印度尼西亞錫索坎大壩的抗震分析

[印度尼西亞]N.穆爾揚托昂格等

劉洪亮 譯自英刊《水電與大壩》2009年第1期

印度尼西亞于2009年開始修建上錫索坎抽水蓄能電站。計劃使該電站的首批2臺機組于2013年投入運行,其余2臺機組將于2014年投入運行。電站總裝機容量為 4×260MW。

該工程由一家株式會社(Newjec)和一家聯營公司(Associates)2個單位承擔設計,設計工作已于2002年完成。該工程有2座壩:①上庫壩,是一座75 m高的 RCC建筑物;②下庫壩,也是 RCC建筑物,壩高 98 m。就地震荷載而言,這2座大壩均是按200a一遇運行基本地震(OBE)設計的。設計報告已得到印度尼西亞國營電力公司(PLN)的批準。

按照印度尼西亞的法規,一座大壩在施工之前,其設計必須通過印度尼西亞大壩安全委員會的批準。在水庫蓄水之前,業主必須獲得施工證書;在工程運行之前,還必須獲得蓄水證書。

原則上,印度尼西亞大壩安全委員會批準了上錫索坎抽水蓄能電站的設計方案。但是,還必須根據最大可信地震(MCE)對大壩及其方案進行分析,而不是根據 OBE進行分析。在開展分析的過程中,該委員會參考了美國墾務局的“混凝土拱壩和重力壩的設計標準”。

受 PLN的委托,印度尼西亞國營電力公司技術中心(Jasa Enjining)與印度尼西亞的各有關專家合作,對上錫索坎大壩的地震活動情況進行研究和動力分析。印度尼西亞國營電力公司技術中心已與萬隆工程學院工業研究分院(LAPI ITB)簽訂了協議,進行此項研究。

本文介紹了確定 MCE的地震風險分析結果,并分析了與 MCE有關的2座 RCC大壩。報告指出,該壩址處 MCE峰值地面加速度為0.28 g。該值接近于200a一遇的 OBE。但是,根據 MCE對該壩進行的動力分析的結果表明,大壩并非十分堅固。

該分析是在三維模型上,應用水平與垂直地震荷載分量進行的。如果僅考慮水平地震荷載,則大壩沒有問題。而且,即使是考慮了垂直地震荷載,對大壩進行的二維分析的結果也表明大壩沒有問題。

分析報告存在2個問題。首先,是否應該考慮垂直地震荷載的分量;其次,只進行二維分析而不進行三維分析是否可行。該報告必須提交給印度尼西亞大壩安全委員會進行審批。若大壩安全委員會拒絕該報告,則將對大壩設計方案進行修改。

1 背 景

上錫索坎工程是印度尼西亞的第1座抽水蓄能電站。它位于西爪哇省錫塔倫河支流之一的錫索坎河上游端、雅加達東南150km處。壩址于20世紀80年代中期選定,1992～1995年,對該工程進行了可行性研究。2001～2002年,進行了細部結構的設計,緊接著于2006～2007年進行了補充設計。

該工程包括上庫大壩和下庫大壩,均為碾壓混凝土大壩。上庫大壩最大壩高75.5 m,壩頂長 375 m;下庫大壩最大壩高 98 m,壩頂長294 m。兩座大壩均有一庫容約為1000萬 m3的水庫。連接兩座壩的輸水道包括2個進水口、2條長約1.2 km的引水隧洞、2個縮束孔口調壓井、2條斜壓力鋼管、4條尾水隧洞和泄水建筑物。地下廠房高51 m、寬26 m,長156.6m,安裝 4臺額定容量為260MW的可逆式水輪發電機組。

如上所述,該工程由 Newjec和 Associates公司設計,已于2002年完成。設計報告已通過了 PLN審批。但是,根據印度尼西亞大壩安全委員會的政策,目前,還必須根據 MCE對大壩進行分析。

目前正在籌備為上錫索坎抽水蓄能電站投資事宜。世界銀行投資主體工程和工程的服務項目,而PLN則投資前期工程。屆時將成立一個項目審查小組(PRP),該小組由國內和國外的專家組成,負責工程的設計和施工過程的檢查。項目審查小組還將對大壩的設計方案進行審查。在等待完成投資過程的同時,印度尼西亞國營電力公司(PLN)還指派意大利實驗測試中心參與確定 MCE的地震分析,以及對受到 MCE影響的錫索坎大壩進行動力分析。

