殷 亮，徐建軍，何明杰

(中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

1 研究背景

楊房溝水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內(nèi)的雅礱江中游河段上，是規(guī)劃中該河段一庫七級的第6級水電站。工程的開發(fā)任務(wù)主要為發(fā)電。水庫正常蓄水位2094m，水庫總庫容5.125億 m3，電站裝機(jī)容量 1500MW，多年平均發(fā)電量68.56億kW·h，保證出力523.3MW。楊房溝水電站為一等大 (1)型工程，樞紐主要由混凝土雙曲拱壩、壩后水墊塘及二道壩、左岸引水發(fā)電系統(tǒng)及地面開關(guān)站組成。

工程區(qū)位于川滇菱形塊體中北部，屬于間歇性整體隆升的區(qū)域。壩址區(qū)為高山峽谷地貌，基巖裸露。右岸地形坡度在50～70°左右，左岸地形坡度在45～60°左右。兩岸地形較完整，左岸地形相對較順直，右岸地形局部呈“凸”地形?？菟诮鎸?6～102m，正常蓄水位處谷寬226～288m，河谷寬高比為1.53～2.05。壩址區(qū)主要為燕山期花崗閃長巖侵入巖體，巖體堅硬，呈塊狀或次塊狀，巖體較完整～完整，適宜修建混凝土雙曲拱壩。

楊房溝拱壩最大壩高155m，壩頂高程2102m。水平拱圈中心線采用拋物線，拱壩主要特征參數(shù):拱冠梁頂厚9m，底厚32m，厚高比0.206，壩頂中心線弧長361.6m，弧高比2.33，最大中心角87.90°?？偹屏s220萬t，壩體柔度系數(shù)13.39。

為防止強(qiáng)震發(fā)生時引發(fā)的大壩嚴(yán)重破壞給下游梯級電站以及人民生命財產(chǎn)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的巨大威脅，必須確保楊房溝工程的抗震安全。

2 地震動參數(shù)及抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合楊房溝水電站工程規(guī)模，根據(jù)中國地震局批復(fù)的工程場地地震安全性評價成果及相關(guān)規(guī)范［1］，楊房溝拱壩設(shè)計地震以100a為基準(zhǔn)期，超越概率為2%確定設(shè)計概率水準(zhǔn)，相應(yīng)的地震水平加速度為302.4gal。校核地震以100a為基準(zhǔn)期，超越概率為1%確定設(shè)計概率水準(zhǔn)，相應(yīng)的地震水平加速度為378.4gal。

3 拱壩抗震分析方法和設(shè)計安全標(biāo)準(zhǔn)

考慮到楊房溝混凝土雙曲拱壩壩高較高，抗震設(shè)防水平也較高，因此拱壩抗震強(qiáng)度分析除按照現(xiàn)行抗震規(guī)范進(jìn)行計算分析外，還采用了計入壩體橫縫張開和無限地基輻射阻尼影響的非線性有限元波動分析方法。對于動水壓力的影響，有限元法采用流固耦合的有限元數(shù)學(xué)模型，而試載法則對修正的Westergaard公式折半取用。

計算分析中分別考慮正常蓄水位和死水位2種情況。壩體自重按分縫自重方式計入。動力荷載按設(shè)計地震和校核地震的地震動參數(shù)分別計入。設(shè)計反應(yīng)譜采用DL 5073—2000規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計反應(yīng)譜。地震波分別采用以規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計反應(yīng)譜為目標(biāo)譜擬合的人工地震波、Koyna(柯依那)波和Loma Prieta(洛馬普列塔)波進(jìn)行計算［2］。地震工況下壩體應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 地震工況拱壩計算應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)表

4 按現(xiàn)行抗震規(guī)范進(jìn)行的拱壩強(qiáng)度動力反應(yīng)分析［3］

4.1 壩體動力特性

針對水庫正常蓄水位和死水位2種情況，采用動力試載法和有限元法分別計算了大壩前8階自振特性。計算結(jié)果表明:①動力試載法與有限元法計算得到的2種壩前水位的大壩自振頻率吻合良好，相當(dāng)接近。兩者比較，基頻僅相差約1%;②大壩基本振型呈反對稱振型，反映了楊房溝拱壩高度大，壩體較薄的雙曲拱壩特點(diǎn);③兩種不同壩前水位相比，由于水位降低導(dǎo)致上游壩面水體附加質(zhì)量減小，發(fā)電死水位的自振頻率比正常蓄水位的自振頻率略有提高。由于2種水位差異不大，大壩自振頻率變化不大，基頻僅相差3%，而振型參與系數(shù)變化不大。

4.2 計算成果及分析

靜力條件下，拱梁分載法和有限元法分析成果表明:整個壩面應(yīng)力分布較均勻，左右岸基本對稱，應(yīng)力極值點(diǎn)多數(shù)出現(xiàn)在大壩與基礎(chǔ)的連接處，分布范圍較小。壩體上、下游面最大主拉、主壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。動力條件下，拱梁分載法和有限元法壩體靜動綜合主應(yīng)力最大值成果見表2。

