丹江口水利樞紐右岸土石壩抗震安全復核研究

周 榮,梅潤雨,魏匡民

(1.南水北調(diào)中線水源有限責任公司,湖北 丹江口 442700; 2.長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司,湖北 武漢 430014; 3.南京水利科學研究院 巖土工程研究所,江蘇 南京 210024)

0 引 言

土石壩抗震安全歷來是工程建設與運行的關鍵問題,尤其是“5·12”汶川地震后,大壩抗震安全受到高度重視[1]。已有研究表明,土石壩震害類型主要包括地震導致的壩坡失穩(wěn)、地震永久變形及防滲系統(tǒng)損傷甚至破壞[2-4]。

丹江口水利樞紐為Ⅰ等工程,是開發(fā)治理漢江的關鍵工程,同時也是南水北調(diào)中線的水源工程,分兩期進行開發(fā)建設。初期工程于1958年9月動工,1973年建成。大壩加高工程是在初期工程的基礎上進行續(xù)建,工程于2005年9月26日開工,2013年完工,2014年汛后通水。丹江口大壩由河床及岸邊的混凝土壩和兩岸土石壩組成,屬于混合壩型。2017年秋汛期間,長江水利委員會組織開展了丹江口水庫164.0 m和167.0 m兩級水位蓄水試驗,庫水位首次超過初期工程壩頂高程。2021年10月10日首次蓄水至正常蓄水位170 m。從2013年完工至今,建筑物和機電設備工作狀態(tài)平穩(wěn),大壩總體工作性態(tài)正常[5-6]。

2015年,GB 18306-2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》[7]正式頒布,依據(jù)最新地震動參數(shù)區(qū)劃圖,國內(nèi)較多水利水電工程地震動參數(shù)均有較大調(diào)整,為了保障工程長期安全運行,需按最新地震動參數(shù)復核工程安全。在新版規(guī)范中,丹江口大壩所在區(qū)域地震地質(zhì)構(gòu)造背景、地震動參數(shù)區(qū)劃等發(fā)生了較大的變化與調(diào)整。經(jīng)復核發(fā)現(xiàn)丹江口大壩北側(cè)丹江口潛在震源區(qū)震級上限由5.5級提高至6.0級且范圍有所擴大,大壩西側(cè)十堰潛在震源區(qū)震級上限由5.5級提高至6.0級,復核峰值加速度較之前略有提高。

已有研究得出,土石壩和混凝土壩剛度存在明顯差別,剛度的不同將使各自壩段具有不同的振動特性,土石壩與混凝土壩連接部位產(chǎn)生裂縫較難避免[8-9],然而相關的研究較少。值得說明的是,丹江口右岸土石壩與混凝土壩連接,土石壩最大壩高60 m,在中國屬于前列,并無相關工程經(jīng)驗參考,抗震安全復核除了涉及壩體本身的壩坡穩(wěn)定和壩體變形問題,土石壩和混凝土壩接觸連接部位是大壩抗震薄弱部位,值得重點關注。

本文通過類比類似工程壩料動力試驗成果確定土石壩填筑料力學參數(shù),構(gòu)建右聯(lián)混凝土壩和右岸土石壩三維有限元精細化模型,考慮土石壩和混凝土壩復雜接觸狀態(tài),分析大壩在正常蓄水期遭遇地震工況下大壩的安全狀態(tài),重點分析壩坡穩(wěn)定性、防滲體心墻安全性以及兩岸土石壩與混凝土壩接頭部位的變形協(xié)調(diào)性。研究結(jié)論在為本工程安全運行評價提供技術支撐的同時,也可為其他同類工程提供借鑒。

1 工程概況

丹江口水利樞紐右岸土石壩為改線新建而成。右岸土石壩與混凝土壩右5、右6壩段下游面正交連接,為黏土心墻壩,壩頂軸線長877 m;右岸土石壩上游壩坡1∶2.25～1∶2.50,下游壩坡1∶2.00～1∶2.25,頂寬10 m,上設1.4 m高防浪墻,上游護坡采用現(xiàn)澆混凝土、下游護坡采用混凝土格柵和草皮組合護坡。坡腳在高程較低設排水堆石棱體,頂寬2 m;上、下游壩坡均設有3級寬為2 m的馬道。心墻頂高程176.10 m,頂寬13.25～3.00 m,上游側(cè)坡比為1∶0.20～1∶0.55,下游側(cè)坡比為1∶0.20～1∶0.67。右岸土石壩典型斷面見圖1。

