芻議拱壩的抗震設(shè)計

趙華清

(貴陽市水利交通發(fā)展投資(集團(tuán))有限公司，貴陽550018)

1 拱壩概述

拱壩屬于攔水壩中的一種，該壩建筑地理位置一般位于峽谷中，其形態(tài)多呈現(xiàn)為水平拱形且凸邊面指向上游，兩端通過和峽谷山壁緊緊相連接而組成空間殼體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而起到對上游水資源進(jìn)行攔截和存儲的作用。

該壩在設(shè)計時，需要對建筑的峽谷地區(qū)進(jìn)行考察，為了保證壩體所有水壓力均勻、分散和轉(zhuǎn)移，其設(shè)計和修建的拱壩形態(tài)往往呈現(xiàn)左右對稱，其建筑位置常常選定呈“U”或“V”形峽谷較窄的地帶。

拱壩的分類與壩體設(shè)計有著緊密聯(lián)系，根據(jù)壩體的寬、高、厚3者的比例，可以將拱壩分成3種類型:一般拱壩、薄拱壩以及重力拱壩。

各類拱壩都向上游彎曲，呈弧形，通過拱的作用，將上游水壓力進(jìn)行分散和轉(zhuǎn)移，讓?shí){谷兩端的基巖來承受，這種分散、轉(zhuǎn)移水壓力的結(jié)構(gòu)維持了壩體的穩(wěn)定，且該穩(wěn)定與壩體借助自身的重量并無太大關(guān)系。

它主要與壩體對拱端基巖結(jié)構(gòu)設(shè)計有很大關(guān)系，通過利用基巖所呈現(xiàn)的反作用來對壩體重量進(jìn)行支承和穩(wěn)定[1]。

設(shè)計壩體形態(tài)時，其能影響壩體整體形態(tài)的參數(shù)主要有3種:

1)拱弧的半徑大小。

2)中心角。

3)圓弧中心沿高程的跡線和拱厚。

不同的河谷地段其地形和地質(zhì)特點(diǎn)不同，因此，拱壩拱弧半徑大小和拱中心角兩者的設(shè)計也因而發(fā)生改變，根據(jù)變化的程度可以將拱壩形式分成單曲拱與雙曲拱[2－3]。

1.1 單曲拱

單曲拱也被叫做定外半徑定中心角拱，若是壩體修建所在河谷地形呈現(xiàn)為矩形或者U型斷面，那么其寬度上下并無太大差距，且各高程中心角大小和形態(tài)比較類似，外半徑一般保持不變，可以通過改變下游半徑來適應(yīng)和符合壩厚變化的要求。

1.2 雙曲拱

1.2.1 變外半徑等中心角

一般“V”字形河谷其底部較為狹窄，可以通過將各層拱圈外半徑從上至下進(jìn)行逐漸縮減，進(jìn)而形成變外半徑等中心角拱，這樣不僅可以大大減少壩體方量，增強(qiáng)拱壩強(qiáng)度，而且更經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

1.2.2 變外半徑變圓心

將梁截面也設(shè)計成彎曲形狀，讓懸臂梁同時具有拱的作用，形成變外半徑變圓心角拱，這種形式的拱壩更能適應(yīng)“V”、梯形及其他形狀的河谷，布置更加靈活，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工難度也較大。

2 拱壩荷載作用分析及控制指標(biāo)

拱壩抗震能力的強(qiáng)弱與拱壩承受的荷載作用有著很大關(guān)系，要做好拱壩的抗震設(shè)計，首先需要對拱壩的荷載作用及各部位荷載作用的控制目標(biāo)進(jìn)行了解。

作用在拱壩上的荷載作用主要有:

1)水壓力(靜水壓力和動水壓力)作用;

2)溫度荷載作用;

3)自重;

4)揚(yáng)壓力;

5)泥沙壓力;

6)浪壓力;

7)地震荷載作用(地震慣性力和地震動水壓力)等[4]。

2.1 拱壩荷載分析

拱壩荷載分析包括自重荷載作用、水平徑向荷載作用和地震荷載作用。

2.1.1 自重荷載作用

一般來說，薄拱壩本身重量可以可忽略不計，不會對拱壩穩(wěn)定產(chǎn)生影響，而對于重力拱壩和中等厚度拱壩來說，其自重的作用必須納入設(shè)計考慮范圍，且壩體的自重荷載作用通常由拱壩梁體分擔(dān)或承擔(dān)。

