軟巖填筑瀝青混凝土心墻堆石壩抗震設(shè)計與安全評價

孔凡輝 萬云輝 張超 吳超

摘要：巴基斯坦卡洛特水電站瀝青混凝土心墻堆石壩最大壩高95.5 m，工程場地地震基本烈度為Ⅷ度，為目前世界上高地震區(qū)在建的最高全斷面軟巖填筑堆石壩。采用三維有限元靜動力法分析了卡洛特瀝青混凝土心墻堆石壩壩體和心墻的應(yīng)力分布、變形情況、位移分布，對大壩抗震設(shè)計進(jìn)行了安全復(fù)核和評價，并提出了相應(yīng)的抗震措施。計算結(jié)果表明：大壩壩體應(yīng)力、變形和位移符合一般土石壩的規(guī)律; 心墻應(yīng)力水平低，順河向位移小，整體受力狀態(tài)良好，不會發(fā)生撓曲和剪切破壞。壩體分區(qū)填筑設(shè)計和抗震措施是合理的，大壩整體是安全的。抗震設(shè)計和安全評價可為類似高地震區(qū)瀝青混凝土心墻堆石壩設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：堆石壩; 高地震區(qū); 軟巖; 抗震設(shè)計; 安全評價; 卡洛特水電站; 巴基斯坦

中圖法分類號：TV641.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.04.013

文章編號：1006 - 0081（2022）04 - 0079 - 05

0 引 言

巴基斯坦卡洛特水電站位于首都伊斯蘭堡東北部卡洛特村，是吉拉姆河流域5座規(guī)劃的裝機(jī)容量超過50萬kW的水電站的第4級。卡洛特水電站大壩采用瀝青混凝土心墻堆石壩，最大壩高95.5 m。根據(jù)區(qū)域地震調(diào)查分析成果，壩址區(qū)設(shè)計地震水平峰值加速度為0.26 g（50 a超越概率為10%），對應(yīng)中國規(guī)范抗震設(shè)計基本烈度為Ⅷ度。卡洛特水電站大壩壩體堆石料填筑主要采用溢洪道、電站引水隧洞等部位開挖的砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，巖體單軸飽和抗壓強(qiáng)度普遍在8～25 MPa，巖石強(qiáng)度低，屬典型軟巖、較軟巖。

卡洛特水電站瀝青混凝土心墻堆石壩是目前高地震區(qū)在建的最高全斷面軟巖填筑心墻堆石壩。隨著壩工技術(shù)的進(jìn)步，軟巖填筑堆石壩越來越常見，軟巖堆石體大部分是放在壩軸線下游壩體、次堆石區(qū)等非重要區(qū)域[1-2]，在高地震區(qū)全斷面采用軟巖填筑土石壩的先例幾乎沒有，缺少可以借鑒的成熟工程經(jīng)驗。本文介紹了卡洛特瀝青混凝土心墻壩的設(shè)計，并采用三維有限元分析方法，綜合評價了大壩的靜、動力安全性，結(jié)合分析成果，對高地震區(qū)全斷面軟巖填筑心墻堆石壩進(jìn)行了抗震設(shè)計，提出了相應(yīng)的抗震措施。

1 大壩設(shè)計

大壩設(shè)計壩頂高程469.50 m，相應(yīng)的壩軸線長度為460 m，壩頂處最大寬度12 m，相應(yīng)最大壩高95.5 m。卡洛特瀝青混凝土心墻堆石壩主要由瀝青混凝土心墻、底部混凝土基座、過渡層、排水層、堆石Ⅰ區(qū)、堆石Ⅱ區(qū)、堆石Ⅲ區(qū)、排水體和上、下游塊石護(hù)坡等組成，如圖1所示。大壩從瀝青混凝土心墻往上、下游的壩殼料均滿足水力過渡的要求。壩頂上游設(shè)置有與瀝青混凝土心墻結(jié)合型式的防浪墻，防滲墻與瀝青混凝土心墻組成防滲系統(tǒng)。瀝青混凝土心墻上游側(cè)設(shè)置兩層過渡層，下游側(cè)設(shè)置一層過渡層和一層豎向排水層（兼做過渡層的作用），使瀝青混凝土心墻與堆石料之間的變形相互適應(yīng)，同時對瀝青混凝土心墻起支撐作用。考慮到機(jī)械化施工的需要，確定心墻上游過渡層Ⅰ和過渡層Ⅱ水平寬度分為1.5 m和2.0 m，下游過渡層Ⅰ和豎向排水層水平寬度分為1.5 m和3.5 m，均采用等寬布置[3-5]。

