金安橋水電站大壩抗震分析和抗震措施設計

鄧良軍，李雙寶，吳余生

（中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院，云南 昆明 650051）

1 工程簡介

金安橋水電站位于云南省麗江地區，是金沙江中游河段規劃的 “一庫八級”中的第五級水電站，也是金沙江中游率先開發的水電站。樞紐建筑物主要由碾壓混凝土重力壩、右岸溢洪道、右岸泄洪沖沙底孔、左岸沖沙底孔、壩后廠房及進廠交通洞等組成。碾壓混凝土重力壩最大壩高160 m，下游壩坡1∶0.75，上游面1 330 m高程以下按 1∶0.3貼坡。電站總裝機規模4×600 MW，單獨運行時保證出力473.7 MW，年發電量110.43億kW·h。

2 區域地質構造和場地地震安全性評價

金安橋水電站位于揚子準地臺西部邊緣的麗江臺緣褶皺帶內，地處青藏高原東南側滇西北新構造運動強烈活動部位，樞紐區巖層呈單斜構造。這一地區工程地質環境條件復雜，河谷深切，岸坡陡竣，地表動力地質作用強烈。根據國家地震局地質研究所對場地地震安全性評價成果，樞紐地震基本烈度達Ⅷ度，大壩地震設防烈度高達9度。50年超越概率5%和100年超越概率2%的基巖場地設計水平動加速度峰值分別為0.246 g和0.399 g。

近年來碾壓混凝土重力壩在國內發展很快，但是在如此強地震地區修筑高碾壓混凝土重力壩在國內尚屬首次。高碾壓混凝土重力壩的抗震設計是金安橋水電站設計中最關鍵的技術問題，必須對其抗震安全性評價和抗震措施進行專題研究，以保證大壩抗震安全評價可靠，抗震措施經濟合理。

3 碾壓混凝土重力壩抗震分析研究

昆明勘測設計研究院和各協作單位采用有限元數值分析和模型試驗研究等方法，對金安橋水電站碾壓混凝土大壩從單個壩段、關鍵壩段群、整體大壩等3個層次進行了深入分析，對壩體的強度和抗滑穩定性進行了復核，并對大壩遇超設計地震條件的破壞模式和極限抗震能力進行了分析研究。

3.1 平面有限元分析

3.1.1 壩體動力放大系數

典型壩段水平加速度和豎向加速度動力放大系數沿高程分布見圖1。分析結果表明，各壩段動力加速度沿壩高逐步放大，5號岸坡壩段和8號河中廠房壩段壩頂水平向動力放大系數分別為3.42和3.85，壩頂豎向動力放大系數分別為2.40和2.65。

圖1 典型壩段水平和豎向加速度動力放大系數沿高程分布

3.1.2 位移分析

設計地震工況下靜載與譜分析疊加后順河向水平位移分布見圖2。

圖2 靜載+設計地震譜分析水平位移分布 (單位：cm)

靜力作用下，壩體水平向位移等值線基本沿水平向呈層狀分布，在壩頂達到最大值，5號和8號壩段的壩頂順河向水平位移分別為2.53 cm和2.43 cm。靜力作用與設計地震作用疊加后，水平向位移仍基本呈水平層狀分布，位移值隨壩高的增加而增加，位移的數值明顯增大，5號和8號壩段壩頂正向位移最大值分別為6.30 cm和7.01 cm。

3.1.3 應力分析

設計地震工況下靜載+譜分析疊加后壩體主拉應力分布見圖3。地震荷載作用下壩踵、壩體上下游折坡點等部位產生應力集中，拉應力的數值較大。其余部位應力分布較均勻。

圖3 靜載+設計地震譜分析壩體主拉應力分布 （單位：MPa）

設計地震作用主要在壩體上下游表面產生較大的動力響應，上游直坡面的拉應力一般為2.0～2.80 MPa，下游坡面拉應力數值也超過2.0 MPa，從應力分布圖上可以看出，應力等值線近似平行于上下游壩面。壩體上下游表面的拉應力較大，而壩體內部的應力數值較小，因此，采取在壩體表面配置抗震鋼筋等措施來改善壩體的抗震性能是合理的。

3.2 整體有限元分析

為研究大壩整體的動力特性，進行了大壩整體的三維動力有限元分析，其模型見圖4。

圖4 大壩整體三維模型

8號壩段在不同荷載作用下的壩體應力、位移三維整體線彈性計算與二維模型計算結果見表1。

表1 8號壩段壩體應力、位移最大值計算結果

將整個大壩作為一個整體，因而產生了 “拱效應”。在 “拱效應”的影響下，各典型斷面的應力、位移與二維模型相比都顯著變小。靜荷載作用下整體位于中間壩段的部分上游面產生一定的壓應力，與壩踵處的拉應力相抵消，而位于相對靠近壩肩部位的斷面則影響較小。

