龍開口水電站重力壩防震抗震設計與安全評價

葉建群，鄭鵬翔，涂承義

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江省杭州市 311122）

0 引言

龍開口水電站位于云南省大理州鶴慶縣境內，是金沙江中游河段“一庫八級”的第六級電站。工程總庫容5.58億m3，調節庫容1.13億m3，具有日調節性能，防洪庫容1.26億m3。電站安裝5臺360MW的水輪發電機組，總裝機容量1800MW，年發電量73.96億kWh。水庫每年可提供灌溉水量7937萬m3和人畜用水量202萬m3。樞紐工程主要由擋水建筑物、泄洪沖沙建筑物、右岸壩后式發電廠房和左、右兩岸灌溉取水口等建筑物組成。攔河大壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂全長768m，最大壩高116m。電站于2007年9月開始籌建，2012年11月下閘蓄水，2013年5月首臺機組投產發電，2014年1月全部5臺機組投入運行。

本工程區域和近場構造上位于滇西北川西南活動構造區范圍，屬于構造穩定性較差的地區，總體上新構造運動、深部構造變形、現代地殼形變、斷裂活動等均較強烈。晚更新世以來活動強烈的多條斷裂發育在近場和壩址區外圍，這些斷裂發生地震時，對壩址的影響相對較弱。但鶴慶～洱源斷裂和程海～賓川斷裂距壩址則較近，如果再次發生地震對壩址區的影響較大。

龍開口水電站的工程場地地震基本烈度根據中國地震局地質研究所完成并經中國地震局批復，確定為Ⅷ度。大壩抗震設防類別屬“甲”類，在基本烈度基礎上提高1度即Ⅸ度作為設計烈度。雍水建筑物取基準期100年內超越概率P100為0.02，確定地震水平向加速度峰值為0.394g；校核地震標準取為基準期100年超越概率1%，相應水平向地震加速度代表值為0.471g。

1 重力壩設計概況

1.1 大壩工程地形地質條件

壩址處河谷地形開闊，兩岸山體雄厚，岸坡左陡右緩，為不對稱U形谷。壩址區基巖主要為玄武巖組中段（P2β2-3）與上段（P2β3），且沿構造帶或順層面有正長斑巖（ξπ）侵入。玄武巖組中段和上段的界線為凝灰巖t0，分布于左、右岸壩頭高程1250～1310m，上段各巖流層分界線為凝灰巖t1～t9，厚度0.6～4.5m，分布于高程1300m以上的兩岸岸坡。玄武巖與正長斑巖接觸面后期多擠壓破碎，部分呈熔融接觸，該層巖石巖芯多呈較破碎～破碎狀，完整性差，較玄武巖風化深。左岸岸坡基巖大部分裸露。右岸岸坡主要分布第四系堆積，右壩肩上部岸坡分布有大型蠕滑拉裂變形巖體。壩址處為弱褶皺構造區，無區域性斷裂分布，有小規模斷層和擠壓帶及節理在巖層受褶皺過程中形成。

1.2 大壩結構設計

攔河大壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂全長768m，壩頂高程1303m，最大壩高116m。經過優選確定各壩段基本三角形剖面的頂點高程為1303.00m，上游面1235.00m高程以上為垂直坡，1235.00m高程以下坡度為1：0.2；下游壩坡的坡度為1：0.75。壩體的防滲結構型式為碾壓混凝土自身防滲+變態混凝土防滲。壩基及兩岸的防滲型式為水泥帷幕灌漿，帷幕灌漿深入透水率小于1Lu基巖以下5m。為滿足樞紐泄洪、施工導流、庫區及廠前沖沙的綜合要求，泄洪沖沙建筑物布置形式采用表、中、底孔相結合的方式。泄洪建筑物由5個溢流表孔，4個泄洪中孔組成，溢流表孔布置在主河床，4個泄洪中孔布置在表孔兩側。重力壩典型斷面見圖1。

圖1 龍開口水電站重力壩典型斷面Figure 1 Typical section of the gravity dam of longkaikou hydropower station

2 重力壩抗震安全性評價

2.1 各典型壩段的材料力學法和平面有限元法抗震計算分析與評價

龍開口混凝土重力壩由擋水壩段、溢流壩段、泄洪中孔壩段、引水廠房壩段等組成。在抗震計算時，根據結構及基礎特點，分別選取有代表性的21號和24號擋水壩段、13號中孔壩段、11號溢流壩段及18號引水廠房壩段進行大壩設計地震作用下的抗震計算。

