西藏高地震區碾壓混凝土重力壩抗震研究

周廷清，吳世勇，朱瑞晨

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

西藏高原工程地區某水電站位于青藏高原拉薩地體南部邊緣，靠近YLZBJ縫合帶，區域內新構造運動強烈，工程區地震基本烈度達Ⅷ度。該電站總裝機容量660 MW，攔河大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高為117 m，壩頂長度385 m，共分17個壩段。根據《水工建筑物抗震設計規范》(DL5073-2000)及工程場地地震安全性評價成果，本工程場地地震基本烈度為Ⅷ度，大壩抗震設防類別為乙類，設計地震工水平地震動峰值加速度為179 gal(50年超越概率10%)，復核地震工水平地震動峰值加速度為236 gal(50年超越概率5%)。該電站工程規模較大，碾壓混凝土重力壩高較高，為確保工程安全，需對該水電站的抗震安全性進行分析研究，以保證大壩抗震安全評價的可靠。本文擬采用材料力學的懸臂梁法和三維限元法[1-4]對選取的9號溢流壩段、10號泄洪沖沙底孔壩段、11號廠引壩段、15號擋水壩段共4個典型壩段進行靜、動力反應分析，評價大壩抗震安全性。

1 基本資料

1.1 大壩體型幾何參數

4個典型壩段的主要幾何參數為：9號溢流壩段壩高117 m，壩頂寬度41.5 m，壩底最大寬度101 m；10號泄洪沖沙底孔壩段壩高117 m，壩頂寬度26.5 m，壩底最大寬度101 m；11號廠引壩段壩高111 m，壩頂寬度29 m，壩底最大寬度96.5 m；15號擋水壩段壩高81 m，壩頂寬度26 m，壩底最大寬度62.7 m，典型壩段剖面圖見圖1。

圖1 典型壩段剖面圖

1.2 計算參數

某水電站重力壩大體積混凝土共分3個區，分別為碾壓混凝土為C9015、碾壓混凝土C9020、態混凝土為C9020混凝土，結構混凝土采用C25、C40混凝土，混凝土材料的靜、動態物理力學參數見表1。根據地質勘探成果，9、10、11號典型壩段基礎位于Ⅲ1類基巖上，15號典型壩段基礎位于Ⅲ2類基巖上，相應的巖體物理力學參數見表2。

表1 混凝土材料參數

表2 典型壩段建基面巖體物理力學參數

1.3 地震作用

動力分析中采用振型分解反應譜，反應譜法計算中的反應譜為規范反應譜[4]，場地特征周期Tg=0.2 s，設計反應譜最大值的代表值βmax=2.0，設計地震基巖水平向地震動峰值加速度為179 gal，復核地震基巖水平向地震動峰值加速度為236 gal，豎向地震設計值取為水平向的2/3。大壩地基輻射阻尼影響分析時采用時程法，時程法分析中的地震波采用以規范反應譜為目標譜擬合的人工地震波，如圖2所示。

圖2 規范標準譜擬合的人工地震加速度時程

2 材料力學懸臂梁法及有限元法抗震安全分析及評價

通過對4個典型壩段的動力分析，得到某水電站大壩的自振頻率(見表3)，兩種方法計算的自振頻率比較結果，自振頻率最大的均為15號擋水壩段，為2.33 Hz(材料力學懸臂梁法)、2.99 Hz(有限元法)。

表3 各典型壩段自振頻率結果 Hz

在靜荷載作用下，材料力學懸臂梁法的分析結果顯示(見表4)，4個典型壩段的壩面基本無拉應力出現，壩體處于受壓狀態，大壩靜態基本荷載作用下的應力水平不高。而三維有限元分析結果顯示，壩段應力基本處于受壓狀態，壓應力水平不高；大壩壩踵附近壩面倒角部位有拉應力出現，但量值較?。挥捎谏嫌螇熙喔浇鼔蚊娌扇×嘶⌒蔚菇牵髩谓ɑ娲怪毕驊鶠閴簯?，故滿足拉應力范圍不超過壩基灌漿帷幕線，滿足規范要求[5]。

表4 各典型壩段靜態應力成果 MPa

在靜力荷載疊加動力作用下，材料力學懸臂梁法的分析結果顯示(見表5)，規范標準反應譜設計地震和復核地震作用兩種情況下，各典型壩段靜動綜合應力水平總體不高，設計地震下，上游面靜動綜合拉應力最大部位出現在11號廠引壩段，為1.26 MPa，復核地震下這一位置拉應力為2.12 MPa，下游面靜動綜合拉應力最大部位在11號廠引壩段，為1.40MPa，復核地震下這一位置拉應力為2.19 MPa，各典型壩段靜動綜合壩面壓應力最大值均小于5 MPa。各典型壩段進行抗震強度安全校核結果表明，設計地震作用下各典型壩段大壩混凝土的抗拉、抗壓強度安全均滿足現行抗震設計規范要求[6]，且有較大安全裕度；復核地震作用下各典型壩段大壩混凝土抗拉、抗壓強度基本可滿足要求，僅10號泄洪沖沙底孔壩段高程和15號擋水壩段高程下游面折坡處的最大主拉應力超過混凝土抗拉強度容許值，10號泄洪沖沙底孔壩段抗震強度安全校核結果見表6。地震作用下，對典型壩段沿建基面抗滑穩定安全進行校核(見表7)，校核結果表明建基面抗滑穩定安全性可以滿足規范要求[7]。

