劉 慧，許 雷，2

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州 311122)

1 概況

某碾壓式瀝青混凝土心墻壩位于新疆特克斯縣境內(nèi)，最大壩高91.1m，上游壩坡1∶2.25，下游壩坡1∶1.8，最大斷面處下游綜合坡度約為1∶2.142。壩體填筑分區(qū)從上游至下游分別為上游砂礫料區(qū)、上游過渡料區(qū)、瀝青混凝土心墻、下游過渡料區(qū)、下游砂礫料區(qū)、下游利用料區(qū)、下游排水棱體區(qū)。瀝青混凝土心墻的厚度由頂厚0.4m臺階式漸變至底厚0.8m。

根據(jù)2009年電站工程場地地震安全性評價(jià)報(bào)告，工程區(qū)場地50年超越概率10%的基巖動峰值加速度為0.17g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度，攔河壩抗震設(shè)防類別為乙類。2015年發(fā)布的新版GB 18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》對國內(nèi)部分地區(qū)的地震動參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，部分已經(jīng)投入運(yùn)行的水電站大壩的地震動參數(shù)比原設(shè)計(jì)取值要大[1- 2]，原設(shè)計(jì)計(jì)算成果已不能滿足大壩在定期檢查過程中對抗震安全性評價(jià)的要求。根據(jù)GB 18306—2015，該大壩工程區(qū)50年超越概率10%的基巖動峰值加速度為0.30g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅷ度，由于大壩為2級建筑物，抗震設(shè)防類別為乙類，在2019年大壩首次定期檢查過程中需采用水平地震動峰值加速度0.30g進(jìn)行大壩上、下游壩坡穩(wěn)定性復(fù)核計(jì)算，并結(jié)合壩頂高程復(fù)核成果和抗震安全性措施，綜合評價(jià)新規(guī)范要求下大壩抗震安全性。

2 壩體平面滲流計(jì)算分析

2.1 計(jì)算方法與參數(shù)

在進(jìn)行上下游壩坡穩(wěn)定性復(fù)核計(jì)算前，采用有限元法進(jìn)行壩體平面滲流計(jì)算，確定壩體浸潤線，計(jì)算程序采用加拿大GEO-SLOPE公司的巖土工程計(jì)算分析軟件包系列中的SEEP/W軟件，計(jì)算工況為上游正常蓄水位1305m時(shí)的穩(wěn)定滲流。計(jì)算區(qū)域?yàn)樽詨误w建基面以下，沿深度方向取至弱風(fēng)化下限；以心墻中心線為基點(diǎn)向上下游方向各取不小于300m。壩基底邊界為不透水邊界。各土層及材料的滲透系數(shù)取值由地勘報(bào)告和土工試驗(yàn)綜合確定，見表1。

表1 大壩滲流計(jì)算參數(shù)

2.2 計(jì)算成果與分析

圖1為壩體浸潤線計(jì)算結(jié)果和上游高水位時(shí)壩基實(shí)測滲壓水位分布圖，正常蓄水位時(shí)壩體計(jì)算浸潤線與壩基實(shí)測滲壓水位分布形態(tài)基本吻合，心墻后壩基實(shí)測滲壓水位略高于計(jì)算值，主要是由于實(shí)測上游水位略高于正常蓄水位，壩體計(jì)算浸潤線與實(shí)測值相吻合，符合瀝青混凝土心墻堆石壩的滲流規(guī)律，計(jì)算成果能夠作為上、下游壩坡穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)。

圖1 正常蓄水位工況下壩體浸潤線

3 壩坡穩(wěn)定計(jì)算分析

3.1 計(jì)算方法與工況

根據(jù)DL/T 5395—2007《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》)的規(guī)定，土石壩壩坡穩(wěn)定分析可采用平面剛體極限平衡法計(jì)及條塊間作用力的簡化畢肖普法計(jì)算[3- 4]。計(jì)算程序采用中國水利水電科學(xué)研究院巖土所編制的“STAB2005邊坡穩(wěn)定分析程序”，同時(shí)用Geo-studio/Slope模塊驗(yàn)證。壩坡穩(wěn)定計(jì)算區(qū)域同滲流計(jì)算區(qū)域，并在壩體平面滲流分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行壩坡穩(wěn)定分析。表2為壩坡穩(wěn)定計(jì)算工況[4]。

