鄧良軍，李雙寶，吳余生

（中國(guó)水電顧問集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650051）

1 工程簡(jiǎn)介

金安橋水電站位于云南省麗江地區(qū)，是金沙江中游河段規(guī)劃的 “一庫(kù)八級(jí)”中的第五級(jí)水電站，也是金沙江中游率先開發(fā)的水電站。樞紐建筑物主要由碾壓混凝土重力壩、右岸溢洪道、右岸泄洪沖沙底孔、左岸沖沙底孔、壩后廠房及進(jìn)廠交通洞等組成。碾壓混凝土重力壩最大壩高160 m，下游壩坡1∶0.75，上游面1 330 m高程以下按 1∶0.3貼坡。電站總裝機(jī)規(guī)模4×600 MW，單獨(dú)運(yùn)行時(shí)保證出力473.7 MW，年發(fā)電量110.43億kW·h。

2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)

金安橋水電站位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)西部邊緣的麗江臺(tái)緣褶皺帶內(nèi)，地處青藏高原東南側(cè)滇西北新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈活動(dòng)部位，樞紐區(qū)巖層呈單斜構(gòu)造。這一地區(qū)工程地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜，河谷深切，岸坡陡竣，地表動(dòng)力地質(zhì)作用強(qiáng)烈。根據(jù)國(guó)家地震局地質(zhì)研究所對(duì)場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)成果，樞紐地震基本烈度達(dá)Ⅷ度，大壩地震設(shè)防烈度高達(dá)9度。50年超越概率5%和100年超越概率2%的基巖場(chǎng)地設(shè)計(jì)水平動(dòng)加速度峰值分別為0.246 g和0.399 g。

近年來碾壓混凝土重力壩在國(guó)內(nèi)發(fā)展很快，但是在如此強(qiáng)地震地區(qū)修筑高碾壓混凝土重力壩在國(guó)內(nèi)尚屬首次。高碾壓混凝土重力壩的抗震設(shè)計(jì)是金安橋水電站設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的技術(shù)問題，必須對(duì)其抗震安全性評(píng)價(jià)和抗震措施進(jìn)行專題研究，以保證大壩抗震安全評(píng)價(jià)可靠，抗震措施經(jīng)濟(jì)合理。

3 碾壓混凝土重力壩抗震分析研究

昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院和各協(xié)作單位采用有限元數(shù)值分析和模型試驗(yàn)研究等方法，對(duì)金安橋水電站碾壓混凝土大壩從單個(gè)壩段、關(guān)鍵壩段群、整體大壩等3個(gè)層次進(jìn)行了深入分析，對(duì)壩體的強(qiáng)度和抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行了復(fù)核，并對(duì)大壩遇超設(shè)計(jì)地震條件的破壞模式和極限抗震能力進(jìn)行了分析研究。

3.1 平面有限元分析

3.1.1 壩體動(dòng)力放大系數(shù)

典型壩段水平加速度和豎向加速度動(dòng)力放大系數(shù)沿高程分布見圖1。分析結(jié)果表明，各壩段動(dòng)力加速度沿壩高逐步放大，5號(hào)岸坡壩段和8號(hào)河中廠房壩段壩頂水平向動(dòng)力放大系數(shù)分別為3.42和3.85，壩頂豎向動(dòng)力放大系數(shù)分別為2.40和2.65。

圖1 典型壩段水平和豎向加速度動(dòng)力放大系數(shù)沿高程分布

3.1.2 位移分析

設(shè)計(jì)地震工況下靜載與譜分析疊加后順河向水平位移分布見圖2。

圖2 靜載+設(shè)計(jì)地震譜分析水平位移分布 (單位：cm)

靜力作用下，壩體水平向位移等值線基本沿水平向呈層狀分布，在壩頂達(dá)到最大值，5號(hào)和8號(hào)壩段的壩頂順河向水平位移分別為2.53 cm和2.43 cm。靜力作用與設(shè)計(jì)地震作用疊加后，水平向位移仍基本呈水平層狀分布，位移值隨壩高的增加而增加，位移的數(shù)值明顯增大，5號(hào)和8號(hào)壩段壩頂正向位移最大值分別為6.30 cm和7.01 cm。