2 大壩細部結構設計

2.1 地震分析

2.1.1 方 法

在進行工程細部結構設計期間,采用了以下地震分析方法。收集了全世界范圍的歷史地震資料。采用加速度衰減公式計算了壩址處由歷史地震誘發的加速度(表1)。從所有計算的加速度值中選出50例最大加速度。根據這50個值,對相應于50a、100a和200a重現期的最大加速度和設計地震系數進行分析。

表1 估算的錫索坎工程上下庫大壩的最大加速度

2.1.2 地震目錄

對地震數據的來源進行了仔細分析,以便盡可能多地收集發生在世界各地的歷史地震資料。分析發現,有222882個地震事件能夠滿足以下兩個條件:

(1)震級在里氏4.0級以上;

(2)震源深度不超過1000km。

所取的發生地震事件的時間為1904～1998年。

2.1.3 加速度衰減公式

通常,規范和標準中并沒有規定在進行水電工程地震風險分析時,應使用哪些衰減公式。往往是由顧問提出擬采用的衰減公式,然后經工程業主同意即可。

一般是采用不同的公式來計算壩址處由特定震級地震產生的峰值地面加速度。計算加速度的公式視震級、距壩址的距離和震源而定。已采用以下公式作為錫索坎抽水蓄能電站的加速度衰減公式:

(1)梅吉雷公式(1974);

(2)福島 -田中公式(1990);

(3)日本建設省公式(1985)。

2.1.4 重現期的估算加速度

按重現期估算的地震加速度(cm/s2)的結果見表1。應用上述 3個公式,對上下庫壩址處的加速度進行了估算。

2.1.5 地震系數評估

由于簡單方便,在抗震設計中,通常采用靜態地震系數法。已有許多有關最大加速度與設計地震系數關系的報告,它們都是基于應用下述公式:

式中,Kh為設計水平地震加速度;A為最大加速度;R為換算系數(0.4～0.6)。

換算系數的值取決于基礎硬度和地震周期。如果基巖堅硬,或者使用了較短地震周期,則可假定一個較小的換算系數值。如果基巖軟、預測的地震周期長時,則應采用較大的換算系數。對于日本大壩的設計地震來講,最大加速度的重現期通常取200a。因此,設計地震系數的計算值如下:

(1)上庫大壩為 0.094～0.183

(2)下庫大壩為 0.097～0.195

壩址處的基巖假定是“堅硬”的,那么200a一遇的地震系數則為0.12。當采用地震系數分析法時,水平地震系數超過20%,這樣就考慮了包括垂直運動在內的所有運動。因此,對于地震系數法,設計水平地震系數取 Kh=0.15,而設計垂直地震系數取 Kυ=0。

2.1.6 大壩設計

在進行細部結構設計期間,確定了上庫大壩和下庫大壩的主要特征,如表2所示。

2座大壩的各項參數數據列于表2。在分析中采用了地震系數法。如上所述,水平地震系數取值為 Kh=0.15,垂直地震系數取 Kυ=0。 Kh=0.15已經考慮了垂直地震運動。分析結果表明,大壩設計在承受地震事件的荷載方面是可以接受的。

表2 上下庫主要特征

3 地震分析評價

3.1 分析方法

如前所述,上錫索坎大壩抗震設計是基于OBE,采用200a一遇重現期。地震分析是采用概率地震風險性分析法(PSHA)。印度尼西亞大壩安全委員會認為:必須采用 MCE對大壩進行校核。

獲取MCE的方法是基于 PSHA和DSHA。采用的 PSHA方法與以前研究中確定 OBE的方法相同。通過考慮明顯影響壩址的斷層,進行 PSHA分析。

3.2 地震目錄

為了能夠盡量多的收集世界各地的地震歷史資料,調查了各種地震資料源。在分析中,應用了以下資料:

(1)Arthur阿瑟?威赫曼目錄(至1957年);

(2)印度尼西亞巴丹氣象及地球物理索引(BMG)(1800～2008)年;

(3)國際地震中心(ISC)(1900～2008年);

(4)美國地質調查局國家地震信息中心(NEIC)(1970～2008年);

(5)日本吉斯內特(1997～2008年);

(6)德國波茨坦福斯春地理中心(2006～2008年)。

從上述資料源中查獲的資料滿足了2個條件:

(1)地震震級不小于里氏 4.0級;

(2)地震震源深度不超過150km。

3.3 分析資料

在分析中應用了以下資料:

(1)楊氏模量(1997年);

(2)阿特金森和博爾(2003年)的理論資料;

(3)坎貝爾和波左尼亞(2003年)的理論資料;