2.1.2 水平徑向荷載作用

靜水壓力占據(jù)主要地位，其次有浪壓力、泥沙壓力、冰壓力等，壓力分散設(shè)計時，常常會依靠拱壩的拱體以及梁體來對上述壓力進(jìn)行共同分擔(dān)。如圖1所示。

圖1 水平徑向荷載作用示意圖

2.1.3 地震荷載作用

地震荷載作用又稱地震力作用，通常是指地表結(jié)構(gòu)物由于地震波能量的作用而受到的慣性力、土壓力和水壓力的總稱。

由于水平振動對建筑物的影響最大，因而在地表的建筑工程中一般只考慮水平振動，它是現(xiàn)代拱壩建筑施工中重點(diǎn)考慮的主要荷載作用之一。

通常地震產(chǎn)生的荷載作用以地震波形式不同分為3種:

1)橫波。即前后左右波動的能量，對地表拱壩施加前后左右的作用力，使拱壩整體獲得前后左右的加速度而不停的抖動，通常會使拱壩產(chǎn)生水平扭矩，如果拱壩形體不規(guī)則、質(zhì)量和剛度偏心率較大的話，則會發(fā)生嚴(yán)重的扭曲變形，甚至斷裂坍塌。

2)縱波。即上下波動的能量，對拱壩施加垂直方向的作用力，產(chǎn)生上下作用的加速度，從而加大或減小拱體和梁體的自穩(wěn)，引發(fā)彎矩變化，破壞拱壩的彈塑性。

3)面波，又稱L波。縱波和橫波在地表相遇后相互激發(fā)產(chǎn)生的混合波，具有橫、縱波的雙重特點(diǎn)，但是比橫波和縱波的振幅都要強(qiáng)，對拱壩施加上下、前后、左右的地震應(yīng)力，使拱壩產(chǎn)生不定方向的劇烈晃動，可使拱壩拱體彎矩失去重心，左右移動，破壞拱壩力學(xué)平衡，造成巨大破壞[5]。

2.2 荷載控制目標(biāo)

對拱壩的荷載進(jìn)行有效控制，設(shè)立合理的荷載控制目標(biāo)，不僅是保證拱壩工程整體質(zhì)量的要求，現(xiàn)行的混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范，是在原有設(shè)計規(guī)范的基礎(chǔ)上重新編制而成，對以往的很多不足進(jìn)行了改善。

1)在地震烈度6度以下、3級以上水工建筑物，其拱壩設(shè)計應(yīng)加入對地震荷載作用的分析，增設(shè)相應(yīng)的抗震措施。

在抗震烈度為7度的地區(qū)，其設(shè)計地震荷載加速度為0.1g;抗震烈度為6度的地區(qū)，其設(shè)計地震荷載加速度為0.05g。

2)對拱壩拱梁的分載進(jìn)行受力分析時，要綜合考慮地形、地質(zhì)條件，要布置拱梁網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在受力梯度變化大的部分，要加密拱梁網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。

3)對高度超過100 m的拱壩，應(yīng)采用4向以上的變位拱梁分載分析方法，基礎(chǔ)計算范圍≥1.5倍壩高，并對拱壩荷載進(jìn)行等效處理。

3 拱壩抗震設(shè)計

基于以上對拱壩荷載的分析，可知決定壩體抗震能力的主要因素在于拱壩基巖、拱壩結(jié)構(gòu)、拱壩荷載以及當(dāng)?shù)氐卣饛?qiáng)態(tài)度。

因此，只要針對以上幾方面的因素采取措施，即可做好拱壩的抗震設(shè)計。

拱壩抗震設(shè)計包括地質(zhì)勘測、地震統(tǒng)計資料分析和壩體局部設(shè)計。

3.1 地質(zhì)勘測

對拱壩進(jìn)行設(shè)計以前，首先要對壩址的地質(zhì)、地形以及水文等條件進(jìn)行仔細(xì)勘測，修建拱壩的基巖要均勻、堅固完整、有足夠的強(qiáng)度、透水性要小，而且要有足夠的抗風(fēng)化能力，以避免因拱壩基巖不堅固造成拱壩荷載不能有效分散。

3.2 地震統(tǒng)計資料分析

對當(dāng)?shù)氐牡卣鸾y(tǒng)計資料進(jìn)行分析，包括震源位置、地震強(qiáng)度、地震次數(shù)以及地震影響等相關(guān)信息。

對拱壩未來可能承受的地震荷載、水流荷載等進(jìn)行精確計算，依據(jù)現(xiàn)行的拱壩設(shè)計規(guī)范確定拱壩抗震烈度，應(yīng)該選用的拱壩材料、拱壩寬高比和厚高比、制定拱壩壩體結(jié)構(gòu)及施工技術(shù)，確保拱壩的抗震烈度能夠承受該地區(qū)頻發(fā)的地震帶來的地震荷載[6]。

