特高拱壩典型工程抗震設計關鍵技術問題對比及總結(jié)

杜小凱，孫保平，黎滿林，武明鑫

(1.水電水利規(guī)劃設計總院，北京 100120；2.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

汶川地震后，國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局加強了對水電站工程防震抗震設計的審查把關工作，水電水利規(guī)劃設計總院(以下簡稱“水電總院”)印發(fā)了水電工程防震抗震設計專題報告編制內(nèi)容及技術審查要求。DL 5073—2000《水工建筑物抗震設計規(guī)范》(以下簡稱“2000規(guī)范”)和NBT 35047—2015《水電工程水工建筑物抗震設計規(guī)范》[1-2](以下簡稱“2015規(guī)范”)兩本技術規(guī)范對指導我國水電工程抗震設計發(fā)揮了關鍵作用。二灘、小灣、錦屏一級、大崗山和溪洛渡[3- 4]等特高拱壩相繼建成，有必要對以上拱壩的抗震設防標準、混凝土材料動力特性、地震動輸入、抗震分析方法、動力模型試驗和抗震措施設計等關鍵技術問題進行系統(tǒng)總結(jié)分析，以為后續(xù)工程建設提供技術借鑒。

1 設防標準

二灘、小灣、溪洛渡、錦屏一級和大崗山水電站工程抗震具體參數(shù)見表1。

以上5座高拱壩建設期遵照了2000規(guī)范和2015規(guī)范。其中，2000規(guī)范采用最大設計地震(MDE)單級設防，其抗震設防目標為，按本規(guī)范進行抗震設計的水工建筑物能抵御設計烈度地震；如有局部損壞，經(jīng)一般處理后仍可正常運行。2015規(guī)范于2015年9月正式實施并采用“分級設防”理念，明確了進行超設計概率的MCE抗震校核的要求，對工程抗震設防類別為甲類的水工建筑物，除要求依據(jù)專門的場址地震危險性分析所提供的場址設計地震動加速度進行抗震設計外，還應按確定性方法或基準期100年內(nèi)超越概率P100為0.01的概率法確定場址“最大可信地震”，對在遭受場址最大可信地震時不發(fā)生庫水失控下泄的災變進行專門研究的要求。

表1 特高拱壩工程設防標準

從表1可以看出，5座高拱壩工程抗震設防類別均為甲類，二灘和錦屏一級場地基本烈度為Ⅶ度，小灣、溪洛渡和大崗山場地基本烈度為Ⅷ度；5座高拱壩工程抗震設防均符合我國能源行業(yè)規(guī)范的有關要求；5座高拱壩均采用“分級設防”的思想，即均采用100年基準期超越概率2%相應基巖地震動水平峰值加速度進行抗震設計，采用100年超越概率1%相應基巖地震動水平峰值加速度進行地震校核。其中，大崗山拱壩工程場地受鮮水河東西段磨西活動斷裂帶(4.5 km)和安寧河活動斷裂帶(20 km)地震活動的影響，區(qū)域構造極其復雜，大壩抗震問題極其突出，抗震設計、校核選取的地震動峰值加速度最高。

2 動力特性

2000規(guī)范規(guī)定，混凝土動態(tài)強度的標準值可較其靜態(tài)標準值提高30%；其動態(tài)彈性模量標準值可較其靜態(tài)標準值提高30%，其動態(tài)抗拉強度的標準值可取為其動態(tài)抗壓強度標準值的10%。

2015規(guī)范第5.6.1條規(guī)定“工程設防類別為甲類的大體積混凝土水工建筑物，應通過專門的試驗確定其混凝土材料的動態(tài)性能”；第5.6.2條規(guī)定“對不進行專門的試驗確定其混凝土材料動態(tài)性能的大體積水工混凝土建筑物，其混凝土動態(tài)強度的標準值可較其靜態(tài)標準值提高20%，其動態(tài)彈性模量標準值可較其靜態(tài)標準值提高50%，其動態(tài)抗拉強度的標準值可取為其動態(tài)抗壓強度標準值的10%”。相比2000規(guī)范，動態(tài)強度標準值較靜態(tài)由提高的“30%減少為20%”，動態(tài)抗拉強度也相應變化；動態(tài)彈性模量由“30%調(diào)整為50%”。