(4)阿夫拉姆森和席爾瓦的理論資料。

3.4 概率與不確定性

為了獲得基巖的抗震標準,進行了地震事件計算,以提供500a、1000a等一遇地震事件的概率。分析方法是基于應用 EQRISK(麥圭爾,1976年)的概率理論,其中某些衰減函數考慮了峰值地面加速度。

在分析中,可能存在如下不確定因素:

(1)由印澳板塊引起的界面削減地震活動,震級為里氏9.0級,不確定度為0.124;

(2)由巴里比斯/錫曼迪爾斷層(無能動斷層)引起的地震事件,ME=6.9(里氏),不確定度為0.192;

(3)能動斷層產生的地震活動,其強度 ME=6.0SR,不確定度為0.41。

考慮到上述不確定因素,可以看出,界面削減產生的地震很容易預測,而能動斷層產生的地震則很難預測。因此,應在這兩個值中選擇不確定度。這意味著由巴里比斯/錫曼迪爾斷層引起的地震事件可作為最應該考慮的地震。

3.5 結果與討論

地震風險分析的結果示于表 3。表 3中列出了可能發生在壩址處的最大可信地震。為了設計所選擇和考慮的最大可信地震的值可作為最大考慮地震。

表3 地震風險分析結果

基于上述理由,可以得出結論:根據錫索坎抽水蓄能電站壩址處按峰值地面加速度確定的最大考慮地震為2.75m/s2(0.28 g)。對于 0～1 s的自然周期,該值涉及到1000～2500a一遇的重現期。除了能動斷層外,該值考慮了影響該壩址的所有斷層。PGA的出現概率為最接近165 a。

4 大壩結構的動力分析

4.1 結構模擬和材料特性

應用 ADINA對兩座大壩進行了模擬和分析。大壩模擬應盡可能接近實際設計圖紙。上庫大壩的壩頂高度為75.5 m,下庫大壩的壩頂高度則為 98 m。兩座大壩的上游斷面都是垂直的,下游坡均為斜面,H∶V=74∶1。采用二維和三維模型。兩種模型均是固體單元(圖1)。

圖1 上下庫大壩模型

計劃用于大壩的 RCC抗壓強度為15 MPa,因此,抗拉斷裂強度假定為 0.7 MPa,抗拉強度為2.711 MPa。

4.2 地震荷載

根據地震實測資料,模擬了壩址處人工土壤的運動。有4種理論土壤運動符合標準,而所有響應譜均接近按標準確定的響應譜。一般來講,應用的理論土壤運動輸入值是基于加速度、速度或位移。在本研究中,位移可作為土壤運動的輸入值,因為這樣應用會更加符合地震荷載的實際情況。

4.3 大壩結構的動力分析

下一步就是將地震荷載應用于經受過地震位移時程的結構。應用非線性動力直接時域逐步積分法進行結構分析。該方法被認為是結構動力分析的現狀。

二維分析結果表明,不管是上庫大壩或者是下庫大壩,均不存在可能引起大壩災難性潰決的加荷情況。這意味著,盡管大壩某些部位可能會出現一些裂縫,但是不會潰決。

不過,對于三維模型,模擬結果則完全不同,如表4所示。

表4 大壩三維動力分析結果

5 結論與建議

根據上述研究分析,可以得出如下結論:

(1)在上錫索坎抽水蓄能電站細部結構設計中確定的 OBE的峰值地面加速度結果為0.24～0.30g,與該研究得出的 MCE的結果為0.28 g非常接近。

(2)當承受動力地震荷載時,大壩斷面采用的水平地震系數法(二維)被認為不適用于代表大壩分析的實際情況。即使是將水平系數增大20%來考慮一切問題,包括地震事件的垂直方向,也是不夠的。

(3)采用二維和三維模型對兩座大壩的動力特性進行了模擬分析,但得出的結論卻完全不同。所有二維分析結果表明,盡管會出現一些裂縫,但總體來講,大壩是安全的。然而,三維分析結果卻表明,在 8種荷載情況中,有5種情況會使兩座大壩潰決。

總之,必須對錫索坎抽水蓄能電站上下庫大壩的設計進行修改,以確保大壩在受到 MCE時不會發生潰決。大壩風險分析的結果 MCE為0.28 g(水平),是采用的垂直荷載應力水平的 65%。對受到MCE影響的混凝土壩的動力分析,應根據三維模型而不是二維模型進行。

應指派一個專家組(包括有關領域內的世界級專家)來審查錫索坎大壩的設計方案,并對設計提出有建設性的建議。