天花板碾壓混凝土雙曲拱壩抗震設計

林健勇，蘇 巖，周飛平，楊子強

（中國水電顧問集團北京勘測設計研究院，北京 100024）

天花板水電站為三等中型工程，攔河壩及泄洪建筑物等主要建筑物為3級建筑物。其中，攔河壩為碾壓混凝土雙曲拱壩，最大壩高107.0 m，壩軸線長159.87 m，拱冠梁頂寬6.005 m，拱壩最大中心角 93.3°，拱冠梁底寬22.643 m，拱端最大厚度24.086 m，厚高比0.212。泄洪建筑物由相間布置的3個表孔、2個中孔組成，正對主河床，集中布置于壩體中部，壩后僅設混凝土短護坦。

工程區的地震基本烈度為Ⅷ度，電站設計烈度為7度，工程抗震設防類別為丙類。50年超越概率10%的地震動參數為0.143 g，50年超越概率5%的地震動參數為0.177 g。

1 抗震性能研究

1.1 研究方法

本電站攔河壩為100 m級高壩，壩身設有集中布置的泄洪排沙建筑物，體形結構較為復雜。施工詳圖階段，根據攔河壩實際開挖及體形調整情況，再次進行了防震抗震分析的專題研究工作。采用了如下兩種研究方法：

（1）拱梁分載法。可研階段采用拱壩體形優化系統程序 （ADASO）進行了五向調整的拱梁分載法壩體應力分析計算和壩體體形優化設計工作；施工詳圖階段根據壩基巖體質量分類的變化情況及其拱壩體形的局部的調整，采用ADASO程序重新進行了拱梁分載法的壩體應力分析計算，并對設計地震工況時壩體應力狀態進行了復核。

（2）有限元法壩體動力分析。 ①對壩體進行整體三維彈性有限元動力分析，研究拱壩的動力特性。采用振型分解反應譜理論計算方法進行拱壩結構抗震計算，分析拱壩的動位移和動應力。 ②基于非線性動力分析軟件，考慮無限地基輻射阻尼的影響，邊界采用等效三維一致粘彈性邊界，按橫縫接觸算法及時程分析方法，對拱壩進行三維非線性地震反應分析，研究分縫拱壩在7度地震時的地震響應。

1.2 計算工況

根據水電工程地震設防要遵循 “確保安全，留有裕度”的原則，天花板水電站拱壩在抗震復核時，按50年超越概率10%的地震動參數做為設計地震。同時，研究了在遭遇超標準的地震情況下壩體的應力狀態，按50年超越概率5%計。在有限元法壩體動力分析時，分別對拱壩在正常蓄水位1 071.0 m和死水位1 050.0 m時，在場地譜地震波作用下的設計地震工況和校核地震工況的地震動力響應進行了分析，研究了地震工況對壩體的影響，對壩體應力狀態進行了復核。

1.3 主要研究結論

（1）自振特性分析表明，正常蓄水位、設計死水位和空庫時，拱壩各階振動周期均小于特征周期0.5 s，拱壩不會發生共振。

（2）反應譜法地震反應分析表明，在設計地震作用下，壩體順河向動位移最大值出現在上游面3號表孔左側閘墩墻頂部。拱壩閘墩的橫向位移較大，尤其是斷面較單薄的上游面左側薄墩墻。拱壩最大動主拉應力出現在上游面1號表孔左側墩墻與壩面連接處。最大動主壓應力出現在下游面右岸側誘導縫下端部。拱壩除閘墩與壩體交接處和壩踵有較高應力集中外，拱端的中上部拉應力相對較大。在超標準的地震作用下，靜力成果與反應譜法成果疊加后，作用效應較設計地震增大。最大位移及最大動主拉應力分布部位與設計地震工況規律都很相近。

（3）時程分析法地震反應分析表明，壩體正常蓄水位較死水位地震反應大。對于有縫壩體模型，上游面壩體大部分拉應力得以釋放，壩體拉應力較無縫壩有所降低，拱座處中部高程仍有較高拉應力區。不同水位時壩體在設計地震和超標準的地震作用下的應力分布規律基本相近：壩體第一主應力最大值均出現在上游面右岸側誘導縫底端部；第三主應力最大值均出現在下游面右岸側誘導縫底端部。最大應力出現部位均為明顯的應力集中區。各工況下的頂拱和拱冠梁剖面順河向最大動位移分布規律都很相近。頂拱順河向最大靜位移大于動位移。正常蓄水位動位移較死水位大，但橫縫的張開度比死水位小。壩體下游面橫縫開度均大于上游面，但橫縫張開度及張開范圍均不大。橫縫雖有一定開度，但持續時間很短，不會對橫縫止水材料造成破壞。

（4）拱壩除局部應力集中需要設計加強外，壩體應力均在混凝土容許應力范圍內。大壩總體強度、剛度和穩定性滿足水工建筑物抗震設計要求。

2 抗震措施

綜合抗震研究成果，結合現行規范對抗震設計的要求，對大壩抗震的薄弱部位進行加強，增加其橫向剛度和整體性。

（1）本工程攔河壩為體形較薄的碾壓混凝土雙曲拱壩，表、中孔均采用了懸挑結構。在滿足泄洪消能對體形要求的前提下，結構布置時盡可能地減小拱壩壩體附屬結構的質量和長度，以利于改善壩體應力和結構的安全。

（2）為減小地震作用時壩體中上部及接近壩基部分的拉應力區，改善壩體應力分布，拱壩體形設計時，壩體頂部拱冠部分體形為略傾向下游。

（3）動力分析計算表明，表孔閘墩壩頂處上游側位移及應力較大，在上游側表孔閘墩之間設置了橫向支撐聯系梁，增強了閘墩部分的橫向剛度和整體性。

（4）最大主拉應力發生在1號表孔左閘墩與壩體連接處。為了提高1號表孔左側閘墩承受縱向力、橫向力的能力，提高其縱向強度和橫向強度，對1號表孔左側閘墩的配筋進行了加強，設置了雙層鋼筋。

（5）拱壩閘墩與壩面的連接處有較大的應力集中，地震時容易造成墩壩連接處局部開裂，在該部位均設置鋼筋網加強，即在外懸結構與壩體上游面連接處雙向布置一層鋼筋網。

（6）設置誘導縫重復灌漿系統，確保壩體誘導縫處因地震導致開裂時可及時修復。

（7）集水井布置于2號表孔下游鼻坎正下方，上部與1、 2號中孔下游鼻坎共用，下部為 “∏”形結構。懸臂結構通過集水井下游側墻連成整體，起到了支撐的作用，增加了整體剛度，不僅增強了抗震能力，也有利于改善懸臂部分的局部應力集中狀況。此外，集水井基本位于壩體中部，寬度和剛度較大，對改善壩體應力也有一定作用。

（8）針對左壩肩f5斷層，采用2條平洞和1條豎井進行混凝土置換處理方案。其他地基內軟弱部位采用灌漿、局部錨固、支護等綜合支護措施進行加固。

3 結語

通過抗震動力分析研究，進行壩體結構強度安全性和壩體、壩肩整體穩定的復核計算。從建筑物自震特性、變形損傷、應力狀況、整體穩定性和破壞模式等方面，綜合評價建筑物結構抗震特性和抗震安全性，分析判斷不同工況下抗震安全的薄弱部位和薄弱環節，并提出相應的抗震措施。根據研究成果完善了壩體的結構布置，加強了薄弱部位的剛度，增強了結構的整體性。大壩總體強度、剛度和穩定性達到了抗震設計的要求。