3.1.3 應(yīng)力分析

設(shè)計(jì)地震工況下靜載+譜分析疊加后壩體主拉應(yīng)力分布見圖3。地震荷載作用下壩踵、壩體上下游折坡點(diǎn)等部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，拉應(yīng)力的數(shù)值較大。其余部位應(yīng)力分布較均勻。

圖3 靜載+設(shè)計(jì)地震譜分析壩體主拉應(yīng)力分布 （單位：MPa）

設(shè)計(jì)地震作用主要在壩體上下游表面產(chǎn)生較大的動(dòng)力響應(yīng)，上游直坡面的拉應(yīng)力一般為2.0～2.80 MPa，下游坡面拉應(yīng)力數(shù)值也超過2.0 MPa，從應(yīng)力分布圖上可以看出，應(yīng)力等值線近似平行于上下游壩面。壩體上下游表面的拉應(yīng)力較大，而壩體內(nèi)部的應(yīng)力數(shù)值較小，因此，采取在壩體表面配置抗震鋼筋等措施來改善壩體的抗震性能是合理的。

3.2 整體有限元分析

為研究大壩整體的動(dòng)力特性，進(jìn)行了大壩整體的三維動(dòng)力有限元分析，其模型見圖4。

圖4 大壩整體三維模型

8號(hào)壩段在不同荷載作用下的壩體應(yīng)力、位移三維整體線彈性計(jì)算與二維模型計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 8號(hào)壩段壩體應(yīng)力、位移最大值計(jì)算結(jié)果

將整個(gè)大壩作為一個(gè)整體，因而產(chǎn)生了 “拱效應(yīng)”。在 “拱效應(yīng)”的影響下，各典型斷面的應(yīng)力、位移與二維模型相比都顯著變小。靜荷載作用下整體位于中間壩段的部分上游面產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力，與壩踵處的拉應(yīng)力相抵消，而位于相對(duì)靠近壩肩部位的斷面則影響較小。

3.3 模型試驗(yàn)研究

對(duì)金安橋大壩各典型壩段進(jìn)行動(dòng)力破壞模型試驗(yàn)研究，以確定大壩在強(qiáng)震作用下裂縫的形成過程以及相應(yīng)的地震動(dòng)輸入加速度，并記錄、分析大壩的破壞過程。

3.3.1 壩體破壞模式

試驗(yàn)表明，隨著輸入加速度的增加，各典型壩段開始出現(xiàn)裂縫，起裂位置均發(fā)生在壩頭部位?；玖芽p走勢(shì)有兩種：一種是先在壩頭下游面出現(xiàn)裂縫，然后向上游面發(fā)展直至貫穿壩頭；另一種是壩頭上下游裂縫同時(shí)發(fā)展直至貫穿。期間也間或伴有壩踵、壩趾等處裂縫的發(fā)展，但起裂的主要控制部位在壩頭部位。

3.3.2 壩體極限抗震能力

試驗(yàn)顯示，各典型壩段輸入設(shè)計(jì)地震水平動(dòng)峰值加速度為0.399 g時(shí)，壩體沒有出現(xiàn)裂縫，表明大壩有一定的安全裕度。11號(hào)和8號(hào)壩段完全破壞失效時(shí)的輸入加速度數(shù)值均較大，分別為1.63 g和1.30 g。

