高地震烈度地區重力壩抗震鋼筋配置及應用

吳余生

（云南省能源投資集團有限公司，昆明 650228）

隨著我國水電開發向西南地區的金沙江、瀾滄江、雅礱江、大渡河等流域不斷延伸［1-2］，在西南地震多發的高地震烈度地區修建高壩大庫是水電開發面臨的重大關鍵技術問題［3］，須采取有效抗震措施，確保大壩抗震安全。混凝土重力壩遭遇地震時，在不危害大壩整體穩定安全的前提下，壩頭、上下游折坡點等薄弱部位產生局部裂縫是允許的，但必須采取有效工程措施限制裂縫發展。在大壩上下游壩面配置抗震鋼筋是提高混凝土重力壩抗震性能的實用工程措施，抗震鋼筋在一定程度上可以減小裂縫寬度及限制混凝土裂縫發展，提高大壩抵御地震破壞的抗震性能，尤其在主震后遇較強余震發生時，抗震鋼筋能有效提高重力壩的整體抗震能力。目前國內外尚未有具體的規范明確混凝土重力壩在地震荷載作用下配筋量計算，本文以西南地區金沙江中游某大型水電站為例，通過不同配筋量的分析比較，探討合理可行的大壩抗震配筋方案，并應用于工程實踐。

1 工程概況

某大型水電站位于云南省麗江市境內的金沙江中游河段，樞紐工程為Ⅰ等、大（1）型工程，擋水建筑物為碾壓混凝土重力壩，最大壩高160 m，工程開發任務以發電為主，裝機容量2400 MW，多年平均發電量110.43億kW·h。電站壩址區位于西南橫斷山脈高地震烈度區，地震基本烈度為Ⅷ度，50年超越概率為5%的基巖水平峰值加速度為0.246g，100年超越概率為2%的基巖水平峰值加速度為0.399g，100年超越概率為1%的基巖水平峰值加速度為0.475g。根據規范［4］相關規定，壅水建筑物應提高1度設防，故重力壩地震設防烈度為Ⅸ度，抗震概率水準采用基準期100年超越概率2%，基巖水平峰值加速度采用0.399g作為設計地震抗震設防標準，地震動參數高。

2 大壩抗震配筋計算分析

電站大壩的廠房壩段位于河床中央，是最高壩段，遭遇地震時的地震動反應最強烈。選取廠房壩段為計算對象，采用三維非線性動力有限元，運用整體式鋼筋混凝土動力本構模型［5］，進行抗震配筋計算，分析大壩在地震工況下的裂縫發展損傷深度，評價各配筋方案的效果和合理性，并最終確定配筋方案。三維有限元計算模型如圖1，不同配筋方案下壩體關鍵部位的損傷區深度如表1。

圖1 廠房壩段壩體三維有限元計算網格模型

表1 不同配筋方案壩體關鍵部位的裂縫發展損傷情況

三維有限元計算成果表明，設計地震工況作用下，大壩壩踵、壩頭、上下游折坡點等薄弱部位混凝土開裂損傷，配置抗震鋼筋能有效減小裂縫寬度，有效控制裂縫發展，提高大壩抵抗地震破壞的能力。

（1）不配置抗震鋼筋的情況，壩踵開裂損傷深度達10.2m，壩基上游防滲帷幕開裂破壞，危及大壩安全。

（2）應用方案1布置一排φ28@200mm的三級鋼筋，壩踵開裂損傷深7.2m，損傷區深度減小約30%，部分壩基上游防滲帷幕開裂，壩體混凝土開裂損傷仍然較嚴重。

（3）應用方案2布置2排φ28@200mm的三級鋼筋，壩踵開裂損傷深5.4m，損傷區深度減小約50%，有效抑制混凝土開裂損傷，沒有破壞壩基上游防滲帷幕，大壩整體是安全的。

（4）應用方案3布置2排φ28@143mm的三級鋼筋，壩踵開裂損傷深3.1m，損傷區深度減小約67%，較好抑制混凝土開裂損傷，但鋼筋布置較密集。

（5）應用方案4布置2排φ36@143mm的三級鋼筋，壩踵開裂損傷深2.6m，損傷區深度減小約75%，進一步抑制混凝土開裂損傷，但相對于方案3，繼續加大配筋量對減小壩體損傷區深度效果不明顯。

3 大壩抗震鋼筋布置方案

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筋為主，重點控制大壩壩踵、壩頭、上下游折坡點等薄弱部位的混凝土裂縫發展，提高大壩整體抗震能力。從上述計算分析可知，配筋越大壩體損傷區域越小，但配筋量達到一定水平后，繼續加大配筋量難以大幅降低壩體損傷程度。從混凝土澆筑施工的角度考慮，在大壩上下游壩面配筋過大過密會導致鋼筋間距小，導致混凝土澆筑難以振搗密實，影響混凝土澆筑質量，反而不利于增強大壩整體抗震能力，并且大幅增加工程造價。綜合技術經濟和施工實際等方面考慮，上述方案2的配筋量適中，能有效限制壩體裂縫的發展，保證壩踵區損傷開裂深度不會導致上游灌漿帷幕破壞，不危及大壩的整體安全性，以該方案為基礎對大壩進行抗震配筋是合適的。