5座高拱壩工程抗震設計中動力特性參數(shù)的選取均符合我國能源行業(yè)規(guī)范的規(guī)定。其中，二灘、小灣建設較早，符合2000規(guī)范有關規(guī)定，錦屏一級、大崗山和溪洛渡拱壩按2015規(guī)范進行了抗震復核。

大崗山水電站對混凝土材料動態(tài)特性進行了專門的試驗研究，分別對濕篩和全級配試件進行靜動力彎拉強度試驗，研究大壩混凝土材料動態(tài)彎拉強度隨不同預靜載的變化規(guī)律及其尺寸效應，并通過對沖擊型和變幅三角形循環(huán)動載試驗結(jié)果的比較，闡明在地震往復循環(huán)作用下，低周疲勞效應對動態(tài)強度的影響。對于180 d設計齡期的混凝土，在各種沖擊加載條件下，相對于靜態(tài)而言，動態(tài)彎拉強度、動態(tài)彈性模量及動態(tài)極限拉伸都有一定程度的提高。其中濕篩混凝土動態(tài)彎拉強度增加了19%～30%，而全級配混凝土動態(tài)彎拉強度提高了41%，增加幅度較大；濕篩混凝土動態(tài)彈性模量最大增加了10%，而全級配混凝土動態(tài)彈性模量提高了36%，增加幅度較大；濕篩混凝土動態(tài)極限拉伸值增加了9%～20%；沖擊加載條件下，全級配混凝土動態(tài)彎拉強度為濕篩混凝土的50%左右。對于180d設計齡期的混凝土，在各種變幅三角波加載條件下，相對于靜態(tài)而言，動態(tài)彎拉強度及動態(tài)極限拉伸都有一定程度的提高，而動態(tài)彈性模量有一定程度的降低。其中濕篩混凝土動態(tài)彎拉強度增加了11%～29%，而全級配混凝土動態(tài)彎拉強度提高了34%，增加幅度較大；濕篩混凝土動態(tài)極限拉伸值增加了11%～25%；濕篩混凝土動態(tài)彈性模量最大降低了16%，而全級配混凝土動態(tài)彈性模量基本上不變。此外，變幅三角波加載條件下，全級配混凝土動態(tài)彎拉強度為濕篩混凝土的50%左右。大崗山拱壩抗震設計時，有關材料動態(tài)特性首先遵照2000規(guī)范的有關要求；其次根據(jù)全級配試驗成果做了敏感性分析；最后竣工驗收階段按照2015規(guī)范要求進行了抗震復核。

3 地震動輸入

2015規(guī)范關于地震動反應譜規(guī)定“對進行專門的場地地震安全性評價的抗震設防類別為甲類的工程，其設計反應譜應采用場地相關設計反應譜，其他工程的水平向和豎向設計反應譜應采用標準設計反應譜”。

二灘拱壩建設較早，工程按照SDJ10—78《水工建筑物抗震設計規(guī)范》的規(guī)定進行抗震設計，2000年通過竣工驗收。2008年汶川5·12地震后，工程根據(jù)2000規(guī)范的有關規(guī)定，采用規(guī)范標準反應譜及其合成人工地震波作為動力計算的地震動輸入，進行抗震復核。

小灣拱壩按照2000規(guī)范的規(guī)定，地震動輸入采用規(guī)范反應譜人工合成地震波、場地相關譜合成地震波、瀾滄江-耿馬實測地震擬合地震波等多種地震動輸入進行對比分析。2014年3月抗震審查審定。

溪洛渡拱壩按照2000規(guī)范，采用規(guī)范反應譜人工合成地震波、場地反應譜人工合成地震波和柯依納實測地震波作為大壩抗震動力分析的地震動輸入，2017年8月抗震審查審定。竣工安全鑒定階段，按照2015規(guī)范以設定地震方法確定的場地相關譜及合成地震波作為地震動輸入進行分析對大壩進行了抗震復核。

