緬甸滾弄水電站重力壩抗震研究

吳余生

(云南省能源投資集團有限公司，昆明 650228)

1 工程概況

怒江出境后進入緬甸境內稱之為丹倫江(也叫薩爾溫江)，滾弄水電站為緬甸丹倫江梯級開發方案中的第一級電站，壩址位于南寧河與丹倫江匯口上游緬甸撣邦境內滾弄縣戶里鄉，距云南耿馬孟定清水河口岸約37 km。工程開發任務以發電為主，水庫正常蓄水位519 m，相應庫容為6.59×108m3，調節庫容1.76×108m3，電站裝機容量1 400 MW，多年平均發電量72.34×108kW·h。樞紐布置主要由常態混凝土重力壩，壩身溢流表孔及沖沙底孔，左岸壩后式發電廠房、右岸泄洪兼導流洞等建筑物組成。混凝土重力壩壩頂高程523 m，最大壩高103 m。

工程區位于緬甸撣邦高原的東北部，屬岡底斯-念青唐古拉褶皺系之福貢-鎮康褶皺帶的保山-永德褶皺束內，處于龍陵—瑞麗斷裂與南汀河斷裂所夾持的三角地塊西南角，區內褶皺、斷裂等構造發育，場地周圍150 km范圍內發育有多條活動性斷裂帶，地震活動較頻繁，地震基本烈度為Ⅷ度，屬潛在地震震級較大的較不穩定地區。在強震區修建高壩大庫是水電開發面臨重大關鍵技術問題[1-2]，須對大壩抗震安全性進行專題研究，采取有效抗震措施，確保其抗震安全。

2 大壩抗震設防標準

依據《水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準》(DL 5180-2003)[3]的相關規定，滾弄水電站為一等大(Ⅰ)型工程，主要水工建筑物(大壩雍水建筑物、泄洪建筑物和引水發電建筑物)為1級建筑物。依據《水電工程水工建筑物抗震設計規范》(NB 35047-2015)[4]的相關規定，大壩抗震設防類別為甲類，在基本烈度基礎上提高1度作為設計烈度，則大壩按Ⅸ度設防。結合地震安全性評價成果，大壩抗震設計標準采用基準期100年超越概率2%，相應基巖地震水平峰值加速度為0.57 g；大壩抗震校核標準(最大可信度地震)采用基準期100年超越概率1%，相應基巖地震水平峰值加速度為0.70 g。

3 大壩抗震分析

鑒于工程處于高地震烈度區，地震動參數高，在工程可行性研究階段，從典型壩段平面二維，單壩段三維、整體大壩三維等3個層次，采用有限元法分析研究大壩在靜動力工況下的工作性態，全面評價大壩抗震安全性，并提出相應的抗震措施[5]。

3.1 典型壩段平面有限元分析

采用平面有限元法對7#廠房壩段和10#溢流壩段等典型壩段進行抗震動力分析，研究壩體的位移變形和應力分布，限于篇幅，本文重點介紹設計地震工況計算成果。

3.1.1 位移分析

設計地震工況下(靜載+設計規范譜時程)，典型壩段位移分布見圖1。

平面有限元分析成果表明，靜力荷載與規范譜地震荷載疊加后，壩體變形符合一般規律，水平向位移基本呈水平層狀分布，位移值隨壩高的增加而增大，壩頂位移最大，7#壩段和10#壩段壩頂順河向水平位移最大值分別為7.06和7.57 cm。