2 抗震設(shè)計和抗震措施

結(jié)合三維有限元靜動力分析成果和類似高地震區(qū)心墻堆石壩抗震設(shè)計工程經(jīng)驗，提出了提高壩體抗震性能的設(shè)計和抗震措施，主要包括以下幾個方面。

（1） 壩頂預(yù)留足夠的超高。瀝青混凝土心墻壩心墻頂部至水庫正常蓄水位有7.7 m高差，壩頂防浪墻頂至水庫正常蓄水位有8.9 m高差，設(shè)計地震涌浪高度按1.5 m考慮，有限元靜動力計算確定的大壩地震永久沉陷為40.8 cm，預(yù)留足夠的壩頂超高以應(yīng)對發(fā)生地震時的壩頂沉陷和可能的涌浪。

（2） 設(shè)計相對較緩的壩坡和足夠的壩頂寬度。參照紫坪鋪水庫、吉林臺水庫[6]等強(qiáng)震區(qū)已建和在建工程經(jīng)驗，特別是汶川地震以來總結(jié)的工程經(jīng)驗，結(jié)合壩坡穩(wěn)定計算成果，確定卡洛特大壩壩頂寬度為12 m，上游壩坡采用上陡下緩的形式，坡比從1∶2.25變化至1∶2.85。下游壩坡上緩下陡，設(shè)計坡比在1∶2.25～1∶2.00之間變化。確保大壩在各種工況下壩坡的穩(wěn)定性能優(yōu)良。

（3） 加強(qiáng)上下游壩面保護(hù)。結(jié)合有限元分析成果，大壩下游壩坡在設(shè)計地震工況下，存在產(chǎn)生局部損傷破壞的可能。為此，在大壩下游高程449.5 m以上下游壩坡采用漿砌石護(hù)坡進(jìn)行保護(hù)，增加護(hù)坡的整體穩(wěn)定，確保大壩下游壩坡穩(wěn)定安全。

（4） 采用較高的填筑干密度。工程實踐表明：隨著干密度的增加，壩料的強(qiáng)度有所增加，壩體的沉降和變形隨著干密度的增大而減小，提高土石壩壩體填筑的設(shè)計干密度是目前高地震區(qū)土石壩采用的方法[7]。同時，較高的填筑干密度可降低瀝青心墻填筑碾壓過程中的拱效應(yīng)問題。

（5） 壩體頂部一定范圍內(nèi)設(shè)置土工格柵，提高整體抗震性能。根據(jù)類似工程經(jīng)驗[8-9]，采用壩體內(nèi)部鋪設(shè)施工方便、抗拉強(qiáng)度高、造價低、對堆石體填筑施工影響小的土工格柵，以提高大壩的抗震性能。

3 大壩抗震安全評價

卡洛特水電站壩址附近地震構(gòu)造活動較為頻繁，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性差，地震活動強(qiáng)烈。中國地震局地震研究所經(jīng)充分研究和論證后，確定工程場地區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度，50 a超越概率為10%的基巖水平峰值加速度為0.26 g。與國內(nèi)類似瀝青混凝土心墻堆石壩工程相比，工程設(shè)計地震烈度高，抗震設(shè)計是大壩設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。為科學(xué)保障大壩的抗震安全，設(shè)計過程中開展三維有限元靜動力分析，進(jìn)而對大壩抗震安全進(jìn)行評價。