圖1 右岸土石壩典型斷面圖(尺寸單位:cm)Fig.1 Typical section of earth-rock dam on the right bank

右岸土石壩壩頂高程176.6 m,大壩正常蓄水位170.00 m,設計洪水位172.20 m,校核洪水位174.35 m。

2 計算模型及參數(shù)

2.1 計算網(wǎng)格

在構(gòu)建土石壩有限元模型時,單元根據(jù)大壩填筑施工順序排序,實體單元一般采用8結(jié)點六面體等參實體單元,為適應邊界條件以及壩料分區(qū)的變化,部分區(qū)域采用了三棱體和四面體退化單元。有限元模型中,右岸土石壩單元數(shù)為99萬個,結(jié)點數(shù)為95萬個,有限元網(wǎng)格分布詳見圖2。

圖2 右岸土石壩三維有限元幾何模型Fig.2 Three dimensional finite element geometric model of earth-rock dam on the right bank

2.2 動力本構(gòu)模型

采用等價黏彈性模型[10],動力剪切模量G和阻尼比λ按下列兩式計算:

(1)

(2)

2.3 心墻抗剪安全系數(shù)

心墻抗剪安全性根據(jù)Mohr-Coulomb破壞準則計算[11],考慮地震動剪應力時,心墻抗剪安全系數(shù)可表達為

(3)

式中:(τd)eff為等效動剪應力;(τd)max為地震過程中單元動剪應力過程線的峰值。該公式中,當安全系數(shù)FS≥1時,單元未發(fā)生破壞;當安全系數(shù)FS<1時,單元發(fā)生剪切破壞。

2.4 計算參數(shù)

2.4.1筑壩料靜動力參數(shù)

土石壩心墻黏土料和壩殼砂礫石料的本構(gòu)模型參數(shù)計算采用鄧肯E-B模型[12-14],壩體反濾料計算參數(shù)根據(jù)工程類比確定。由于本工程未開展壩料動力試驗,動力計算參數(shù)根據(jù)工程類比確定,選擇壩料巖性與本工程接近的試驗成果作為基礎數(shù)據(jù)。根據(jù)本工程壩料特點、級配特征、設計填筑標準,以及相應靜力三軸試驗的結(jié)果,結(jié)合兩岔河心墻壩、將軍廟砂礫石壩和蘇洼龍瀝青混凝土心墻壩等工程壩料材料參數(shù)的靜動力試驗參數(shù)資料[15-16],類比給出本工程各分區(qū)的計算參數(shù)。得到的丹江口水庫右岸土石壩心墻料、壩殼料、反濾料計算參數(shù)見表1～2。

表1 丹江口土石壩筑壩材料鄧肯模型參數(shù)Tab.1 Duncan model parameters of dam materials for earth-rock dam of Danjiangkou Water Control Project

表2 丹江口土石壩筑壩材料動力參數(shù)Tab.2 Dynamic parameters of dam materials for earth-rock dam of Danjiangkou Water Control Project

壩料流變模型參數(shù)結(jié)合土石壩表面沉降數(shù)據(jù),選擇右岸土石壩壩頂部分測點(鄰近混凝土壩)沉降過程線與壩頂測點沉降縱向分布作為基本依據(jù)反演得出,并參考相似工程(苗尾心墻壩[2])的試驗結(jié)果,對反演結(jié)果進行修正。計算采用的流變模型參數(shù)見表3。

表3 丹江口右岸土石壩流變模型參數(shù)Tab.3 Rheological model parameters of right bank earth-rock dam of Danjiangkou Water Control Project

2.4.2接觸面參數(shù)

土體與混凝土材料之間采用殷宗澤薄層單元[17],計算參數(shù)同土石壩料靜動力參數(shù)。

2.4.3地震動輸入?yún)?shù)

根據(jù)GB 18306-2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》[7]和GB 51247-2018《水工建筑物抗震設計標準》[18],本次計算設計地震取100 a內(nèi)超越概率2%地震動,校核地震取100 a內(nèi)超越概率1%地震動。表4給出了壩址的50 a超越概率10%、5%、2%和100 a超越概率5%、2%、1%的水平向設計地震動加速度反應譜(阻尼比5%)參數(shù)。對應的100 a超越概率2%、1%加速度時程如圖3,4所示(各3組)。考慮到丹江口水利樞紐工程的重要性,本次計算地震動偏安全地采用三向地震動輸入,豎向地震動取水平向的2/3[19]。

表4 丹江口大壩設定地震動參數(shù)(阻尼比5%)Tab.4 Set ground motion parameters of Danjiangkou Dam (damping ratio 5%)