材料力學法的基本假定為懸臂梁水平截面在受荷變形后仍保持平面（平截面假定）；計算時，忽略地基阻尼和質量的影響，壩體與地基間的動力相互作用按常用的Vogt地基系數法確定地基剛度影響；庫水的影響采用Westergaard公式計算附加質量。

平面有限元法計算時，為反映地基的彈性動力作用，取上、下游及鉛直向均為2倍壩高范圍的無質量地基；庫水的附加質量采用流固耦合的有限元數學模型進行計算，庫水影響取長度為3倍壩高的水庫，以有效模擬庫水的動力影響。

2.1.1 各典型壩段自振特性

采用材料力學法和有限元法計算分析了各典型壩段的自振特性，兩方法給出了十分接近的自振頻率。擋水壩段和中孔壩段的振型參與系數大于溢流壩段和廠房壩段。對比擋水壩段結果可知，地基變模大小對大壩基頻影響較為顯著。由于擋水壩段和中孔壩段振型參與系數較大，其加速度放大效應大于溢流壩段和廠房壩段。21號擋水壩段的材料力學法、有限元法計算的自振頻率和振型參與系數見表1。

表1 21號擋水壩段的材料力學法、有限元法計算的自振頻率和振型參與系數Table 1 Natural frequency and mode participation coefficient calculated by material mechanics method and finite element method for 21# water retaining dam section

2.1.2 各典型壩段靜、動態反應及強度安全校核

采用材料力學法和有限元法計算了各典型壩段的靜、動態反應，表2列出了各典型壩段材料力學法及有限元法的靜動綜合應力結果。由于地震動態應力較大，各壩段的壩面靜動綜合應力均較大；其中，廠房壩段和中孔壩段的應力水平總體上高于擋水壩段和溢流壩段。材料力學法與有限元法的大壩壩面應力分布規律大體相近，在數值上有不同程度的差別。總體來看，在大壩中、上部高程，上游面材料力學法計算的數值略小于有限元法，下游面則材料力學法結果較大。而在壩踵、壩趾區域、孔口附近以及截面突變處，有限元法的成果反映了局部應力集中效應的影響，其應力數值一般明顯高于材料力學法計算成果。

表2 各典型壩段材料力學法及有限元法的靜動綜合應力結果Table 2 Stress results calculated by material mechanics and finite element method for each typical dam section under static and dynamic forces （MPa）

各典型壩段混凝土的抗壓強度均能夠滿足《水工建筑物抗震設計規范》的要求，且具有較大的安全裕度。溢流壩段、擋水壩段的混凝土抗拉強度能夠滿足抗震規范要求。泄洪中孔壩段的下游壩面1265.70～1275m高程范圍內拉應力超過了RCC-C20混凝土的抗震強度要求，但超出的范圍和數值均很小，采取適當壩面配筋措施可滿足抗震要求。廠房壩段下游背管部分區域的拉應力超出了混凝土抗拉強度要求，但超標的數值較小。但考慮到本分析采用的是材料力學法，不能夠準確反映背管的復雜結構及其與周圍混凝土結構的相互作用關系，另外對該部位采取了較強配筋措施，其真實的抗震安全度要好于計算結果。

2.1.3 各典型壩段抗滑穩定安全校核

各典型壩段沿建基面的動力抗滑穩定安全按照《水工建筑物抗震設計規范》的規定校核；壩體各水平層面的抗滑穩定安全校核參照沿建基面的動力抗滑穩定安全校核方法。各典型壩段沿建基面和碾壓層面的靜動力抗滑穩定安全均能夠滿足抗震規范要求。各典型壩段在設計地震作用下建基面的抗滑穩定校核結果見表3。

表3 各典型壩段建基面設計地震作用下的抗滑穩定校核結果Table 3 The results of anti-sliding stability check of the foundation surface of each typical dam section under design earthquake （kN）