表5 各典型壩段靜動綜合應力成果，材料力學懸臂梁法 MPa

表6 10號泄洪沖砂底孔壩段壩體抗震強度校核結果，材料力學懸臂梁法 MPa

表7 各典型壩段建基面抗滑穩定校核結果，材料力學懸臂梁法 kN

三維有限元分析結果顯示(見表8)，較大拉應力發生在各典型壩段壩踵和下游面中上部的折坡位置，設計地震工況下，壩踵拉應力因局部的應力集中效應，各典型壩段最大拉應力基本發生在壩踵；各壩段下游面中上部高程的靜動綜合拉應力范圍較大，是影響重力壩抗震安全的一個關鍵部位；設計和復核地震作用下，各典型壩段建基面的垂直拉應力寬度均未超過壩基上游防滲灌漿帷幕線，滿足規范要求[8]。

表8 各典型壩段靜動綜合應力成果，三維有限元法 MPa

大壩極限抗震能力分析根據損傷理論[7-9]，將壩體材料按混凝土損傷塑性本構模型進行模擬，并假定地基材料仍為線彈性，外荷載與材料參數等不變，并且考慮地基地基輻射阻尼作用，通過不斷加大規范波設計地震作用的倍數，計算典型壩段的損傷發展情況，分析重力壩的地震超載能力，地震超載能力系數以損傷區范圍超過壩體上游防滲層和壩基防滲帷幕中心線為判斷標準。計算結果表明：9號溢流壩段在2.6倍地震時壩體中部損傷區發展到壩體厚度的一半左右已貫穿壩體上游防滲層；10號底孔壩段在2.5倍地震時壩體頭部損傷區發展到壩體厚度的一半左右，此時壩體上游防滲層已被貫穿。11號廠房壩段在2.8倍地震時壩基上游損傷帶寬度有限，未超過壩基灌漿帷幕線，但是壩體中部上游水平損傷帶已貫穿壩體上游防滲層。15號擋水壩段在3.3倍地震時壩體損傷自下游壩坡轉折處幾乎貫穿至上游面，壩基損傷帶已貫穿壩基帷幕線。綜合分析大壩極限抗震能力約為2.5倍設計地震，相應的基巖水平峰值加速度約為0.448g，而復核地震的基巖水平峰值加速度0.236g，故復核地震作用下能夠滿足“不潰壩”的安全要求，且有較大的安全裕度。從超載時損傷區擴張來看，壩段上下游變截面高程附近為相對薄弱部位。

大壩抗震計算分析時，地基一般是按照無質量截斷地基模型進行模擬，未能計及無限地基輻射阻尼的影響，這會使結構地震動響應比實際情況有所偏大[10-11]。假定壩體線彈性材料時，考慮無限地基輻射阻尼后，大壩的動力反應規律與無質量地基模型基本相同，但壩體的整體反應水平顯著降低，其中，高拉應力區范圍明顯縮小的同時，最大應力值降低了無質量地基情況下的13%～47%。假定壩體非線性材料分析時，在不考慮輻射阻尼情況下，在壩踵和壩段剖面轉折等應力集中處出現不同程度的損傷，10號泄洪沖沙底孔壩段和11號廠引壩段下游面折坡處(高程3 420 m)附近損傷范圍較大，考慮地基輻射阻尼后，由于拉應力大幅減小，損傷區域僅發生在上游壩踵處。

3 結 語

綜合上述，通過對某水電站碾壓混凝土重力壩典型壩段進行抗震計算分析，可以得到如下主要結論：

1)材料力學懸臂梁法抗震分析和安全評價結果表明，設計地震規范標準反應譜作用下，各典型壩段大壩混凝土的抗壓、抗拉強度安全均能滿足現行抗震設計規范要求，且有一定安全裕度。復核地震規范標準反應譜作用下，各壩段大壩混凝土抗拉、抗壓強度基本滿足要求，底孔壩段和擋水壩段下游壩面高程折坡處出現高拉應力區，部分超過混凝土抗拉強度，可采用局部設置抗震鋼筋的方式增強抗震性能。

2)三維有限元法分析結果表明，大壩總體反應及自振特性等成果與懸臂梁法基本吻合，但三維有限元方法揭示了在壩段內某些懸臂梁法無法考慮的局部角緣、孔口等薄弱部位存在一些拉應力集中區。設計和復核地震作用下，各典型壩段建基面的垂直拉應力寬度均未超過壩基上游防滲灌漿帷幕線，滿足規范要求。

3)大壩地基輻射阻尼影響分析結果表明，以非線性損傷模型模擬壩體混凝土材料，考慮無限地基輻射阻尼實際情況，在設計地震作用下，各典型壩段主要在壩踵部位出現局部損傷，基本僅限于壩踵表層單元，各典型壩段下游壩頭折坡部位未發生損傷，故設計地震作用下大壩的整體安全性是有保證的。

4)大壩極限抗震能力約為2.5倍設計地震，相應的基巖水平峰值加速度約為0.448g，而復核地震的基巖水平峰值加速度0.236g，故復核地震作用下能夠滿足“不潰壩”的安全要求。