圖1 設計地震工況下典型壩段水平位移分布圖

3.1.2 應力分析

設計地震工況下，典型壩段壩體豎向應力和主應力分布見圖2-圖3，其中主應力等值線為各地震時段中壩體各部位的最大應力分布包絡圖(不代表某一時刻的壩體應力分布情況)。

平面有限元分析成果表明，地震荷載作用主要在壩體上下游表面產生較大的動力響應。在設計地震工況下，主拉應力主要集中在壩踵、壩體上下游面，上游直坡面的最大主拉應力一般在3～4 MPa左右，下游坡面最大主拉應力數值一般在4～5 MPa，壩踵或部分折坡區域達到6～8 MPa，壩體內部的主拉應力水平則較低；壩體表面5 ～10 m范圍內等值線較密，應力梯度較大，而壩體內部應力等值線較疏，應力分布較壩體表面均勻。按C9030混凝土的動態拉應力控制標準，壩踵超標區范圍約7～12 m(在壩橫0+7 m～0+8 m上游)，基本在壩體帷幕上游(帷幕布置在壩橫0+8 m)；上游面超標區范圍在壩面以內4.5～7 m；下游面超標區范圍在壩面以內10～12 m。上述3個拉應力超標區域是相對容易出現拉裂的區域；根據應力時程分布，盡管上述部位最大值超過抗拉強度，但時刻很短，考慮到地震動往復特性和瞬態特性，對壩體安全性有一定影響但程度有限；并且地震動過程中超過抗拉強度的區域僅局限在上下游應力集中區的表面，壩體內部均未出現主拉應力超標區域連通的情況；另外，壩踵拉應力超標區基本在壩體帷幕上游，對帷幕影響有限。因此，采取壩體內部混凝土以C9020和C9025為主，表面混凝土以C9030為主，并在壩體表面配置抗震鋼筋等措施來改善壩體的抗震性能，基本可以保障大壩的整體安全性。

圖2 7#壩設計地震工況下的應力分布圖

圖3 10#壩設計地震工況下的應力分布圖

3.2 三維有限元分析

3.2.1 典型壩段三維有限元模型

7#廠房壩段和10#溢流壩段體型復雜，為有效模擬分析進水口、閘墩等復雜細部結構對壩體抗震性能的影響，采用三維動力有限元針對設計地震工況進行分析。7#廠房壩段壩寬35 m、壩高103 m，10#溢流壩段壩寬20 m、壩高85 m，壩頭主要采用結構混凝土，壩身主要采用大壩混凝土。壩段三維有限元模型采用8節點等參單元進行模擬，詳細模擬壩體混凝土分區。地基模擬范圍：上下游方向自壩踵、壩趾部位分別向上下游延伸3倍最大壩高；深度方向自最低建基面向下3倍最大壩高。壩體三維有限元模型見圖4-圖5。

圖4 7#壩段三維有限元模型

圖5 10#壩段三維有限元模型

3.2.2 大壩整體三維有限元模型

大壩壩體和地基均采用8節點塊體單元，整體三維模型見圖6，模型模擬了左右沖底孔、進水口、背管及廠房、壩頭閘墩和擋水墻等。計算模擬范圍：上下游方向自壩踵、壩趾部位分別向上下游延伸120 m；深度方向自最低建基面向下200 m，左右岸方向自壩頂高程的壩肩部位向兩岸延伸向左右100 m。壩體橫縫采用薄層單元模擬壩體橫縫的影響，平行于縫面方向的彈模根據薄層單元厚度和橫縫厚度(取為1 cm)比值進行折減；垂直于縫面方向(壩軸線方向)的彈模取為壩體混凝土的30%；剪切模量按照規范規定取為相應彈模的40%。

3.2.3 三維有限元計算結果

單壩段三維有限元分析成果表明，在靜力荷載與規范譜地震荷載共同作用下，廠房壩段和溢流壩段地震動響應較大的部位主要是上游面直坡部位以及下游面折坡處；廠房壩段的上游面直坡部位以及下游圓弧處的豎向拉應力較大，局部達到4 MPa以上，溢流壩段壩踵處的拉應力達到5.0 MPa以上。

大壩-地基整體三維有限元分析成果表明，各壩段順河向地震響應與壩段高度密切相關，壩頂最大峰值加速度出現在中間廠房壩段，為18.09 m/s2，與廠房壩段三維得到的順河向加速度響應吻合，壩體橫河向最大地震響應為15.5 m/s2。除溢流壩段閘墩部位橫河向振動模態外，大壩自身未發現明顯的橫河向振動模態，閘墩在橫河向地震作用下的地震響應十分強烈。近兩岸壩段的地震響應遠小于高度較高的廠房壩段，兩側壩段的約束作用減少了單壩段的地震響應，因此壩段橫縫灌漿有利于提高大壩的整體抗震能力。閘墩在橫河向地震作用下的橫河向響應很大，盡管對大壩本身安全影響不大，但可能威脅到震后泄洪設施的正常功能。

