廈門抽水蓄能電站面板堆石壩動力分析抗震評價

張顯羽，駱曉鋒，孫立昌，李 凌

（1.福建抽水蓄能有限公司，福建省廈門市 361000；2.河海大學 水利水電學院，江蘇省南京市 210098）

0 前言

抽水蓄能電站是一種在電力負荷低谷期，使用電能將水運送至上水庫，然后在電力負荷高峰期，再向下水庫釋放水從而用以發電的一種水電站，也稱蓄能式水電站。當電網負荷較低時，它可以把冗余電能轉換為高峰期的高價值電能。雖然在這個過程當中，能量轉換損耗（效率一般為70%左右）是不可避免的，但其優良的經濟性和顯著改善高峰期用電緊張的優點，正在被越來越多的人認知，將成為中國有效且不可或缺的電力調節方式[1，2]。考慮到蓄水方便，運營調度合理等因素，水庫多建在山地中，地質條件一般較差。面板堆石壩有工期短、成本低、對地形的適應能力較強等優點，因此作為蓄水電站的壩型[3]。

近年來，大壩的抗震安全備受關注。在地震作用下，松散堆石體會發生坍塌、陷落等問題，從而影響結構穩定[4]。本文針對福建廈門抽水蓄能電站的下水庫面板堆石壩，在靜力分析基礎上，采用動力時程分析法和等效非線性粘彈性模型，計算分析地震情況下的地震反應，評價其抗震安全性。

1 工程概況

福建廈門抽水蓄能電站位于福建省廈門市同安區汀溪鎮境內，樞紐工程主要由上、下水庫、輸水系統、地下廠房及開關站組成。下水庫大壩壩型為混凝土面板堆石壩，最大壩高95.5m。主廠房內安裝4臺單機容量為350MW的水泵/水輪機組，總裝機容量1400MW，最大水頭（一臺空載）591.9m，最小水頭521.1m，額定水頭545m。工程等別為一等大（1）型工程，主要永久性建筑物為1級水工建筑物，次要永久性建筑物為3級水工建筑物。

樞紐場區基巖50年超越概率10%的地震動峰值加速度為100.9gal，相應地震基本烈度為Ⅶ度；設計地震（100年超越概率2%）動水平加速度峰值為226gal，校核地震（100年超越概率1%）動水平加速度峰值為271.2gal，其相應的地震烈度均為Ⅷ度。本次計算采用設計地震情況分析，即取基準期100年超越概率2%的地震動參數作為抗震設計標準[5]。

2 計算模型

2.1 壩體布置

下水庫大壩壩型為混凝土面板堆石壩，壩頂高程311.50m，上游設防浪墻，墻頂高程312.70m，防浪墻高4.7m（壩頂以上1.2m）。大壩最大壩高95.5m，壩頂長度346.10m，壩頂寬度10m，左壩頭與溢洪道交通橋連接，右壩頭與環庫公路連接。壩頂路面為混凝土結構，厚0.26m，下設0.32m厚水泥碎石穩定基層和0.18m厚碎石墊層。下水庫混凝土面板堆石壩典型剖面圖如圖1所示。

圖1 下水庫混凝土面板堆石壩標準剖面圖Figure 1 Standard profile of concrete face rockfill dam of reservoir

2.2 計算方法及參數

根據實際情況和特點，建立下水庫面板堆石壩壩體和壩基的三維有限元模型。混凝土（防浪墻、面板等）和基巖按線性材料考慮，采用線彈性模型（參數見表1）；壩體材料（墊層、過渡層、主堆石區、下游堆石區等）、地基覆蓋層及壩后回填料區按非線性材料考慮，均采用鄧肯-張E-B模型（參數見表2）；本構模型及參數選用河海大學的試驗成果[6]。面板與防浪墻之間（周邊縫）接縫采用接縫模型。

表1 材料線性本構關系的計算參數Table 1 Calculating parameters of linear constitutive relation of materials