表2 大壩上、下游壩坡穩(wěn)定計(jì)算工況

3.2 計(jì)算參數(shù)

壩體材料動態(tài)抗剪強(qiáng)度采用靜態(tài)強(qiáng)度值，取自土工試驗(yàn)得到的參數(shù)，見表3，由于缺少不固結(jié)不排水(UU)試驗(yàn)參數(shù)和固結(jié)不排水(CU)試驗(yàn)參數(shù)，且施工期壩坡穩(wěn)定性分析不是本次大壩抗震安全性復(fù)核的重點(diǎn)，因此所有工況均采用固結(jié)排水(CD)試驗(yàn)參數(shù)的有效應(yīng)力法。

表3 大壩上、下游邊坡穩(wěn)定計(jì)算材料參數(shù)

地震動加速度峰值根據(jù)現(xiàn)行GB 18306—2015采用工程區(qū)50年超越概率10%的基巖動峰值加速度為0.30g，基本地震烈度為Ⅷ度。地震慣性力代表值和地震慣性力的動態(tài)分布系數(shù)根據(jù)NB 35047—2015《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》)的要求進(jìn)行取值[5]。

3.3 計(jì)算成果與分析

設(shè)計(jì)階段采用“STAB1995邊坡穩(wěn)定分析程序”進(jìn)行壩坡穩(wěn)定性計(jì)算，本次復(fù)核采用“STAB2005邊坡穩(wěn)定分析程序”和Geo-studio/Slope模塊2種方式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算成果見表4，由表4可得：

表4 大壩上、下游壩坡穩(wěn)定計(jì)算成果表

(1)本次復(fù)核計(jì)算的正常蓄水位和竣工期條件下大壩上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與設(shè)計(jì)成果(設(shè)計(jì)成果取自工程竣工驗(yàn)收技術(shù)鑒定之二設(shè)計(jì)自檢報(bào)告，以下同)接近，說明不同軟件計(jì)算所得結(jié)果基本一致，本次復(fù)核成果可用于大壩抗震安全性評價(jià)。

(2)原設(shè)計(jì)基巖動峰值加速度為0.17g，正常蓄水位+Ⅶ度地震情況下，上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.598、1.558；本次抗震復(fù)核計(jì)算結(jié)果表明，基巖動峰值加速度提高到0.3g后，正常蓄水位+Ⅷ度地震情況下，上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.369、1.292，說明基巖動峰值加速度提高后，壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)有明顯降低。死水位+Ⅷ度地震情況下，上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.353、1.329。由此可見，正常蓄水位、死水位在遭遇Ⅷ度地震情況下，上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求的2級建筑物抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)1.15，且有一定的安全裕度[6- 7]。

4 壩頂高程復(fù)核

4.1 計(jì)算方法與參數(shù)

根據(jù)DL/T 5395—2007規(guī)定，壩頂高程分別按設(shè)計(jì)水位加正常運(yùn)用條件下、設(shè)計(jì)洪水位加正常運(yùn)用情況、校核洪水位加非常運(yùn)用情況、正常蓄水位加地震非常運(yùn)用情況等4種運(yùn)用情況下計(jì)算得到的壩頂超高，取其最大值。

波浪爬高和風(fēng)壅水面高度根據(jù)規(guī)范和設(shè)計(jì)參數(shù)確定。地震涌浪高度可根據(jù)設(shè)計(jì)烈度和壩前水深采用0.5～1.5m，日本地震涌浪高度按1%壩高估計(jì)，經(jīng)綜合考慮，本次復(fù)核取1m。壩頂沉陷一般不超過壩高的0.5%～1%，在設(shè)計(jì)階段，大壩經(jīng)有限元法計(jì)算得到設(shè)計(jì)工況(加速度為0.17g)下最大震陷量為0.56m，校核工況(加速度為0.47g)下最大震陷量為1.38m，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，工程區(qū)50年超越概率10%的基巖動峰值加速度為0.30g，通過線性插值可得加速度為0.30g時(shí)，大壩最大震陷量為0.91m，約為壩高的1%，故壩頂沉陷取0.91m[8- 9]。