表2 壩體靜動綜合主應(yīng)力最大值表MPa

按照現(xiàn)行抗震規(guī)范確定的設(shè)防依據(jù)、分析方法，可以得出以下結(jié)論:

(1)從最大徑向位移來看，壩體動態(tài)最大徑向位移在6～7cm，出現(xiàn)在壩頂拱冠附近。有限元法和試載法得出的數(shù)值及規(guī)律大致相同，有限元法的略小。死水位工況比正常蓄水位工況有所減小，降幅不超過3.0%;校核地震工況大于設(shè)計地震工況，增幅約22.4%。各計算工況下，壩體最大徑向位移相對較小，整個壩面位移變化較均勻、對稱，變形協(xié)調(diào)。

(2)從應(yīng)力分布來看，上游面拱向動應(yīng)力最大值出現(xiàn)在壩頂拱冠附近，下游面拱向動應(yīng)力最大值出現(xiàn)在壩頂拱冠或1/4拱圈附近，而梁向動應(yīng)力一般出現(xiàn)在中部高程拱冠附近，符合一般拱壩動態(tài)應(yīng)力分布規(guī)律。有限元法和試載法得出了比較接近的分布規(guī)律。壩體地震動力反應(yīng)死水位工況比正常蓄水位工況略有下降，降幅不超過3.0%。

(3)設(shè)計地震正常蓄水位工況下，試載法得到的靜動綜合上、下游面最大主拉應(yīng)力為5.18MPa和3.57MPa，最大主壓應(yīng)力為9.49MPa和8.05MPa;有限元法得出了與試載法大致相同的應(yīng)力分布規(guī)律，但在壩踵、壩趾區(qū)域出現(xiàn)范圍不大的高拉、壓應(yīng)力集中區(qū)域。死水位工況下，試載法得到的靜動綜合上、下游面主拉應(yīng)力略有增加，增幅不超過5.0%;主壓應(yīng)力略有減小，最大降幅約為6.0%;有限元法得出的降幅略大于試載法，上游壩踵處主拉應(yīng)力減小約13.0%，上游壩頂拱冠處主壓應(yīng)力減小約11.0%。

(4)校核地震作用下壩體動態(tài)位移、應(yīng)力以及靜動綜合應(yīng)力反應(yīng)均有所提高，壩體靜動綜合的拉應(yīng)力增幅大于壓應(yīng)力增幅?？傮w來看，地震作用下壩體上、下游面的抗拉強(qiáng)度均有部分區(qū)域不能滿足現(xiàn)行抗震規(guī)范要求，但壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

5 計入地基輻射阻尼和橫縫張開影響的大壩非線性動力反應(yīng)分析［3］

5.1 計算模型

根據(jù)壩址區(qū)地形地質(zhì)特點(diǎn)和各類基巖材料特性，整個分析系統(tǒng)全部由三維塊體單元離散，分析范圍順河向為520m，橫河向746m，豎向363m，節(jié)點(diǎn)總數(shù)18115，自由度總數(shù)45483。壩體—地基系統(tǒng)有限元網(wǎng)格模型和大壩橫縫布置及編號見圖1和圖2。

圖1 壩體—地基體系有限元網(wǎng)格模型圖

圖2 大壩橫縫布置及編號圖

5.2 計算成果及分析

圖3和圖4為正常蓄水位+溫降工況下，在有無輻射阻尼和有無橫縫情況下頂拱附近上、下游面動態(tài)拱、梁應(yīng)力的比較圖。ADAP為整體壩無輻射阻尼情況。

圖5為3種情況下橫縫張開度沿頂拱分布圖。

圖3 正常蓄水位+溫降工況頂拱附近動拱應(yīng)力比較圖

圖4 正常蓄水位+溫降工況拱冠梁附近動梁應(yīng)力比較圖

圖5 三種情況下橫縫張開度沿頂拱分布圖

表3為壩體靜動綜合主應(yīng)力最大值成果表。

表3 壩體靜動綜合主應(yīng)力最大值成果表

通過以LDDA模擬拱壩橫縫、以黏彈性邊界為吸能邊界的時域有限元計算成果，可以得出以下結(jié)論:

(1)考慮無限地基幅射阻尼的影響，使得大壩地震動力響應(yīng)顯著降低，動態(tài)拱梁應(yīng)力最大降幅約為40.0%～50.0%。

(2)壩體橫縫張開對大壩地震動力響應(yīng)影響顯著。橫縫張開度死水位工況大于正常蓄水位工況、且下游面一般略大于上游面。設(shè)計地震規(guī)范譜人工波作用下，最大張開度約為6mm，橫縫張開范圍上游面在2040m高程以上，下游面在2060m高程以上，總體來看，出現(xiàn)橫縫張開的范圍較小，地震作用下的橫縫開合不會破壞橫縫止水設(shè)施。

