]。

3.3 計算成果與分析

設(shè)計階段采用“STAB1995邊坡穩(wěn)定分析程序”進(jìn)行壩坡穩(wěn)定性計算，本次復(fù)核采用“STAB2005邊坡穩(wěn)定分析程序”和Geo-studio/Slope模塊2種方式進(jìn)行計算，計算成果見表4，由表4可得：

表4 大壩上、下游壩坡穩(wěn)定計算成果表

(1)本次復(fù)核計算的正常蓄水位和竣工期條件下大壩上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與設(shè)計成果(設(shè)計成果取自工程竣工驗收技術(shù)鑒定之二設(shè)計自檢報告，以下同)接近，說明不同軟件計算所得結(jié)果基本一致，本次復(fù)核成果可用于大壩抗震安全性評價。

(2)原設(shè)計基巖動峰值加速度為0.17g，正常蓄水位+Ⅶ度地震情況下，上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.598、1.558；本次抗震復(fù)核計算結(jié)果表明，基巖動峰值加速度提高到0.3g后，正常蓄水位+Ⅷ度地震情況下，上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.369、1.292，說明基巖動峰值加速度提高后，壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)有明顯降低。死水位+Ⅷ度地震情況下，上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.353、1.329。由此可見，正常蓄水位、死水位在遭遇Ⅷ度地震情況下，上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求的2級建筑物抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)1.15，且有一定的安全裕度[6- 7]。

4 壩頂高程復(fù)核

4.1 計算方法與參數(shù)

根據(jù)DL/T 5395—2007規(guī)定，壩頂高程分別按設(shè)計水位加正常運用條件下、設(shè)計洪水位加正常運用情況、校核洪水位加非常運用情況、正常蓄水位加地震非常運用情況等4種運用情況下計算得到的壩頂超高，取其最大值。

波浪爬高和風(fēng)壅水面高度根據(jù)規(guī)范和設(shè)計參數(shù)確定。地震涌浪高度可根據(jù)設(shè)計烈度和壩前水深采用0.5～1.5m，日本地震涌浪高度按1%壩高估計，經(jīng)綜合考慮，本次復(fù)核取1m。壩頂沉陷一般不超過壩高的0.5%～1%，在設(shè)計階段，大壩經(jīng)有限元法計算得到設(shè)計工況(加速度為0.17g)下最大震陷量為0.56m，校核工況(加速度為0.47g)下最大震陷量為1.38m，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，工程區(qū)50年超越概率10%的基巖動峰值加速度為0.30g，通過線性插值可得加速度為0.30g時，大壩最大震陷量為0.91m，約為壩高的1%，故壩頂沉陷取0.91m[8- 9]。

4.2 計算成果與分析

大壩壩頂高程復(fù)核計算結(jié)果見表5，規(guī)范規(guī)定的四種工況下，大壩防浪墻頂計算高程最大值為1308.80m，不超過原設(shè)計防浪墻頂高程，但現(xiàn)狀防浪墻頂高程低于計算高程最大值約0.25m。根據(jù)實測資料，壩頂實際高程為1307.45m，比正常蓄水位1305.00m和設(shè)計洪水位1304.23m均高出0.5m以上，且不低于校核洪水位1306.93m，滿足規(guī)范的要求。

表5 大壩壩頂高程計算結(jié)果 單位:m

在地震工況下，地震安全超高的取值會對壩頂高程計算值產(chǎn)生顯著的影響，此次計算中，壩頂沉陷約占壩高的1%，基本為上限值，而地震涌浪高度取了中間值，若取為上限值1.5m，地震工況下防浪墻頂高程應(yīng)為1309.26m，超出現(xiàn)狀防浪墻高程約0.71m，若取為下限值0.5m，地震工況下防浪墻頂高程應(yīng)為1308.26m，低于現(xiàn)狀防浪墻高程約0.29m?？紤]到大壩在地震工況下有0.70m的安全超高，現(xiàn)狀防浪墻高程即使略低于計算值也僅使安全超高裕度有所降低，不影響大壩運行安全，故可認(rèn)為在地震工況下防浪墻頂高程基本能滿足規(guī)范要求。

5 大壩抗震安全性綜合評價

某瀝青混凝土心墻壩根據(jù)現(xiàn)行GB 18306—2015的要求，工程區(qū)50年超越概率10%的基巖動峰值加速度由設(shè)計階段0.17g調(diào)整至0.30g，為滿足大壩安全定期檢查過程中大壩抗震安全性評價的要求，按照新規(guī)范給出的參數(shù)和提出的要求對大壩抗震進(jìn)行復(fù)核計算，計算成果表明：

(1)基巖動峰值加速度由0.17g提高到0.3g后，正常蓄水位+Ⅷ度地震情況下，上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)有明顯降低，分別降低14%和17%。上、下游壩坡在Ⅷ度地震工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最小值為1.292，大于規(guī)范要求的最小安全系數(shù)1.15，且有一定的安全裕度。

(2)地震動參數(shù)調(diào)高，地震沉陷量增大，導(dǎo)致地震工況下大壩防浪墻計算高程有所增大，考慮地震涌浪及地震沉陷量，正常蓄水位加地震非常運用情況下，該大壩壩頂高程滿足規(guī)范要求，防浪墻頂高程基本滿足規(guī)范要求。

(3)在設(shè)計階段，大壩有針對性地采取了一定的抗震措施。例如，加寬壩頂、提高壩體的密實度、加強不同部位的連接等，這些措施均有利于壩體結(jié)構(gòu)的抗震安全性；另外，筑壩材料為砂礫石，其透水能力強，可保證地震時壩體產(chǎn)生的孔隙水壓力迅速消失，有利于壩坡穩(wěn)定。

綜上所述，該大壩在Ⅷ度地震作用的情況下，上、下游壩坡能夠處于穩(wěn)定狀態(tài)，壩頂高程滿足規(guī)范要求，設(shè)計階段采取的抗震措施有助于壩體主要結(jié)構(gòu)在遭遇地震時能夠安全運行。

6 結(jié)語

新版《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》發(fā)布后，部分地區(qū)地震動參數(shù)要比原設(shè)計取值大，由于大壩設(shè)計一般較為保守，安全裕度較大，且采取了一定的抗震措施，按照新規(guī)范給出的參數(shù)和提出的要求進(jìn)行復(fù)核分析，大壩抗震安全性往往是可以滿足新規(guī)范要求的，無需采取工程措施。按照規(guī)范要求，對于地震烈度Ⅷ、Ⅸ且壩高70m以上的土石壩，在進(jìn)行抗震穩(wěn)定計算時應(yīng)同時采用擬靜力法和有限元法，本文僅采用了擬靜力法，在進(jìn)行大壩抗震安全性評價時是存在一定欠缺的。今后遇到類似工程抗震安全性復(fù)核計算時應(yīng)盡量采用兩種方法進(jìn)行綜合分析，確保評價結(jié)果全面、可靠。