圖3 100 a超越概率2%加速度時程曲線Fig.3 Acceleration time course profiles with a 2% probability of exceedance in 100 years

圖4 100 a超越概率1%加速度時程曲線Fig.4 Acceleration time course curves for conditions with a 1% probability of exceedance in 100 years

3 抗震安全復核分析

3.1 大壩動力響應

表5給出了6種組合地震動輸入下的右岸土石壩動力反應。綜合來看,100 a超越概率2%情況下,組合4(X方向輸入時程2、Y方向輸入時程3、Z方向輸入時程1)較其他組合的大壩動力反應強烈,同理,100 a超越概率1%情況下,組合4較其他組合的大壩動力反應強烈,故本文選取地震動輸入?yún)?shù)組合4作為最不利工況進行抗震復核分析。

表5 場地譜100 a超越概率2%地震右岸壩體動力反應Tab.5 Dynamic response of the right bank dam for earthquakes with a 2% probability of site spectral exceedance in 100 years

3.1.1加速度響應

設計地震工況下,壩頂最大加速度反應分別為3.85 m/s2和2.72 m/s2,對應于輸入的水平基巖峰值加速度1.57 m/s2和豎向基巖峰值加速度1.05 m/s2,上下游向和豎向加速度最大放大倍數(shù)分別為2.45,2.60。從最大反應加速度分布(圖5)可以看到,土石壩壩頂?shù)摹氨奚摇毙黠@,符合土石壩地震響應的一般規(guī)律[20]。

圖5 設計地震工況右岸土石壩最大地震反應加速度放大倍數(shù)Fig.5 Amplification factor of maximum seismic response acceleration of right bank earth-rock dam under design seismic condition

校核地震工況下,壩頂最大加速度反應分別為4.47 m/s2和2.72 m/s2,上下游向和豎向加速度最大放大倍數(shù)分別為2.29,2.51。由此可見校核地震時的大壩動力反應加速度放大倍速稍小。

3.1.2動位移

設計地震工況下,壩體最大動位移分布如圖6所示,上下游向、垂直向動位移最大值分別為21.2 cm、19.8 cm。

圖6 設計地震工況右岸土石壩最大動位移分布(位移單位:cm)Fig.6 Maximum dynamic displacement distribution of earth-rock dam on the right bank under design earthquake condition

校核地震工況右岸土石壩壩體最大動位移分布與設計地震工況類似,上下游向、垂直向動位移最大值分別為35.1 cm、29.6 cm。

3.1.3地震永久變形

設計地震工況下,大壩上下游向、垂直向永久變形分布如圖7所示。心墻壩指向下游永久變形最大值為12.2 cm,壩體震陷最大值為16.4 cm。最大震陷約占壩高(最大壩高60 m)的0.27%,符合碾壓式土石壩設計規(guī)范相關規(guī)定[21]。

圖7 設計地震工況右岸土石壩永久變形分布(變形量單位:cm)Fig.7 Permanent deformation distribution of right bank earth-rock dam under design earthquake condition

校核地震工況右岸大壩上下游向、垂直向永久變形分布與設計地震工況類似。心墻壩指向下游永久變形最大值為21.5 cm,壩體震陷最大值為25.1 cm。永久變形有所增大。

對右岸土石壩壩體在設計標準和校核標準地震動作用下的動應力變形進行計算分析,壩體抗震復核結(jié)果見表6。

表6 壩體抗震復核結(jié)果Tab.6 Seismic review results of dam body

3.2 右岸土石壩與混凝土壩接觸變位

設計地震工況下,右岸土石壩與混凝土壩接頭部位的相對位移矢量見圖8,土石壩相對混凝土壩的位移在土石壩上游與混凝土壩右7壩、右8壩、右9壩、右10壩段接觸部位、高程162.3～176.6 m位置較大。地震引起的心墻相對混凝土壩的沉降為1.51 cm;順河向位移0.84 cm;左右岸向位移1.69 cm,張拉區(qū)最大深度為0.68 m。地震引起的壩殼料相對混凝土壩的沉降為3.8 cm;順河向位移1.1 cm;左右岸向位移3.1 cm,張拉區(qū)最大深度為1.22 m。

圖8 右岸土石壩與混凝土壩接觸部位相對位移矢量(設計地震工況)Fig.8 Relative displacement vector of the contact part between earth-rock dam and concrete dam on the right bank (Design seismic condition)

