林健勇，蘇 巖，周飛平，楊子強(qiáng)

（中國水電顧問集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院，北京 100024）

天花板水電站為三等中型工程，攔河壩及泄洪建筑物等主要建筑物為3級(jí)建筑物。其中，攔河壩為碾壓混凝土雙曲拱壩，最大壩高107.0 m，壩軸線長159.87 m，拱冠梁頂寬6.005 m，拱壩最大中心角 93.3°，拱冠梁底寬22.643 m，拱端最大厚度24.086 m，厚高比0.212。泄洪建筑物由相間布置的3個(gè)表孔、2個(gè)中孔組成，正對(duì)主河床，集中布置于壩體中部，壩后僅設(shè)混凝土短護(hù)坦。

工程區(qū)的地震基本烈度為Ⅷ度，電站設(shè)計(jì)烈度為7度，工程抗震設(shè)防類別為丙類。50年超越概率10%的地震動(dòng)參數(shù)為0.143 g，50年超越概率5%的地震動(dòng)參數(shù)為0.177 g。

1 抗震性能研究

1.1 研究方法

本電站攔河壩為100 m級(jí)高壩，壩身設(shè)有集中布置的泄洪排沙建筑物，體形結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。施工詳圖階段，根據(jù)攔河壩實(shí)際開挖及體形調(diào)整情況，再次進(jìn)行了防震抗震分析的專題研究工作。采用了如下兩種研究方法：

（1）拱梁分載法。可研階段采用拱壩體形優(yōu)化系統(tǒng)程序 （ADASO）進(jìn)行了五向調(diào)整的拱梁分載法壩體應(yīng)力分析計(jì)算和壩體體形優(yōu)化設(shè)計(jì)工作；施工詳圖階段根據(jù)壩基巖體質(zhì)量分類的變化情況及其拱壩體形的局部的調(diào)整，采用ADASO程序重新進(jìn)行了拱梁分載法的壩體應(yīng)力分析計(jì)算，并對(duì)設(shè)計(jì)地震工況時(shí)壩體應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了復(fù)核。

（2）有限元法壩體動(dòng)力分析。 ①對(duì)壩體進(jìn)行整體三維彈性有限元?jiǎng)恿Ψ治?，研究拱壩的?dòng)力特性。采用振型分解反應(yīng)譜理論計(jì)算方法進(jìn)行拱壩結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算，分析拱壩的動(dòng)位移和動(dòng)應(yīng)力。 ②基于非線性動(dòng)力分析軟件，考慮無限地基輻射阻尼的影響，邊界采用等效三維一致粘彈性邊界，按橫縫接觸算法及時(shí)程分析方法，對(duì)拱壩進(jìn)行三維非線性地震反應(yīng)分析，研究分縫拱壩在7度地震時(shí)的地震響應(yīng)。

1.2 計(jì)算工況

根據(jù)水電工程地震設(shè)防要遵循 “確保安全，留有裕度”的原則，天花板水電站拱壩在抗震復(fù)核時(shí)，按50年超越概率10%的地震動(dòng)參數(shù)做為設(shè)計(jì)地震。同時(shí)，研究了在遭遇超標(biāo)準(zhǔn)的地震情況下壩體的應(yīng)力狀態(tài)，按50年超越概率5%計(jì)。在有限元法壩體動(dòng)力分析時(shí)，分別對(duì)拱壩在正常蓄水位1 071.0 m和死水位1 050.0 m時(shí)，在場地譜地震波作用下的設(shè)計(jì)地震工況和校核地震工況的地震動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了分析，研究了地震工況對(duì)壩體的影響，對(duì)壩體應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了復(fù)核。

1.3 主要研究結(jié)論

（1）自振特性分析表明，正常蓄水位、設(shè)計(jì)死水位和空庫時(shí)，拱壩各階振動(dòng)周期均小于特征周期0.5 s，拱壩不會(huì)發(fā)生共振。

（2）反應(yīng)譜法地震反應(yīng)分析表明，在設(shè)計(jì)地震作用下，壩體順河向動(dòng)位移最大值出現(xiàn)在上游面3號(hào)表孔左側(cè)閘墩墻頂部。拱壩閘墩的橫向位移較大，尤其是斷面較單薄的上游面左側(cè)薄墩墻。拱壩最大動(dòng)主拉應(yīng)力出現(xiàn)在上游面1號(hào)表孔左側(cè)墩墻與壩面連接處。最大動(dòng)主壓應(yīng)力出現(xiàn)在下游面右岸側(cè)誘導(dǎo)縫下端部。拱壩除閘墩與壩體交接處和壩踵有較高應(yīng)力集中外，拱端的中上部拉應(yīng)力相對(duì)較大。在超標(biāo)準(zhǔn)的地震作用下，靜力成果與反應(yīng)譜法成果疊加后，作用效應(yīng)較設(shè)計(jì)地震增大。最大位移及最大動(dòng)主拉應(yīng)力分布部位與設(shè)計(jì)地震工況規(guī)律都很相近。