2.2 樞紐全壩段三維動力非線性計算分析與評價

為了真實模擬大壩在地震作用下的整體工作狀態，并且評價橫縫聯接形式在大壩防震抗震中的影響，對大壩—地基系統進行了三維有限元數值仿真分析。按照實際間距模擬各壩段間的接觸縫面，接縫共計30條，縫間接觸初始狀態按照分倉縫與誘導縫分別模擬，誘導縫間初始間隙為3mm，分倉縫的初始間隙則按照灌漿與不灌漿分別取為0mm和3mm，當考慮分倉縫設置鍵槽的作用時，則認為縫間在切向無滑移和錯動；另外還考慮了未灌漿時初始間隙均設為5mm的情況。

大壩—地基系統整體三維有限元模型共有43542個單元，50773個節點，4405個接觸縫面的接觸節點對。為模擬地震動能量向無限遠域的逸散，地基外側設置了60m的人工透射邊界區。地震波以規范標準反應譜為目標譜擬合生成的人工加速度時程，在順河向、橫河向和鉛直向施加；庫水的動水壓力影響按照Westergaard公式計算的附加質量進行模擬。

計算分析結果表明：考慮壩段橫縫間的相互作用后，在三向地震波的作用下，壩體拉應力數值和范圍明顯減小；若不考慮壩段橫縫間的相互作用，即各壩段單獨工作，則在三向地震波的作用下，其拉應力數值和范圍較前者由明顯的增加，且較常規的二維有限元分析成果不利。因此，采取工程措施以實現壩段橫縫間的相互作用是必要的。為加強壩段間的聯接和大壩的整體性，采用在分倉縫內設置半球型鍵槽、倉內誘導縫切縫形成鍵槽等工程措施是可行的。

圖2 分倉縫設鍵槽不灌漿時的靜動綜合最大主應力云圖Figure 2 The maximum principal stress of dam under static and dynamic forces when the bay joint seam with keyway is not grouted

2.3 校核地震作用動力計算分析及研究

對于龍開口水電站主要壅水建筑物，根據《水電工程防震抗震研究設計及專題報告編制暫行規定》，為達到“不潰壩”的功能目標，應分析其在校核地震工況下的結構整體穩定性。校核地震水平地震動參數取基準期100年超越概率1%為0.471g。

選取典型的21號擋水壩段，分別采用材料力學法和平面非線性有限元法進行分析計算，結果表明：在校核地震作用下，雖然大壩的動力反應較設計地震作用時有所增大，但壩頭折坡部位未出現開裂，壩基交界面開裂范圍不大，尚未達到帷幕位置；整個地震動時程中，大壩建基面抗滑穩定安全度的K值均在2.5以上，建基面抗滑穩定性能夠滿足抗震安全要求，不存在潰壩的危險。

2.4 典型壩段動力模型試驗

動力模型試驗選取5個典型壩段（2號岸坡壩段、11號溢流壩段、15號泄洪中孔壩段、18號廠房壩段、24號非溢流壩段），以測試大壩的動力特性，包括頻率、振型和阻尼比；確定大壩地震響應，以及大壩在強震作用下相應的地震動輸入加速度、壩頂反應加速度以及裂縫的發展過程，并記錄分析大壩的破壞過程，判斷大壩的超載能力及抗震安全度。

試驗用振動臺臺面尺寸3.6m×4.6m，最大載重量10t，壩體模型采用仿真混凝土材料制作，由水泥、礦石粉、重晶粉（砂）和水按一定配合比制作而成，具有硬化快、強度低、彈模低的特點，能夠較好地模擬混凝土材料的彈性—塑性—破壞全過程。模型采用的幾何比尺均為1：60，斷面模型時間比尺為7.75。試驗地震波采用規范標準反應譜擬合的人工波，同時模擬了壩體—庫水的動力相互作用。典型壩段的破壞狀態見圖3和圖4。

圖3 24號壩段破壞狀態（下游圓弧出現裂縫，起裂加速度0.891g）Figure 3 Damage status of 24# dam section（Cracks appear in the downstream arc segment，and the initial cracking acceleration is 0.891g）

圖4 24號壩段破壞狀態（裂縫向上游貫穿，破壞加速度1.468g）Figure 4 Damage status of 24# dam section（The crack extends upstream with a failure acceleration of 1.468g）

動力模型試驗表明，在地震作用下，壩體頭部、溢流壩段的導墻折坡處、廠房壩段下游折坡至上游進水口根部區域、閘墩與堰面交界部位、中孔壩段的導墻頂部和底部與壩體連接處是抗震的薄弱環節；各典型壩段的起裂加速度為0.422g～1.598g，均大于龍開口水電站大壩設計的0.394g水平地震加速度，大壩具有一定的安全裕度，大壩整體是安全的。