校核地震工況下,右岸土石壩與混凝土壩接頭部位的相對位移矢量見圖9。地震引起的心墻相對混凝土壩的沉降為1.96 cm;順河向位移1.07 cm;壩軸向位移2.71 cm,張拉區(qū)最大深度為0.76 m。地震引起的壩殼料相對混凝土壩的沉降為4.9 cm;順河向位移1.6 cm;壩軸向位移5.8 cm,張拉區(qū)最大深度為1.35 m。

圖9 右岸土石壩與混凝土壩接觸部位相對位移矢量(校核地震工況)Fig.9 Relative displacement vector of the contact part between earth-rock dam and concrete dam on the right bank (check seismic condition)

由此可見,地震情況下,壩頂接頭部位存在發(fā)生裂縫的可能性。從計算結(jié)果看,大壩心墻部位相對變位較小、張拉趨勢不明顯,且接頭部位設置了混凝土齒墻,接頭部位工作性態(tài)總體安全。

3.3 心墻抗剪安全性

圖10為設計地震及校核地震工況下右岸土石壩心墻0+43.0剖面抗剪安全系數(shù)分布,從圖中可以看出,心墻內(nèi)抗剪安全系數(shù)在1.5以上,心墻防滲體不會發(fā)生剪切破壞。

圖10 地震期0+43.0剖面心墻抗剪安全系數(shù)分布Fig.10 Distribution of shear safety factor of core wall section of 0+43.0 section during earthquake

3.4 壩坡抗震穩(wěn)定性

動力有限元法邊坡穩(wěn)定標準按GB 51247-2018《水工建筑物抗震設計標準》要求執(zhí)行[18]。對于設計地震工況,上游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)在2.6上下波動,最小安全系數(shù)為0.892(出現(xiàn)時刻3.44 s),壩坡安全系數(shù)有小于1的情況,持時極短(0.10 s),并且Newmark法計算出的累計滑動位移量為7.0 cm,遠低于0.6 m,壩坡穩(wěn)定,見圖11。下游壩坡安全系數(shù)均大于1.0,最小安全系數(shù)為1.111(出現(xiàn)時刻7.28 s),壩坡不會發(fā)生失穩(wěn)破壞。

圖11 設計地震工況右岸壩坡安全系數(shù)時程線Fig.11 Time course curves of safety factor of right bank dam slope under design earthquake condition

對于校核地震工況(圖12),上游壩坡穩(wěn)定的最小安全系數(shù)為0.786(出現(xiàn)時刻3.22 s),下游壩坡穩(wěn)定的最小安全系數(shù)為0.864(出現(xiàn)時刻6.54 s),壩坡安全系數(shù)有小于1的情況,持時極短,分別為0.38 s和0.18 s,且Newmark法計算出的累計滑動位移量分別為10.0 cm、7.3 cm,遠低于0.6 m,壩坡不會發(fā)生失穩(wěn)破壞。

圖12 校核地震工況右岸壩坡安全系數(shù)時程線Fig.12 Time course curves for checking safety factor of right bank dam slope under seismic condition

4 結(jié) 語

(1) 運行期遭遇設計地震情況下,右岸土石壩壩體上下游向及垂直向最大反應加速度放大倍數(shù)分別為2.45,2.60,壩體震陷最大值為16.4 cm,最大震陷約占壩高(最大壩高60 m)的0.27%。壩體地震動力響應規(guī)律正常,符合土石壩地震響應的一般規(guī)律。

(2) 運行期遭遇校核地震工況下,右岸土石壩壩體動力應力變形規(guī)律與設計地震工況計算結(jié)果大體相同,只是壩體反應加速度放大倍數(shù)有所減小,而動位移、地震永久變形等動力特征值都有所增大,但仍在正常范圍內(nèi)。

(3) 在地震荷載作用下,右岸土石壩的心墻動力抗剪安全系數(shù)均在1.0以上,防滲體心墻不會發(fā)生剪切破壞。

(4) 在正常蓄水期遭遇設計地震和校核地震情況下,右岸土石壩上下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

(5) 右岸土石壩與混凝土壩接頭部位的變形值得關注。接觸面在運行期已有部分相對變位,在遭遇地震的情況下,接觸面相對變位將進一步增加。根據(jù)計算結(jié)果,較大相對位移主要出現(xiàn)在壩殼料區(qū)域,心墻結(jié)合部位相對變位較小,且接頭處設有混凝土齒墻,接頭部位的工作性態(tài)總體安全。在工程運行過程中應加強變形監(jiān)測,一旦發(fā)生地震,應及時巡視檢查處理。