哥倫比亞圣埃斯皮里圖電站地震危險性分析

［哥倫比亞］ M.科雷亞

1 概述

圣埃斯皮里圖(Espirita Santo)電站位于哥倫比亞北部安蒂奧基亞省考卡(Cauca)河上，其可行性研究正在進(jìn)行中。壩址位于目前在建的裝機(jī)2400MW的伊圖安戈(Ituango)電站下游24km處，設(shè)計(jì)主壩高93 m，為碾壓混凝土壩，庫容5800萬m3，地下廠房安裝4臺150MW發(fā)電機(jī)組。考卡河多年平均流量1026 m3/s，可能的最大洪峰流量為25000 m3/s。工程主要特征如下。

流域特征

河流名稱: 考卡河

流域面積: 36977km2

平均流量: 1026 m3/s

流域用水率: 27.7 I/s/km2

大壩

壩型: 碾壓混凝土重力壩

建基面高程: 135 m(海拔高程)

壩頂高程: 228 m(海拔高程)

壩高: 93 m

壩頂長度: 320 m

體積: 72萬m3

溢洪道

類型: 壩頂開敞式溢洪道

溢洪道泄洪水位:205 m(海拔高程)

溢洪道頂寬: 100.8 m

溢洪道底寬: 70.3 m

設(shè)計(jì)流量: 23250 m3/s

水庫

最高和正常蓄水位:205 m(海拔高程)

庫容: 56.3 hm3

興利庫容: 0

淹沒面積: 2.4km2

電站廠房

類型: 地下廠房

洞室數(shù)量: 3座

交通洞長度: 553 m

主洞室: 23.5/150.8/41(寬/長/高)

變壓器洞室: 15/87.35/17.3(寬/長/高)

下游減壓井: 18.5/93/40.1(寬/長/高)

效能參數(shù)

設(shè)計(jì)流量: 1168 m3/s

總水頭: 58.6 m

凈水頭: 57.3 m

裝機(jī): 600MW

發(fā)電機(jī)組數(shù)量: 4臺

水輪機(jī)類型: 混流式

壓力管道

直徑: 10 m

井筒壓力直徑: 10 m

襯護(hù)排水洞直徑:7.2 m

長度: 233 m

項(xiàng)目所在的考卡河流域水電蘊(yùn)藏量豐富，相關(guān)的研究工作已經(jīng)進(jìn)行了45 a，例如，早在1971年，公共事業(yè)哥倫比亞電力公司(ISA)就聘請Integral咨詢股份公司對該項(xiàng)目開展了研究。

目前在建的伊圖安戈電站，壩高225 m，庫容27.2億m3，將通過調(diào)蓄洪水和攔淤使圣埃斯皮里圖工程發(fā)揮效益。這將改善工程的運(yùn)行環(huán)境。

圣埃斯皮里圖壩位于海拔100～250 m的雨林環(huán)境中，濕熱多雨。這一地區(qū)還屬于高地震風(fēng)險地帶。

低海拔、環(huán)境條件惡劣、地震頻發(fā)以及徑流量大等條件，決定了該水電站在設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行階段必須解決很多復(fù)雜問題。

一個要考慮的基本問題是設(shè)計(jì)洪水。由于在陡峭的山坡上難以建造溢洪道，因此土石壩不可行。

2 地震危害

盡管哥倫比亞全部位于南美板塊內(nèi)，但南美板塊與其他板塊，特別是與哥倫比亞海岸前的納斯卡板塊的相互作用，導(dǎo)致工程區(qū)地震背景復(fù)雜。這一點(diǎn)可從復(fù)雜的地貌、橫貫全國的活動性斷層、深源和淺源地震活動等方面得到印證。這些現(xiàn)象首先與板塊的俯沖有關(guān)，其次與山區(qū)斷層的活動有關(guān)。需要注意的是，雖然哥倫比亞北海岸板塊的俯沖不及南部強(qiáng)烈，但卻是誘發(fā)深源大地震的原因。

構(gòu)造活動主要發(fā)生在3條山脈中，這3條山脈將安第斯最大的南北向山間盆地分成了兩個盆地，即東和中部山脈間的馬格達(dá)萊納盆地，以及工程所在的中部和西部山脈間的考卡盆地。