4 大壩抗震措施

根據(jù)研究成果并經(jīng)國(guó)內(nèi)專家咨詢，金安橋大壩確定了以配置抗震鋼筋為主、其他措施為輔的抗震加固處理方案。

（1）配置抗震鋼筋?？拐痄摻畈荒茏柚沽芽p的發(fā)生，但在一定程度上可以起到減小裂縫寬度及限制裂縫發(fā)展的作用。配筋在提高大壩抵抗整體破壞的能力上具有一定作用，尤其在主震后遇有較強(qiáng)余震發(fā)生時(shí)，對(duì)提高大壩的整體抗震能力是有利的。依據(jù)數(shù)值分析和動(dòng)力模型試驗(yàn)，確定的大壩抗震鋼筋配置方案為：大壩上游面二級(jí)配碾壓混凝土防滲層需嚴(yán)格控制裂縫的發(fā)展，全壩面布置一排φ28 mm@200 mm的三級(jí)鋼筋；大壩的壩踵、上游起坡點(diǎn)、上下游壩頭等體形變化部位為壩體抗震薄弱環(huán)節(jié)，布置兩排φ28 mm@200 mm的三級(jí)鋼筋。

（2）固結(jié)灌漿孔設(shè)錨筋。為了提高壩體抗滑穩(wěn)定性，尤其是為保證壩體在地震工況下的整體穩(wěn)定性，改善壩基巖體受力條件，決定在4～16號(hào)壩段壩基固結(jié)灌漿孔內(nèi)插入錨筋。錨筋在固結(jié)灌漿結(jié)束封孔時(shí)插入，深入基巖6 m，深入壩體混凝土3 m。

（3）設(shè)置壩前防滲結(jié)構(gòu)。由于地震條件下上游壩面尤其是壩踵區(qū)會(huì)產(chǎn)生裂縫，影響大壩上游面的防滲設(shè)施，故在壩前設(shè)置了補(bǔ)充防滲結(jié)構(gòu)。壩前1 300.0 m高程以下沿壩面依次回填粘土、過渡料及石渣。

（4）優(yōu)化大壩體形。設(shè)計(jì)中對(duì)大壩體形進(jìn)行了優(yōu)化，盡可能減少體形突變，可能時(shí)在體形轉(zhuǎn)折處盡量采用圓弧連接等方式。此外，還優(yōu)化了壩體混凝土分區(qū)，合理提高局部應(yīng)力集中區(qū)的混凝土標(biāo)號(hào)，同時(shí)避免因分區(qū)變化而使壩體產(chǎn)生較大的剛度突變。

（5）減輕壩頂重力也是較為有效的抗震措施之一。金安橋大壩努力采用輕型結(jié)構(gòu)，優(yōu)化壩頂結(jié)構(gòu)，盡量減小壩體因交通而布置的懸挑結(jié)構(gòu)的尺寸。

（6）壩體分縫及止水措施。壩體橫縫采用切縫的方式成縫，每澆筑層的2/3深度切縫填無紡布，切縫具有誘導(dǎo)縫的性質(zhì)，滿足溫控要求的同時(shí)增強(qiáng)了大壩的整體性，提高了壩體的抗震性能。大壩橫縫設(shè)置有2道銅片止水，1道橡膠止水，銅片止水的極限拉伸值約為9 cm，有很強(qiáng)的變形適應(yīng)能力。

5 結(jié)論

通過對(duì)金安橋水電站碾壓混凝土重力壩進(jìn)行計(jì)算分析和模型試驗(yàn)研究，可以得到如下主要結(jié)論：

（1）地震作用主要在壩體上下游表面產(chǎn)生較大的動(dòng)力響應(yīng)，應(yīng)力等值線近似平行于上下游壩面。壩體上下游表面的拉應(yīng)力較大，而壩體內(nèi)部的應(yīng)力數(shù)值較小。

（2）主要典型壩段的基本體形可以滿足抗震規(guī)范要求，但壩體局部需進(jìn)行加固處理。

（3）模型試驗(yàn)表明，在設(shè)計(jì)地震幅值輸入下，只會(huì)在壩頭部位出現(xiàn)裂縫，但不會(huì)貫穿壩體，在設(shè)計(jì)地震加速度情況下，大壩滿足抗震要求。

（4）壩體主要抗震薄弱部位是壩踵、壩趾、上游折坡點(diǎn)和下游壩體中上部等，地震荷載作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中，是抗震加固的重點(diǎn)部位。經(jīng)局部采取抗震措施后，大壩整體是安全穩(wěn)定的。