大崗山拱壩按照2000規(guī)范，對規(guī)范反應譜生成的人工模擬地震波、場地相關反應譜地震波及經(jīng)幅值修正的柯依納(Koyna)實測地震波等多種地震動輸入進行對比分析。竣工階段，按照2015規(guī)范以設定地震方法確定的場地相關譜及合成地震波作為地震動輸入進行分析對大壩進行了抗震復核。2017年7月通過樞紐工程專項竣工驗收。

錦屏一級拱壩按照2000規(guī)范，對規(guī)范反應譜及人工合成地震波、修正柯依納壩址基巖實測地震波三種地震動輸入進行計算分析。樞紐工程專項驗收階段，按照“2015規(guī)范”的規(guī)定，以設定地震方法確定的場地相關譜及合成地震波作為地震動輸入進行抗震復核。

水電總院于2017年7月印發(fā)了NB 35047—2015《〈水電工程水工建筑物抗震設計規(guī)范〉設定地震確定場地相關設計反應譜補充說明》的有關規(guī)定。當前關于設定地震衰減關系的確定，我國尚缺乏足以統(tǒng)計地震動峰值加速度a的強震記錄數(shù)量，但有足夠的地震烈度I的衰減關系記錄。因而只能以具有足以統(tǒng)計a和I衰減關系的強震記錄的美國西部為參照區(qū)，在假定我國和參照區(qū)的I的統(tǒng)計衰減關系間的差異，等同于兩地a的衰減關系間的差異下，映射推及我國a的沿長短軸方向的衰減關系。但要將這個對I與a衰減關系差異等同的假定推廣到反應譜各分量β(T)和I間的衰減關系，顯然難以接受。依據(jù)馬宗晉院士的研究認為，中國大陸和北美大陸在構造、地殼組成、現(xiàn)代應力狀態(tài)及地震成因、地震活動特點等方面都有一定的相似性，即可比性。因此，兩個地區(qū)地震記錄的相互借用還是具有一定的構造基礎的。因此，可選取美國“下一代衰減關系(NGA)”給出的適用于美國西部淺源地震條件的反應譜衰減關系，求得根據(jù)設定地震的震級和震中距的歸一化的場地相關設計反應譜β(T)[5]。

近年來，我國地震部門對于地震動衰減關系的研究工作日益重視和加強。隨著我國強震記錄的逐步積累，直接采用這些記錄統(tǒng)計回歸的、可反映我國實際地震地質(zhì)條件的加速度反應譜衰減關系有望建立并完善。考慮到今后的發(fā)展，對于具體工程經(jīng)合理性論證后，也可選取我國地震部門統(tǒng)計的反應譜衰減關系，求得根據(jù)設定地震的震級和震中距歸一化的場地相關設計反應譜β(T)。

4 動力分析

特高拱壩抗震動力分析方法總體分為動力拱梁法和動力有限單元法。5座工程拱壩動力拱梁法振型分析如表2。

表2 不同水位大壩自振頻率和對稱性

由表2可以看出：①各工程基本振型呈反對稱振型，反映了各拱壩高度大，壩體較薄的雙曲拱壩特點。②各工程第一階自振頻率較低，正常蓄水位在1.0～1.63 Hz之間，死水位時位于1.22～1.72 Hz之間，其中大崗山拱壩最高，小灣拱壩最低。此外，各工程均呈現(xiàn)出各階模態(tài)分布密集的特點。

5座拱壩動力有限元法分析成果一般性結(jié)論有：

(1)高拱壩正常蓄水位條件下第1階自振頻率在1～1.6 Hz之間，壩前水位對大壩自振特性有明顯影響，空庫情況下自振頻率最高，正常蓄水情況頻率最低。

(2)2015規(guī)范規(guī)定混凝土動態(tài)彈性模量較靜態(tài)彈性模量提高50%、巖石動態(tài)變形模量與靜態(tài)變形模量相同，與2000規(guī)范相比，拱壩基頻略有增加。