3.3 壩體布局設(shè)計

良好的壩體布局設(shè)計可以均衡拱壩各部位的荷載，充分利用地質(zhì)、地形條件，有效發(fā)揮施工技術(shù)、工程材料的性能，是保證拱壩安全的重要因素[7]。

1)根據(jù)壩址地形、地質(zhì)以及抗震烈度要求等資料計算出合適的地基開挖深度，精心繪制出壩址基巖面的等高線地形圖。

綜合考慮壩址的地形、地質(zhì)、水文、施工難度及工程材料、施工設(shè)備的運(yùn)用條件等，選擇最合理的拱壩壩型。

2)利用基巖面等高線地形圖，制定出拱壩頂拱軸線的位置，并以頂拱軸線的半徑做參考基準(zhǔn)，設(shè)計出拱冠梁剖面尺寸，并同時設(shè)計出各高程拱圈的厚度，確定拱壩高度及寬高比和厚高比。

3)有針對性得切取某部分垂直剖面，對其輪廊進(jìn)行檢查，觀察是否連續(xù)光滑，倒懸大小是否合適，要按拱壩設(shè)計規(guī)范的相關(guān)要求，科學(xué)合理化。

4)根據(jù)設(shè)計時指定的的壩體尺寸來對整個應(yīng)力進(jìn)行計算，同時進(jìn)行拱壩整體的靜態(tài)荷載作用以及地震荷載作用計算和壩肩穩(wěn)定性校核，對拱壩的各項荷載進(jìn)行均衡分布，如不符合設(shè)計規(guī)范要求，應(yīng)及時的修改壩體布置和尺寸。

5)以拱壩沿拱體的軸線方式進(jìn)行展開，并繪制成立體視圖，這能顯示出拱壩基巖面的起伏變化，對突變處或斷層處進(jìn)行必要的削平或填塞加固處理，保證拱壩基巖面具有足夠的強(qiáng)度支撐拱壩的各項荷載作用。

6)拱壩結(jié)構(gòu)盡量采用高性能的低水化熱鋼筋混凝土，以有效減輕拱壩整體的自重，降低地震荷載;同時，也避免由于水化熱引發(fā)溫度變化造成拱壩混凝土開裂，使拱壩強(qiáng)度下降。

4 結(jié)語

拱壩作為我國的一項重要基礎(chǔ)工程設(shè)施，其抗震能力的強(qiáng)弱，對于保護(hù)下游地區(qū)居民的生命和財產(chǎn)安全有著重要意義。

同時，拱壩作為一種大型的高層建筑，其抗震設(shè)計涉及了地質(zhì)、地震、工程結(jié)構(gòu)、工程力學(xué)、工程材料等多門學(xué)科，是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程。

因此，在拱壩的抗震設(shè)計工作中，我們一定要加強(qiáng)各部門的合作，嚴(yán)格履行自己的職責(zé)，確保拱壩抗震設(shè)計工作高質(zhì)量、高效率完成。

[1]曹去修，向光紅，崔玉柱，等.高地震烈度區(qū)特高拱壩抗震設(shè)計[J].水力發(fā)電，2009，35(05):52－55.

[2]李仁鴻.高拱壩抗震設(shè)計中相關(guān)因素的影響分析[C]//水電·2006國際研討會.北京:中國水利水電出版社，2006:545－552.

[3]李仁鴻.溪洛渡拱壩抗震設(shè)計中相關(guān)因素的影響分析[J].水電站設(shè)計，2006，22(02):22 －24，45.

[4]林健勇，蘇巖，周飛平，等.天花板碾壓混凝土雙曲拱壩抗震設(shè)計[J].水力發(fā)電，2011，37(06):52－53.

[5]陳厚群，紀(jì)軍.西部能源重大研究計劃重點(diǎn)資助項目“西部高拱壩抗震安全前沿性基礎(chǔ)科學(xué)問題研究”取得重要進(jìn)展[J].中國科學(xué)基金，2010(06):282－287.

[6]王開拓，辛全才，馬金磊，等.強(qiáng)震區(qū)高拱壩抗震安全研究[J].中國水利，2010(10):6－10.

[7]謝能剛，孫林松，趙雷.拱壩拱圈結(jié)構(gòu)的抗震多目標(biāo)博弈設(shè)計[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報，2005(04):39－43.