3.1 計算模型

如圖2所示，計算模型中，X軸為順河向，以向下游為正，Y軸為橫河向，取向左岸為正;Z軸為豎直向，以向上為正。靜力分析中，大壩堆石體采用土力學(xué)中常用的E-B模型，瀝青混凝土心墻采用E-μ模型模擬。動力分析中，堆石體非線性特性采用等效線性黏-彈性模型進(jìn)行模擬。瀝青混凝土心墻與上下游過渡料以及混凝土基座之間的連接，采用摩爾庫倫接觸單元模擬。靜力計算中，考慮完工期和蓄水期兩個工況，并根據(jù)實際填筑過程模擬分層填筑與蓄水歷程，先進(jìn)行靜力計算，然后將靜力計算結(jié)果作為時程動力計算的初始條件進(jìn)行三維動力分析，根據(jù)實際填筑碾壓情況，逐級加載，考慮實際的蓄水過程[10]。

3.2 計算參數(shù)

大壩填筑料靜力計算參數(shù)根據(jù)室內(nèi)試驗成果取值，見表1。瀝青混凝土心墻與過渡料、混凝土基座參照類似工程接觸面試驗的成果，摩爾庫倫模型接觸面摩擦角取31°，相應(yīng)摩擦系數(shù)約為0.6。瀝青混凝土心墻底部C25混凝土基座、泥巖、砂巖均按線彈性材料考慮。堆石料中泥巖彈性模量取試驗獲得的彈性模量的平均值E=3 GPa，泊松比為0.3，密度為2.32 g/cm3;堆石料砂巖彈性模量取試驗獲得的彈性模量平均值E=5 GPa，泊松比為0.25，密度為2.32 g/cm3。大壩填筑料動力計算參數(shù)動模量和阻尼比參數(shù)分別采用室內(nèi)試驗取得的成果。

采用時程分析法對大壩進(jìn)行三維動力有限元分析。動力計算中，采用無質(zhì)量彈性地基模型模擬地基，采用規(guī)范推薦[11]的規(guī)范譜地震波、場地譜地震波（場地波）、印度Koyna地震實測波進(jìn)行地震波輸入的地震模擬分析。計算分析時，地震豎向加速度采用相應(yīng)水平向加速度的2/3模擬，地震動模擬持續(xù)時間20 s，每個荷載步時間間隔0.01 s。卡洛特水電站瀝青混凝土心墻堆石壩抗震設(shè)防類別為乙類，設(shè)計基巖峰值水平加速度0.26 g，對壅水建筑物大壩同時采用0.31 g進(jìn)行安全復(fù)核。

3.3 計算成果

三維靜力計算成果如表2和圖3～6所示，計算成果表明：蓄水后壩體的豎向位移最大值約為101 cm，約占最大壩高的1.06%，與一般土石壩工程沉降規(guī)律吻合，這表明壩體的分區(qū)和填筑設(shè)計是合理的。蓄水后瀝青混凝土心墻沿X軸正向（順河向）最大位移值14.8 cm，最大撓跨比約為0.15%，瀝青心墻不會發(fā)生撓曲破壞。瀝青心墻應(yīng)力水平最大值為0.63（表3），受力狀態(tài)良好，有限元分析時未發(fā)現(xiàn)剪切破壞單元。心墻應(yīng)力變形狀態(tài)較好，不會發(fā)生剪切破壞，各種工況下瀝青混凝土心墻均處于安全狀態(tài)。

結(jié)合靜力分析成果，開展三維有限元時程法動力分析，按計算輸入的3種地震波作用下大壩動位移最大值如表4所示。計算結(jié)果表明：不同地震波作用下計算的動位移均隨著壩體的高程增加而增加，在壩頂處最大。在規(guī)范譜地震波作用下，大壩順河向最大位移為7.6 cm，沿橫河向最大位移為5.8 cm，沿豎直向位移最大值為2.5 cm;在場地譜地震波作用下，大壩順河向最大位移為12.5 cm，沿橫河向最大位移為為9.3 cm，沿豎直向位移最大值為3.4 cm;在Koyna地震波作用下，大壩順河向最大位移為12.2 cm，沿橫河向最大位移為為9.4 cm，沿豎直向位移最大值為3.2 cm。