(3)線彈性有限元法考慮靜動疊加，各拱壩上游面高拉應力區(qū)分別位于建基面附近和壩頂拱冠梁附近，高壓應力區(qū)主要位于壩頂附近；下游面高拉應力區(qū)主要位于壩體中上部，極值位于1/4拱位置，高壓應力區(qū)主要位于壩趾。

(4)不同水位條件下，除應力集中區(qū)外，反應譜法和時程法得到的靜動疊加應力極值相當，反應譜法略大，且兩種方法得到的應力分布規(guī)律類似。

(5)校核地震與設計地震工況相比，大壩上、下游壩面的動力反應及最大主拉、壓應力分布規(guī)律基本一致，上、下游壩面高拉應力區(qū)的面積普遍增高，極值均有不同程度的增加，下游壩面最大主拉應力的增加幅度相對較大。

(6)考慮地基輻射阻尼影響后，拱壩動力反應有比較明顯的降低，表現(xiàn)在壩面高應力區(qū)的范圍縮小和反應的極值降低。考慮地基輻射阻尼條件下，壩體靜動疊加主拉、壓應力極值降低25%～30%，且拉應力降低較多。

(7)5座特高拱壩壩肩抗滑穩(wěn)定分析成果表明，左右壩肩控制性巖塊穩(wěn)定安全系數(shù)總體能滿足設計地震工況的控制要求，校核地震工況下個別塊體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)偏低，但持續(xù)時間較短，各高拱壩地震工況下均能滿足壩肩抗滑穩(wěn)定要求。

(8)考慮壩體橫縫張開非線性有限元法，強震時橫縫張合使壩體大部分拱向拉應力得到釋放，地震應力在一定程度上降低，另外在評價壩體橫縫張開開度方面提供評判依據(jù)。

(9)考慮壩體混凝土材料損傷的有限元法[6]，在大壩壩踵損傷區(qū)對壩體防滲帷幕影響以及大壩極限抗震能力評價方面均提供了有益參考。5座拱壩壩踵損傷深度總體較小，對防滲帷幕影響可控；設計地震荷載極限抗震能力為1.25(大崗山)～1.8倍(小灣、錦屏一級)。

5 模型試驗

大崗山、溪洛渡、小灣拱壩進行了拱壩動力模型試驗，試驗結(jié)果見表3。

表3 拱壩結(jié)構動力模型試驗主要成果對比

由表3可以看出：①小灣拱壩首先發(fā)生開裂時的地震超載倍數(shù)為2.0倍，溪洛渡拱壩為2.1倍，大崗山拱壩為1.38倍。②最終加載地震超載倍數(shù)均大于6.0，幾座拱壩的模型試驗結(jié)果顯示出拱壩具有超強的地震荷載超載能力。③各工程大壩上、下游壩基交接面和中高高程壩體中部是大壩抗震的薄弱部位。

6 抗震措施

各工程主要抗震措施見表4。

表4 各工程主要抗震措施

由表4可以看出：①各拱壩均在高應力區(qū)及孔口部位提高混凝土強度，提高壩體的抗震性能。此外，布設壩面鋼筋、加強橫縫止水、設置壩后貼角、加強基礎處理、增加壩趾錨固也為抗震有效措施。②大崗山、小灣均在上游壩踵回填防滲材料，以防止壩踵開裂后高壓水進入壩體混凝土中產(chǎn)生水力劈裂而影響拱壩安全。③考慮到大崗山水電站未來遭遇強震的可能性較大，通過計算分析，在壩頂2、14、16號橫縫的位置各布置4臺2 500 kN的阻尼器，共12臺。

7 結(jié) 語

7.1 主要結(jié)論

(1)5座特高拱壩的抗震設防類別均為甲類，抗震設防均遵照我國行業(yè)現(xiàn)行規(guī)范要求，2015規(guī)范采取分級抗震設防，明確了進行超設計概率的MCE抗震校核的要求。

(2)5座特高拱壩工程抗震設計中動力特性參數(shù)的選取均符合我國能源行業(yè)規(guī)范的規(guī)定，專門的動態(tài)性能試驗資料還比較少，但個別工程全級配混凝土動力試驗研究為工程抗震評價提供了有益借鑒。