表2 壩體填筑材料三維有限元靜力計算參數（鄧肯-張E-B模型）Table 2 Three-dimensional finite element static calculation parameters of dam filling materials（Duncan-Chang E-B model）

其中：ρ為干密度，φо為初始內摩擦角，Δφ為圍壓增加一個對數周期下摩擦角的減小值，K、n、Kb、m為實驗參數，Rf為破壞比。

動力分析采用國內外廣泛使用的等價非線性粘彈性模型。根據設計提供的試驗參數，選取壩料的動力特性參數如表3所示，其他所缺土料參數則根據土料靜力特性相近的原則參照類似土料選取[7]。

表3 下水庫壩料動力有限元計算參數（沈珠江模型）Table 3 Dynamic finite element calculation parameters of reservoir dam materials（Shenzhujiang model）

其中：λmax為最大阻尼比，νd為泊松比，K1、K2、n、C1、C2、C3、C4、C5均為實驗參數。

2.3 模型

計算模型的邊界范圍如下：

（1） 垂直方向地基取至高程66m；

（2） 上、下游邊界自河床最大斷面處上、下游坡腳分別向上、下游各延伸200m；

（3） 兩岸邊界取至壩端向外延伸150m；

（4） 壩體和壩基材料分區依據設計提供的資料，包括斷面、地質剖面等。

建模時，不計開挖回彈和覆蓋層清除所帶來的影響，忽略基巖局部凹凸，壩體下游坡取平均坡比。面板、墊層、堆石體等其他分區按設計尺寸模擬。根據面板的寬度和壩體分層填筑分級加載的需要切取斷面，壩基和兩岸壩肩巖體采用超單元自動剖分或人工剖分，形成有限元網格。離散后，計算模型結點總數86148個，單元總數84290個。計算模型有限元網格如圖2所示，典型斷面壩的有限元網格如圖3所示。

圖2 計算模型有限元網格Figure 2 Finite element mesh of computational model

圖3 典型斷面有限元網格Figure 3 Finite element mesh of typical section

計算按照施工順序，結合壩體單元剖分情況，確定荷載分級，從而模擬大壩填筑、面板澆筑及蓄水運行過程。整個壩體施工（包括地基覆蓋層）和蓄水過程分為27級，每一荷載級均一次性加載，采用中點增量法，以便較好地模擬加載過程。

3 靜力計算成果分析

位移正負號規定為：順溝谷向水平位移以指向下游為正，壩軸線向水平位移以指向左岸為正，垂直位移以向上為正，單位為mm。應力正負號規定為：壓應力為正，拉應力為負，單位為kPa。

竣工期，壩體典型斷面位移分布如圖4所示。該工況下壩體整體向下游移動，典型斷面上，順溝谷向指向下游的最大水平位移為206.0mm，位于壩體下游側次堆石區底部附近區域。壩軸線向壩體位移最大值為56.6mm，發生在距壩軸線下游約13m、高程266m附近。壩體最大垂直位移（沉降）為-358.6mm，占最大壩高0.37%，發生在壩軸線下游26m、1/2壩高附近。

圖4 竣工期典型斷面位移分布（單位：mm）Figure 4 Displacement distribution of typical section in completion period（Unit：mm）

運行期工況中，在水壓力作用下，壩體的水平位移整體傾向下游；蓄水過程中，壩體位移隨蓄水水位的增高而逐漸增加。運行期正常蓄水位下，壩體典型斷面位移分布如圖5所示。壩體順溝谷向指向下游的最大水平位移為239.0mm；壩體壩軸線向位移最大為54.2mm；壩體的最大垂直位移（沉降）為-360.3mm，占最大壩高0.38%，仍發生在壩軸線下游26m、1/2壩高附近。

4 動力計算成果分析

計算工況選取庫水位為正常蓄水位時，對100年超越概率2%的地震作用設計工況進行計算，輸入地震波的基巖水平向地震動峰值加速度為226gal。

圖5 正常蓄水位典型斷面位移分布（單位：mm）Figure 5 Displacement distribution of typical section of normal storage water level（Unit：mm）