(3)橫縫張開使得拱向拉應(yīng)力與不計橫縫影響的整體壩的拱向最大動態(tài)拉應(yīng)力比較有明顯降低，同時也導(dǎo)致大壩梁向動態(tài)拉應(yīng)力有不同程度地增加，下游面增加更為顯著。受橫縫張開和無限地基輻射阻尼效應(yīng)的綜合影響，常規(guī)線彈性分析出現(xiàn)在壩體中上部高程大范圍的高拉應(yīng)力區(qū)消失。下游壩面最大主拉應(yīng)力為0.98MPa;上游面壩基交接面附近最大主拉應(yīng)力最大值為4.56MPa，但分布區(qū)域較小，沿壩高方向距建基面不超過15m。類比國內(nèi)高拱壩非線性反應(yīng)成果，楊房溝拱壩橫縫開度較小，壩面最大主應(yīng)力居中等水平，出現(xiàn)的部位與其它工程類似，均處于壩基交界范圍。

(4)設(shè)計地震規(guī)范譜人工波作用情況下，計入無限地基輻射阻尼的影響，不管是整體壩還是分縫壩，大壩靜動綜合最大壓應(yīng)力不超過12MPa，對大壩抗震安全不起控制作用。

(5)對分縫壩，設(shè)計地震柯依那地震波作用下，最大主拉、壓應(yīng)力均有減小，柯依那波作用工況不是控制工況;設(shè)計地震洛馬普利塔地震波作用下，最大主拉應(yīng)力稍有減小，最大主壓應(yīng)力略有增加。校核地震時，上、下游面最大主拉應(yīng)力較設(shè)計地震時分別增加0.71，0.54MPa;上、下游面最大主壓應(yīng)力較設(shè)計地震時分別增加8.3%和7.8%，增幅不大。

(6)總體來看，計入無限地基輻射阻尼影響后，除去壩踵局部區(qū)域外，壩體最大拉應(yīng)力為1.52MPa，未超過大壩混凝土的動態(tài)抗拉強(qiáng)度。楊房溝拱壩在地震作用下的抗震安全是可以保證的。

6 拱壩抗震工程措施

拱壩抗震措施要做到經(jīng)濟(jì)、安全、可靠，通過在地震動反應(yīng)大的部位采用強(qiáng)度等級高的混凝土、布置抗震鋼筋等綜合措施達(dá)到抗震設(shè)防目的，同時考慮到楊房溝水電站抗震標(biāo)準(zhǔn)較高，應(yīng)加強(qiáng)基礎(chǔ)處理及結(jié)構(gòu)構(gòu)造處理措施，拱壩抗震工程措施主要有:

(1)根據(jù)計算分析成果，在河床8#～11#壩段2023m高程以上和兩岸壩肩、壩基部位地震動力反應(yīng)較強(qiáng)的部位采用強(qiáng)度等級為C9030高強(qiáng)混凝土，進(jìn)一步提高拱壩抗震安全。

(2)楊房溝拱壩地震工況下大壩橫縫最大張開度為6 mm，且橫縫張開范圍較小，因此無需設(shè)置拱向抗震鋼筋。對拱壩壩基交接面附近可能出現(xiàn)相對較大的主拉應(yīng)力區(qū)，在該范圍上游壩面布置梁向抗震鋼筋，以提高壩體抗裂、限裂能力。根據(jù)計算分析成果，在8#～12#壩段上游面1980m高程以下布置單層φ32@30cm的梁向鋼筋;6#～7#、13#～14#壩段上游面1990m高程以下布置單層φ32@30cm梁向鋼筋。

(3)為提高兩岸壩頭的抗震能力，對左岸1#～5#、右岸14#～18#壩段及壩基坡角大于50°的壩段進(jìn)行壩基接觸灌漿處理。

(4)盡管分析所得大壩橫縫張開度較小，但仍需加強(qiáng)壩體分縫構(gòu)造設(shè)計，選擇更適應(yīng)抗震的鍵槽和止水設(shè)計形式。表孔采用混凝土連梁設(shè)計增強(qiáng)整體性，加強(qiáng)壩頂表孔交通橋等結(jié)構(gòu)的連接，大壩附屬建筑采用輕型且整體性好的結(jié)構(gòu)，閘墩和倒懸等重要部位加強(qiáng)鋼筋等工程抗震措施。

7 結(jié)語

采用現(xiàn)行抗震規(guī)范規(guī)定的基本分析方法及計入地基輻射阻尼和橫縫張開影響的大壩非線性有限元法，對大壩的抗震性能與抗震安全性進(jìn)行了計算分析。研究結(jié)果表明，楊房溝混凝土雙曲拱壩在設(shè)計地震和校核地震作用下，壩體應(yīng)力狀況較好，壩體橫縫張開度小于止水容許變形值，不會破壞橫縫止水設(shè)施，能夠滿足設(shè)計要求。研究成果已應(yīng)用于指導(dǎo)楊房溝高拱壩抗震設(shè)計，采取的針對性抗震工程措施能夠進(jìn)一步提高拱壩的整體性和抗震性。本工程所采用的抗震分析方法、有關(guān)規(guī)律和結(jié)論對其他類似高拱壩工程具有較好的借鑒意義。

［1］中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.DL/T 5346—2006混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國電力出版社，2006.

［2］中華人民共和國國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會.DL 5073—2000水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國電力出版社，2000.

［3］中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院.四川省雅礱江楊房溝水電站防震抗震設(shè)計研究報告［R］.杭州:中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院，2012.