3 抗震措施

龍開口水電站壩址地震烈度高，在工程抗震設計中根據材料力學法及有限元法分析、振動模型試驗成果，并結合其他高烈度地震區類似的工程經驗，經優選采取了如下抗震措施：

（1）為充分考慮工程抗震設計烈度高的特點，泄洪建筑物型式選用了5個13m×20m的泄洪表孔和4個5m×8m泄洪中孔組合。則在多年平均入庫流量條件下，當遭遇高烈度地震時，可在1天內將上游庫水降至表孔堰頂高程1278.0m，相應庫容由正常蓄水位的5.07億m3降至2.5億m3；6天左右將庫水降至引水進水口底板1262.64m，相應庫容約1.15億m3。能有效地降低壩前水位以及庫容，減免次生災害的發生和便于震后大壩的檢查、檢修，盡快恢復生產。

（2）通過分析比選，為加強壩段間的連接和大壩的整體性，以及降低大壩的地震動力反應，本工程選取在分倉縫內設置半球型鍵槽、倉內誘導縫切縫形成鍵槽等工程措施。

（3）加強混凝土施工過程中的溫控及細節控制，盡可能地減少大壩混凝土的初期產生的缺陷，以保證大壩混凝土的抗震性能。

（4）在大壩上游高程1214m以下設置黏土鋪蓋，使得低高程壩體在遭遇高烈度地震后出現裂縫時能夠滲漏自愈，從而提高大壩的安全性。

（5）根據抗震分析成果，適當提高壩體下游動應力較大區域的混凝土強度等級；并在大壩上、下游壩面配置抗震鋼筋，以提高壩體的抗震限裂性能。

（6）根據抗震分析和已建重力壩震害經驗，壩體折坡部位地震動應力大，是易于發生破壞的部位，因此，本工程采用圓滑化處理壩體折坡部位的體型，以此減少地震動應力，并適當配置抗震鋼筋。

（7）根據抗震分析成果，發電引水壩段進水口下部牛腿根部與下游折坡處、溢流壩閘墩與堰面交接部位、壩體各類孔口兩側邊墻等部位地震動應力較大，是抗震薄弱部位，進行了加強配筋處理。

（8）壩體橫縫止水選用變形能力大的止水型式，以適應壩段間因地震荷載可能產生的相對錯動變形。

（9）溢流表孔壩段閘墩，側向剛度相對較小，通過降低閘墩高度、加強梁、橋與閘墩的聯接，減少閘墩橫河向地震反應。

（10）對壩基中的斷層、破碎帶、節理密集帶、軟弱夾層等進行刻槽回填混凝土、加強帷幕及固結灌漿等處理，減少基礎滲漏和降低滲透壓力。

（11）對碾壓混凝土大壩進行了強震觀測設計，在多個斷面不同高程布設了強震觀測設施，以監測壩體不同部位的地震反應，指導震后修復工作。

（12）設置專門的地震臺網，用以監測庫、壩區附近因工程運行而可能誘發的地震。

4 結束語

龍開口水電站壩址位于高烈度地震區，大壩水平向設計地震動峰值加速度為0.394g。采用材料力學法、數值計算分析方法和動力模型試驗，研究分析了大壩的壩體應力變形、抗滑穩定、壩體混凝土開裂過程、壩體橫縫狀態及抗震設計等，綜合評價了大壩的抗震安全性。結果表明，在設計地震和校核地震作用下，大壩抗滑穩定及抗壓強度均能夠滿足規范要求，部分壩段存在局部拉應力超標現象，但超標的范圍和數值小，采取一定的工程措施能夠得到解決；大壩起裂加速度均大于設計加速度；建基面抗滑穩定滿足規范要求；大壩具有一定的地震荷載超載能力。根據抗震分析研究成果，采用了大壩橫縫梯形鍵槽代替橫縫灌漿、壩體折坡部位圓滑化處理、壩體交接部位及上下游壩面配筋、大壩上游低高程處設黏土鋪蓋等抗震措施，以提高大壩抗震性能；優化泄洪建筑物組合型式，能快速、有效降低壩前水位及庫容，減免次生災害的發生以及便于震后大壩的檢查、檢修。龍開口重力壩防震抗震設計經驗對高地震區的高重力壩防震抗震設計具有一定的工程參考價值。