圖6 典型斷面最大絕對加速度反應分布（單位：m·s-2）Figure 6 Distribution of maximum absolute acceleration response in typical section（Unit：m·s-2）

圖7 典型斷面最大位移反應分布（單位：mm）Figure 7 Distribution of maximum displacement response of typical section（Unit：mm）

4.1 加速度反應

壩體典型斷面的最大絕對加速度分布如圖6所示，包括順溝谷向、壩軸線向和垂直向最大絕對加速度分布。壩體加速度反應在三個方向均較為強烈，且在溝谷最深部位的壩頂附近最大。典型斷面上，堆石體順溝谷向的最大絕對加速度最大值為8.0m/s2，加速度放大倍數3.62，發生在壩頂下游附近；壩軸線向的最大絕對加速度最大值為6.4m/s2，加速度放大倍數2.89，發生在壩頂下游附近；壩體垂直向的最大絕對加速度最大值為3.8m/s2，加速度放大倍數2.52，發生在壩頂下游附近。

4.2 位移反應

壩體典型斷面的最大位移反應分布如圖7所示，包括順溝谷向、壩軸線向和垂直向最大位移反應分布。堆石體的順溝谷向位移反應的最大值為114.7mm，發生在壩頂下游附近；壩軸線向位移反應的最大值為60.6mm，發生在壩頂附近；垂直向位移反應的最大值為25.2mm，發生在壩頂下游附近。從堆石體斷面的最大位移反應分布來看，其位移反應不大，其中垂直向的位移反應最小，順溝谷向的位移反應最大。

4.3 應力反應

壩體典型斷面的最大主應力反應分布如圖8所示，包括最大第一主應力反應、第三主應力反應和剪應力分布。總體來說堆石體應力反應較小，典型斷面上的最大第一主應力反應為370.9kPa，最大第三主應力反應為112.6kPa，最大剪應力反應為301.6kPa。

圖8 壩體典型斷面應力反應分布（單位：kPa）Figure 8 Stress response distribution of typical section of dam body（Unit：kPa）

4.4 永久變形

壩體典型斷面的地震永久變形分布如圖9所示，包括順溝谷向和垂直向變形。地震后，壩體的最大永久水平位移順溝谷向為向下游92.2mm，最大永久垂直位移即沉降為196.54mm。按最大壩高95.5m計算，壩體地震永久沉降約為壩高的0.2%。

圖9 壩體典型斷面地震永久變形分布（單位：mm）Figure 9 Distribution of seismic permanent deformation of typical section of dam body（Unit：mm）

5 結論與建議

（1）建立了廈門抽水蓄能電站下水庫混凝土面板堆石壩的有限元模型，從三維有限元靜力分析結果看，下水庫堆石壩未發現有特殊不利的性態，壩體的位移分布規律性較好，符合一般規律，設計方案在技術上是合理的。

（2）在地震作用下，壩體加速度反應在順溝谷向、壩軸線向（橫河向）和垂直向均較為強烈，且在溝谷最深部位的壩頂附近最大。從壩體典型斷面絕對加速度分布來看，壩體下游坡的加速度反應大于上游坡。從典型斷面的最大位移反應分布來看，其位移反應不大，其中垂直向的位移反應最小，順溝谷向的位移反應最大。地震期間，堆石體應力反應較小。壩體各單元不會產生動力剪切破壞。從典型斷面的永久變形來看，地震永久沉降不大，為壩高的0.2%。

（3）溝谷最深處附近壩頂及壩頂下游坡區域的加速度反應比較大。在強震作用下，上述區域堆石存在松動的可能性。由于壩頂有防浪墻，下游有壩后任意料區等加固措施，因此，發生嚴重地震破壞的可能性很小，壩體下游坡不會出現滑動破壞的情況，可以不采取其他抗震措施[8]。該設計方案是合理的，符合抗震要求。