圖6 大壩全壩段-地基系統整體三維有限元模型

壩體的主拉應力集中區主要分布在5個區域，分別為各壩段上游建基面壩踵部位、溢流壩段的壩頭閘墩和擋水墻部位、左右沖沙底孔壩段底孔進水口部位、廠房壩段的進水口部位、下游面主變平臺折坡部位，局部主拉應力達到5～6 MPa左右以上，應采取一定的抗震措施，適當配置鋼筋以限制裂縫。

3.3 大壩抗滑穩定分析

采用材料力學法和三維有限元法進行大壩抗滑穩定分析，主要成果如下：

1) 典型壩段平面有限元分析成果表明，靜力工況下建基面抗滑穩定均滿足規范要求，且有較大的安全裕度；設計地震工況下，各壩段沿建基面及壩體層間抗滑穩定性均滿足現行規范的要求。

2) 左右岸坡壩段群側向穩定三維有限元分析成果表明，設計地震工況時左岸岸坡部分的1#，2#壩段和右岸岸坡部分的14#，15#壩段，在包括橫河向地震作用的多向地震荷載作用下，單壩段和聯合壩段群沿建基面的的側向穩定性滿足要求。

3) 全壩段三維非線性有限元分析成果表明，設計地震工況下，溢流壩段的抗滑穩定安全裕度相對偏低，但其建基面抗力與水平作用的比值時程曲線，在整個地震過程中溢流壩段的抗滑穩定均滿足了極限狀態設計要求，大壩沿建基面抗滑穩定滿足安全要求。

4 大壩抗震措施

通過上述抗震分析可知，設計地震工況下，部分區域應力集中產生較大的拉應力數值超過了混凝土抗拉強度，需采取相應的抗震措施。重力壩抗震設計遵循“小震不壞、中震可修、大震不倒”的總體原則，主要采取以配置抗震鋼為主，重點限制薄弱部位混凝土開裂，結合優化體型、混凝土分區優化、橫縫接縫灌漿等其他措施為輔的抗震加固方案，做到抗震措施安全可靠、經濟合理、可操作性強。

1) 配置抗震鋼筋。在拉應力集中的區域配置抗震鋼筋能減小裂縫寬度，有效控制裂縫發展，提高大壩抵抗地震破壞的能力，尤其是在主震后繼續發生較強余震時，抗震鋼筋對提高大壩整體抗震能力是有利的。大壩抗震鋼筋配置方案為：大壩上游面全面布置兩排φ32@200 mm的三級鋼筋，壩踵、壩趾、上下游折坡處、上下游壩頭等體型突變部位，布置三排φ32@200 mm的三級鋼筋。

2) 優化大壩體型和混凝土分區。經綜合分析，擬適當加大壩體基本三角形斷面，大壩上游坡度為0.3(起坡點447.0 m)，下游坡度為0.8，壩頂寬為12 m，并盡量較少體型突變，在轉折處采用圓弧過渡連接。此外，還優化壩體混凝土分區，有針對性地提高壩體相關部位的混凝土標號，提高拉應力集中區域的混凝土抗拉強度。

3) 壩體橫縫和廠壩縱縫接縫灌漿處理。對橫縫和廠壩縱縫進行接縫灌漿，將大壩和廠房聯接成整體，增強大壩整體性，提高大壩整體抗震性能儲備。

5 結 論

緬甸滾弄水電站工程處于高地震烈度區，地震動參數高，混凝土重力壩的抗震安全問題是工程最關鍵的技術問題之一。本文從平面二維、單壩段三維、整體大壩三維等3個層次，采用有限元法分析研究大壩在靜動力工況下的工作性態，全面評價大壩抗震安全性，并提出相應的抗震措施，主要結論如下：

1) 地震荷載作用主要在壩體上下游表面產生較大的動力響應，大壩抗震的薄弱部位為壩踵、壩趾、上下游折坡體型突變部位及溢流壩段閘墩等。這些薄弱部位在地震期的應力水平較高，局部拉應力超過了混凝土動態抗拉強度，需在結構設計中采取配置抗震鋼筋、優化體型等綜合措施對這些部位進行加強。

2) 在設計地震作用下，大壩沿建基面及壩體層間抗滑穩定性均滿足規范要求，大壩整體是安全穩定的。