3.1 抗震配筋原則

（1）大壩上游面為二級配碾壓混凝土防滲層，需要嚴格控制裂縫的發展，全壩面布置一排φ28@200 mm的三級鋼筋。

（2）大壩的壩踵、上游起坡點、上下游壩頭等體型變化部位為壩體抗震薄弱環節，在其上下一定范圍內布置兩排φ28@200mm的三級鋼筋。大壩抗震鋼筋配置典型示意如圖2。

圖2 大壩抗震鋼筋配置示意圖

3.2 抗震配筋工程應用實踐

在大壩壩體混凝土澆筑施工過程中，按照上述配筋原則，結合各壩段實際體型結構，具體設計配筋如下。

3.2.1 左、右岸非溢流壩段抗震配筋

左、右岸非溢流壩段壩高20～120 m。壩體上游面全壩面布置抗震鋼筋（φ28@200 mm的三級鋼筋）；在EL1330.0 m上游起坡點的上下各10 m范圍內增加一排相同直徑和間距的鋼筋。壩體下游面折坡點采用了圓弧連接的方式，并且布置了兩排抗震鋼筋，第一排布置范圍為圓弧以下10.0m至壩頂，第二排為圓弧下5 m至圓弧上2～5 m，鋼筋直徑和間距與上游壩面相同。

3.2.2 左岸沖沙底孔壩段抗震配筋

左岸沖沙底孔壩段壩高136m。壩體上游面全壩面布置抗震鋼筋（φ28@200mm的三級鋼筋），在抗震的薄弱部位EL1326.7m上游起坡點的上、下各10m范圍內增加一排相同直徑和間距的鋼筋。壩體下游面電梯井左岸折坡點采用了圓弧連接的方式，布置了兩排抗震鋼筋，并且第一排從圓弧下EL1382.7m（圓弧下16.7m）至壩頂，第二排從EL1388.0 m（圓弧下11.3m）至圓弧上5.0m，鋼筋直徑和間距與上游壩面抗震鋼筋相同。

3.2.3 廠房壩段抗震配筋

廠房壩段最大壩高160m。壩體上游面EL1350.0m以下全壩面布置抗震鋼筋（φ28@200mm的三級鋼筋），EL1330.0m上游折坡點和EL1350.0m的進水口懸挑結合部是廠房壩段的抗震薄弱環節，在EL1330.0m上游折坡點上下各10m范圍內增加一排相同直徑和間距的鋼筋，EL1350.0m以上為電站進水口，體型結構較復雜，抗震鋼筋和結構鋼筋結合布置。壩體下游面從EL1380.0 m至壩頂全部布置兩排抗震鋼筋（φ28@200 mm的三級鋼筋）。

3.2.4 右岸泄洪沖沙底孔壩段抗震配筋

右岸泄洪沖沙底孔壩段壩高132m。壩體上游面全壩面布置抗震鋼筋（φ28@200mm的三級鋼筋）。在沖沙孔進口形成的轉折點EL1362.0m上下各5m范圍內結合進口結構布置增加一排相同直徑和間距的抗震鋼筋。壩體下游面折坡點采用了圓弧連接的方式，布置兩排抗震鋼筋，第一排布置范圍為圓弧以下10m至壩頂，第二排為圓弧下5m至圓弧上5m，主受力筋為φ28@200mm的三級鋼筋，與上游面抗震鋼筋相同。

3.2.5 溢流壩段抗震配筋

溢流壩段壩高108～132m。壩體上游面全壩面布置抗震鋼筋（φ28@200mm的三級鋼筋），抗震鋼筋從壩基布置至EL1393.0m，在EL1330.0m上游起坡點的上下各10m范圍內增加一排相同直徑和間距的鋼筋，EL1393.0m以上至堰頂結合溢流面鋼筋布置了一排φ28@200mm的三級鋼筋。

4 結語

在高地震烈度地區修建高壩大庫是水電開發面臨的重大關鍵技術問題，本文以西南地區金沙江中游某大型水電站為例，通過不同配筋量的分析比較研究，提出大壩上游面全壩面布置一排φ28@200mm的三級鋼筋，大壩的壩踵、上游起坡點、上下游壩頭等體型突變的抗震薄弱部位，在其上下一定范圍內布置兩排φ28@200mm的三級鋼筋的抗震配筋方案并應用于工程實踐，可為類似高地震烈度地區重力壩抗震配筋提供有益借鑒和參考。