（3）時(shí)程分析法地震反應(yīng)分析表明，壩體正常蓄水位較死水位地震反應(yīng)大。對(duì)于有縫壩體模型，上游面壩體大部分拉應(yīng)力得以釋放，壩體拉應(yīng)力較無縫壩有所降低，拱座處中部高程仍有較高拉應(yīng)力區(qū)。不同水位時(shí)壩體在設(shè)計(jì)地震和超標(biāo)準(zhǔn)的地震作用下的應(yīng)力分布規(guī)律基本相近：壩體第一主應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在上游面右岸側(cè)誘導(dǎo)縫底端部；第三主應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在下游面右岸側(cè)誘導(dǎo)縫底端部。最大應(yīng)力出現(xiàn)部位均為明顯的應(yīng)力集中區(qū)。各工況下的頂拱和拱冠梁剖面順河向最大動(dòng)位移分布規(guī)律都很相近。頂拱順河向最大靜位移大于動(dòng)位移。正常蓄水位動(dòng)位移較死水位大，但橫縫的張開度比死水位小。壩體下游面橫縫開度均大于上游面，但橫縫張開度及張開范圍均不大。橫縫雖有一定開度，但持續(xù)時(shí)間很短，不會(huì)對(duì)橫縫止水材料造成破壞。

（4）拱壩除局部應(yīng)力集中需要設(shè)計(jì)加強(qiáng)外，壩體應(yīng)力均在混凝土容許應(yīng)力范圍內(nèi)。大壩總體強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性滿足水工建筑物抗震設(shè)計(jì)要求。

2 抗震措施

綜合抗震研究成果，結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范對(duì)抗震設(shè)計(jì)的要求，對(duì)大壩抗震的薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng)，增加其橫向剛度和整體性。

（1）本工程攔河壩為體形較薄的碾壓混凝土雙曲拱壩，表、中孔均采用了懸挑結(jié)構(gòu)。在滿足泄洪消能對(duì)體形要求的前提下，結(jié)構(gòu)布置時(shí)盡可能地減小拱壩壩體附屬結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和長度，以利于改善壩體應(yīng)力和結(jié)構(gòu)的安全。

（2）為減小地震作用時(shí)壩體中上部及接近壩基部分的拉應(yīng)力區(qū)，改善壩體應(yīng)力分布，拱壩體形設(shè)計(jì)時(shí)，壩體頂部拱冠部分體形為略傾向下游。

（3）動(dòng)力分析計(jì)算表明，表孔閘墩壩頂處上游側(cè)位移及應(yīng)力較大，在上游側(cè)表孔閘墩之間設(shè)置了橫向支撐聯(lián)系梁，增強(qiáng)了閘墩部分的橫向剛度和整體性。

（4）最大主拉應(yīng)力發(fā)生在1號(hào)表孔左閘墩與壩體連接處。為了提高1號(hào)表孔左側(cè)閘墩承受縱向力、橫向力的能力，提高其縱向強(qiáng)度和橫向強(qiáng)度，對(duì)1號(hào)表孔左側(cè)閘墩的配筋進(jìn)行了加強(qiáng)，設(shè)置了雙層鋼筋。

（5）拱壩閘墩與壩面的連接處有較大的應(yīng)力集中，地震時(shí)容易造成墩壩連接處局部開裂，在該部位均設(shè)置鋼筋網(wǎng)加強(qiáng)，即在外懸結(jié)構(gòu)與壩體上游面連接處雙向布置一層鋼筋網(wǎng)。

（6）設(shè)置誘導(dǎo)縫重復(fù)灌漿系統(tǒng)，確保壩體誘導(dǎo)縫處因地震導(dǎo)致開裂時(shí)可及時(shí)修復(fù)。

（7）集水井布置于2號(hào)表孔下游鼻坎正下方，上部與1、 2號(hào)中孔下游鼻坎共用，下部為 “∏”形結(jié)構(gòu)。懸臂結(jié)構(gòu)通過集水井下游側(cè)墻連成整體，起到了支撐的作用，增加了整體剛度，不僅增強(qiáng)了抗震能力，也有利于改善懸臂部分的局部應(yīng)力集中狀況。此外，集水井基本位于壩體中部，寬度和剛度較大，對(duì)改善壩體應(yīng)力也有一定作用。

（8）針對(duì)左壩肩f5斷層，采用2條平洞和1條豎井進(jìn)行混凝土置換處理方案。其他地基內(nèi)軟弱部位采用灌漿、局部錨固、支護(hù)等綜合支護(hù)措施進(jìn)行加固。

3 結(jié)語

通過抗震動(dòng)力分析研究，進(jìn)行壩體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全性和壩體、壩肩整體穩(wěn)定的復(fù)核計(jì)算。從建筑物自震特性、變形損傷、應(yīng)力狀況、整體穩(wěn)定性和破壞模式等方面，綜合評(píng)價(jià)建筑物結(jié)構(gòu)抗震特性和抗震安全性，分析判斷不同工況下抗震安全的薄弱部位和薄弱環(huán)節(jié)，并提出相應(yīng)的抗震措施。根據(jù)研究成果完善了壩體的結(jié)構(gòu)布置，加強(qiáng)了薄弱部位的剛度，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性。大壩總體強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性達(dá)到了抗震設(shè)計(jì)的要求。