(3)除二灘、小灣竣工較早外，其余特高拱壩均按現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，進行了“設定地震場地相關反應譜”輸入的分析復核，多采用“AS08衰減關系”確定相應的歸一化場地相關設計反應譜。

(4)5座特高拱壩一階自振頻率為1.0～1.65Hz，空庫高于正常蓄水情況自振頻率，基本振型多呈反對稱振型，反映了壩體較薄的雙曲拱壩特點。

(5)壩體靜動力綜合壓應力總體在容許應力范圍內(nèi)，但大壩高高程拱冠部位、中部高程左右岸1/4拱部位以及壩基面附近靜動綜合拉應力水平較高，部分區(qū)域拉應力超過了壩體混凝土動態(tài)容許抗拉強度，是抗震安全的薄弱部位，采取抗震措施予以加強是必要的。

(6)線彈性動力計算未考慮拱壩橫縫張開的影響，且壩體混凝土和基礎都不是完全線彈性的，特高拱壩地震抗震分析采用考慮橫縫張開、地基輻射阻尼等非線性分析方法更為合理。

(7)考慮地基輻射阻尼影響后，拱壩動力反應有比較明顯的降低，表現(xiàn)在壩面高應力區(qū)的范圍縮小和反應的極值降低。考慮地基輻射阻尼條件下，壩體靜動疊加主拉、壓應力極值降低25%～30%，且拉應力降低較多。

(8)5座特高拱壩壩肩抗滑穩(wěn)定分析成果表明，左右壩肩控制性巖塊穩(wěn)定安全系數(shù)總體能滿足設計地震工況的控制要求，校核地震工況下個別塊體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)偏低，但持續(xù)時間較短，各高拱壩地震工況下均能滿足壩肩抗滑穩(wěn)定要求。

(9)小灣、大崗山、溪洛渡拱壩進行了動力模型試驗研究，模型比尺為1∶300，試驗表明大壩上、下游壩基和壩體中高高程是大壩抗震的薄弱部位，采取抗震加固措施是必要的，三座拱壩均具有一定地震動超載能力。

(10)5座特高拱壩均采取上下游壩面設置抗震鋼筋、高應力區(qū)采用高強混凝土、加強壩身孔口配筋、優(yōu)選止水形式等抗震措施，小灣、大崗山上游壩踵進行了防滲回填，大崗山還設置了抗震阻尼器。各工程抗震措施合理。

(11)根據(jù)2015規(guī)范進行抗震復核表明，5座特高拱壩抗震設計和抗震措施合理，均具備一定的抗震極限承載能力，監(jiān)測資料表明各工程運行性態(tài)正常。

7.2 工作建議

(1)大崗山拱壩設計地震動峰值加速度高、小灣拱壩裂縫處理材料耐久性、錦屏一級左岸邊坡變形尚未收斂、溪洛渡拱壩兩岸谷幅收縮影響等問題值得持續(xù)關注。在以上因素疊加下的拱壩地震動響應規(guī)律極其復雜，建議工程運行期間應繼續(xù)開展拱壩抗震安全的研究工作。

(2)當前，我國抗震設計規(guī)范對特高拱壩采用分級設防，但最大可信地震或萬年一遇地震校核的定量評價標準有待進一步研究明確。

(3)當前，大壩全級配混凝土動力特性試驗研究相對較少，對于工程設防類別為甲類的拱壩工程，建議開展全級配混凝土動力特性研究。

(4)當前，設定地震場地相關反應譜的確定還多基于NGA(AS08衰減關系)研究成果，隨著我國強震記錄的逐步積累，對于具體工程建議開展我國地震反應譜衰減關系與NGA的對比研究，經(jīng)合理論證后確定場地相關設計反應譜。

(5)當前，高拱壩抗震分析模型、方法的基本要求在2015規(guī)范中雖有規(guī)定，但不同單位的分析成果仍有一定差距，且大比尺動力模型試驗研究相對較少，高拱壩抗震分析評價數(shù)值和試驗手段仍有待進一步完善。