3.3 模型試驗研究

對金安橋大壩各典型壩段進行動力破壞模型試驗研究，以確定大壩在強震作用下裂縫的形成過程以及相應的地震動輸入加速度，并記錄、分析大壩的破壞過程。

3.3.1 壩體破壞模式

試驗表明，隨著輸入加速度的增加，各典型壩段開始出現裂縫，起裂位置均發生在壩頭部位。基本裂縫走勢有兩種：一種是先在壩頭下游面出現裂縫，然后向上游面發展直至貫穿壩頭；另一種是壩頭上下游裂縫同時發展直至貫穿。期間也間或伴有壩踵、壩趾等處裂縫的發展，但起裂的主要控制部位在壩頭部位。

3.3.2 壩體極限抗震能力

試驗顯示，各典型壩段輸入設計地震水平動峰值加速度為0.399 g時，壩體沒有出現裂縫，表明大壩有一定的安全裕度。11號和8號壩段完全破壞失效時的輸入加速度數值均較大，分別為1.63 g和1.30 g。

4 大壩抗震措施

根據研究成果并經國內專家咨詢，金安橋大壩確定了以配置抗震鋼筋為主、其他措施為輔的抗震加固處理方案。

（1）配置抗震鋼筋?？拐痄摻畈荒茏柚沽芽p的發生，但在一定程度上可以起到減小裂縫寬度及限制裂縫發展的作用。配筋在提高大壩抵抗整體破壞的能力上具有一定作用，尤其在主震后遇有較強余震發生時，對提高大壩的整體抗震能力是有利的。依據數值分析和動力模型試驗，確定的大壩抗震鋼筋配置方案為：大壩上游面二級配碾壓混凝土防滲層需嚴格控制裂縫的發展，全壩面布置一排φ28 mm@200 mm的三級鋼筋；大壩的壩踵、上游起坡點、上下游壩頭等體形變化部位為壩體抗震薄弱環節，布置兩排φ28 mm@200 mm的三級鋼筋。

（2）固結灌漿孔設錨筋。為了提高壩體抗滑穩定性，尤其是為保證壩體在地震工況下的整體穩定性，改善壩基巖體受力條件，決定在4～16號壩段壩基固結灌漿孔內插入錨筋。錨筋在固結灌漿結束封孔時插入，深入基巖6 m，深入壩體混凝土3 m。

（3）設置壩前防滲結構。由于地震條件下上游壩面尤其是壩踵區會產生裂縫，影響大壩上游面的防滲設施，故在壩前設置了補充防滲結構。壩前1 300.0 m高程以下沿壩面依次回填粘土、過渡料及石渣。

（4）優化大壩體形。設計中對大壩體形進行了優化，盡可能減少體形突變，可能時在體形轉折處盡量采用圓弧連接等方式。此外，還優化了壩體混凝土分區，合理提高局部應力集中區的混凝土標號，同時避免因分區變化而使壩體產生較大的剛度突變。

（5）減輕壩頂重力也是較為有效的抗震措施之一。金安橋大壩努力采用輕型結構，優化壩頂結構，盡量減小壩體因交通而布置的懸挑結構的尺寸。

（6）壩體分縫及止水措施。壩體橫縫采用切縫的方式成縫，每澆筑層的2/3深度切縫填無紡布，切縫具有誘導縫的性質，滿足溫控要求的同時增強了大壩的整體性，提高了壩體的抗震性能。大壩橫縫設置有2道銅片止水，1道橡膠止水，銅片止水的極限拉伸值約為9 cm，有很強的變形適應能力。

5 結論

通過對金安橋水電站碾壓混凝土重力壩進行計算分析和模型試驗研究，可以得到如下主要結論：

（1）地震作用主要在壩體上下游表面產生較大的動力響應，應力等值線近似平行于上下游壩面。壩體上下游表面的拉應力較大，而壩體內部的應力數值較小。

（2）主要典型壩段的基本體形可以滿足抗震規范要求，但壩體局部需進行加固處理。

（3）模型試驗表明，在設計地震幅值輸入下，只會在壩頭部位出現裂縫，但不會貫穿壩體，在設計地震加速度情況下，大壩滿足抗震要求。

（4）壩體主要抗震薄弱部位是壩踵、壩趾、上游折坡點和下游壩體中上部等，地震荷載作用下產生應力集中，是抗震加固的重點部位。經局部采取抗震措施后，大壩整體是安全穩定的。