3種不同地震波作用下大壩不同位置應(yīng)力與該位置的靜應(yīng)力疊加后的計算成果見表5，地震波作用下的瀝青混凝土心墻最大拉應(yīng)力與靜應(yīng)力疊加后的拉應(yīng)力最大值分布如圖7所示。計算結(jié)果表明：規(guī)范譜地震波作用下，瀝青混凝土心墻堆石壩動力效應(yīng)最小，采用場地譜地震波和Koyna波模擬的結(jié)果基本接近。

上述計算結(jié)果表明：壩體地震動加速度作用的反應(yīng)和地震動位移最大值均出現(xiàn)在大壩壩頂，疊加有限元靜應(yīng)力和地震作用動拉應(yīng)力后，瀝青心墻在3個方向上均表現(xiàn)為受壓的狀態(tài)，僅在結(jié)構(gòu)形狀突變等小范圍表現(xiàn)出拉應(yīng)力，且最大拉應(yīng)力值約0.11 MPa，小于瀝青混凝土的抗拉強(qiáng)度，這表明瀝青混凝土心墻不會出現(xiàn)拉應(yīng)力破壞。大壩在地震作用下的壩體永久變形如表6所示，大壩在地震作用下的壩體永久變形情況如圖8所示。計算結(jié)果表明：大壩地震作用震陷位移根據(jù)高程增加而增大，在壩頂位置出現(xiàn)最大值。壩體主要發(fā)生向下游的順河向位移，其最大值發(fā)生在下游坡面約2/3壩高的位置。場地地震波作用下壩體最大震陷位移約為32.4 cm，順河向水平位移最大值約18.4 cm。大壩在各種地震工況下均是安全的。

4 結(jié) 語

卡洛特瀝青混凝土心墻堆石壩是目前高地震區(qū)設(shè)計建造的首座全斷面軟巖填筑瀝青混凝土心墻堆石壩。本文采用三維有限元分析方法對軟巖填筑心墻堆石壩地震作用下的變形、位移和應(yīng)力狀況進(jìn)行了系統(tǒng)研究。分析成果表明：蓄水期壩體的豎向位移最大值為101.0 cm，占壩高的1.06%;蓄水后，瀝青混凝土心墻沿順河向位移最大值約為14.8 cm，最大撓跨比約為0.15%，瀝青混凝土心墻應(yīng)力水平最大值為0.63，不會發(fā)生撓曲和剪切破壞，大壩的地震響應(yīng)符合一般土石壩工程的規(guī)律，在設(shè)計地震作用下，大壩是安全的。根據(jù)抗震計算分析成果，設(shè)計提出的適合高地震區(qū)軟巖填筑堆石壩的抗震設(shè)計和抗震措施，可為類似工程提供借鑒。

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（編輯：李 慧）

Seismic design and safety evaluation of soft rock filled asphalt concrete core rockfill dam： a case of Karot Hydropower Station in Pakistan

KONG Fanhui，WAN Yunhui，ZHANG Chao，WU Chao

（Changjiang Survey， Planning， Design and Research， Co. Ltd.，Wuhan 430071， China）

Abstract： The asphalt concrete core rockfill dam of Karot Hydropower Station in Pakistan is 95.5m-high， which is the highest rock rockfill dam with whole section of soft rock built in high seismic area， and the basic seismic intensity of the project site is grade VIII. Three-dimensional finite element method was used to analyze the stress， deformation， displacement of dam body and asphalt core wall and the safety review and evaluation of the dam seismic design were carried out， and the corresponding seismic measures were put forward. The calculation results showed that the stress， deformation and displacement of the dam complies with the general laws of earth-rock dam; the stress level of the core wall is low， the displacement along the river of the core wall is small， and the overall stress state is good， the deflection and shear failure will not occur. The zoning filling design and seismic measures are reasonable， and the dam is safe. The seismic design and safety evaluation can provide reference for the design of asphalt concrete core rockfill dam in similar high seismic areas.

Key words： rockfill dam; high seismic intensity area; soft rock; seismic design; safety evaluation; Karot Hydropower Station; Pakistan