4.2 計(jì)算成果與分析

大壩壩頂高程復(fù)核計(jì)算結(jié)果見表5，規(guī)范規(guī)定的四種工況下，大壩防浪墻頂計(jì)算高程最大值為1308.80m，不超過原設(shè)計(jì)防浪墻頂高程，但現(xiàn)狀防浪墻頂高程低于計(jì)算高程最大值約0.25m。根據(jù)實(shí)測資料，壩頂實(shí)際高程為1307.45m，比正常蓄水位1305.00m和設(shè)計(jì)洪水位1304.23m均高出0.5m以上，且不低于校核洪水位1306.93m，滿足規(guī)范的要求。

表5 大壩壩頂高程計(jì)算結(jié)果 單位:m

在地震工況下，地震安全超高的取值會對壩頂高程計(jì)算值產(chǎn)生顯著的影響，此次計(jì)算中，壩頂沉陷約占壩高的1%，基本為上限值，而地震涌浪高度取了中間值，若取為上限值1.5m，地震工況下防浪墻頂高程應(yīng)為1309.26m，超出現(xiàn)狀防浪墻高程約0.71m，若取為下限值0.5m，地震工況下防浪墻頂高程應(yīng)為1308.26m，低于現(xiàn)狀防浪墻高程約0.29m?？紤]到大壩在地震工況下有0.70m的安全超高，現(xiàn)狀防浪墻高程即使略低于計(jì)算值也僅使安全超高裕度有所降低，不影響大壩運(yùn)行安全，故可認(rèn)為在地震工況下防浪墻頂高程基本能滿足規(guī)范要求。

5 大壩抗震安全性綜合評價(jià)

某瀝青混凝土心墻壩根據(jù)現(xiàn)行GB 18306—2015的要求，工程區(qū)50年超越概率10%的基巖動峰值加速度由設(shè)計(jì)階段0.17g調(diào)整至0.30g，為滿足大壩安全定期檢查過程中大壩抗震安全性評價(jià)的要求，按照新規(guī)范給出的參數(shù)和提出的要求對大壩抗震進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，計(jì)算成果表明：

(1)基巖動峰值加速度由0.17g提高到0.3g后，正常蓄水位+Ⅷ度地震情況下，上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)有明顯降低，分別降低14%和17%。上、下游壩坡在Ⅷ度地震工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最小值為1.292，大于規(guī)范要求的最小安全系數(shù)1.15，且有一定的安全裕度。

(2)地震動參數(shù)調(diào)高，地震沉陷量增大，導(dǎo)致地震工況下大壩防浪墻計(jì)算高程有所增大，考慮地震涌浪及地震沉陷量，正常蓄水位加地震非常運(yùn)用情況下，該大壩壩頂高程滿足規(guī)范要求，防浪墻頂高程基本滿足規(guī)范要求。

(3)在設(shè)計(jì)階段，大壩有針對性地采取了一定的抗震措施。例如，加寬壩頂、提高壩體的密實(shí)度、加強(qiáng)不同部位的連接等，這些措施均有利于壩體結(jié)構(gòu)的抗震安全性；另外，筑壩材料為砂礫石，其透水能力強(qiáng)，可保證地震時(shí)壩體產(chǎn)生的孔隙水壓力迅速消失，有利于壩坡穩(wěn)定。

綜上所述，該大壩在Ⅷ度地震作用的情況下，上、下游壩坡能夠處于穩(wěn)定狀態(tài)，壩頂高程滿足規(guī)范要求，設(shè)計(jì)階段采取的抗震措施有助于壩體主要結(jié)構(gòu)在遭遇地震時(shí)能夠安全運(yùn)行。

6 結(jié)語

新版《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》發(fā)布后，部分地區(qū)地震動參數(shù)要比原設(shè)計(jì)取值大，由于大壩設(shè)計(jì)一般較為保守，安全裕度較大，且采取了一定的抗震措施，按照新規(guī)范給出的參數(shù)和提出的要求進(jìn)行復(fù)核分析，大壩抗震安全性往往是可以滿足新規(guī)范要求的，無需采取工程措施。按照規(guī)范要求，對于地震烈度Ⅷ、Ⅸ且壩高70m以上的土石壩，在進(jìn)行抗震穩(wěn)定計(jì)算時(shí)應(yīng)同時(shí)采用擬靜力法和有限元法，本文僅采用了擬靜力法，在進(jìn)行大壩抗震安全性評價(jià)時(shí)是存在一定欠缺的。今后遇到類似工程抗震安全性復(fù)核計(jì)算時(shí)應(yīng)盡量采用兩種方法進(jìn)行綜合分析，確保評價(jià)結(jié)果全面、可靠。