這一地區(qū)歷史震級不超過里氏7.0級，最大的一次是在1992年穆林多地區(qū)，地震造成的建筑物損壞和財產(chǎn)損失波及到100km之外，壩址距震中150km。

哥倫比亞震級最大、破壞性最強(qiáng)的地震都是由長活動斷層帶引發(fā)，所有震級達(dá)到里氏7.4級的淺源地震幾乎都與山脈走向平行分布。哥倫比亞分布有3條主要斷層帶，分別與3座山脈邊界重合:西部和中部山脈間的考卡－羅梅拉爾斷層帶、中部和東部山脈間的帕萊斯蒂納斷層帶，以及東部山脈東緣的山前斷層帶。考卡－羅梅拉爾斷層帶從南部的厄瓜多爾一直延伸到北部的哥倫比亞，由圣埃斯皮里圖、東圣塔麗塔、西圣塔麗塔等斷層組成。

壩址附近，最淺的震源都與考卡－羅梅拉爾斷層帶以及當(dāng)?shù)氐钠渌麛鄬訋в嘘P(guān)，如達(dá)貝巴阿奇和墨累斷層、穆塔塔和穆云渡斷層。

該項(xiàng)目位于兩個平行斷層之間，西距東圣塔麗塔斷層12km，東距圣埃斯皮里圖斷層2.5km，二者都呈北東走向，屬正斷層。

在這種地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境下，建碾壓混凝土壩是設(shè)計(jì)工程師的首選。大壩選址的一個基本原則就是要避開受斷層影響的河段，因?yàn)槟雺夯炷翂问莿傂泽w，對壩基變形較敏感。

預(yù)可研階段，對幾個壩址進(jìn)行了研究分析，最終選擇塞維利亞(Sevilla)壩址，該壩址所在河段不與任何斷層并行，減小了河床存在斷層的可能性。最近在可行性研究中，對該壩址進(jìn)行了地形測量、地質(zhì)測繪以及跨河探測，排除了壩址河床存在斷層的可能性。

壩基也沒探察到小斷層，因此可以斷定大壩坐落在單一塊狀巖體上，地震發(fā)生時壩基作單體運(yùn)動，不會產(chǎn)生相對位移。

壩基巖體呈塊狀結(jié)構(gòu)，巖性均一，僅發(fā)育微小裂隙，局部含葉理片麻巖，壩基和地下廠房洞室的地質(zhì)條件極好。

最可能引發(fā)地震危害的是圣埃斯皮里圖斷層，它距壩址僅2.5km，許多專家先前以及在項(xiàng)目開展過程中均對該斷層進(jìn)行過研究，通過觀察新近斷層兩盤的滑動和壩址附近坑探獲得的證據(jù)，證實(shí)了它在第四紀(jì)的活動性。

在地震危險性評價中，采取確定性法和概率法計(jì)算工程的地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)行基準(zhǔn)地震重現(xiàn)期為475 a，余震重現(xiàn)期為2500 a，最大可信地震重現(xiàn)期10000 a。Integral咨詢股份公司采用該地區(qū)其他工程數(shù)據(jù)，特別是內(nèi)奇工程和伊圖安戈工程，開展了該工程的地震危險性研究。

采用國際上普遍接受的、適合這一地區(qū)的衰減關(guān)系，運(yùn)用概率性法對不同重現(xiàn)期的地面加速度進(jìn)行了計(jì)算，其中最具代表性的研究者是布爾和阿特金森(2008年)，伊德里斯(2008年)、加利格和奧達(dá)斯(2000年)。2008年，太平洋地震工程研究中心出版的《下一代地震動衰減關(guān)系》中，包含了前兩位作者的研究成果，這是一項(xiàng)多學(xué)科研究成果，目的是通過綜合性、高度交互式研究，建立新的地面運(yùn)動預(yù)報關(guān)系。

20世紀(jì)80年代，伍德沃德和克萊特開展了描述性研究，采用確定性方法計(jì)算了地面加速度，將最大震級和分段與附近的斷層相關(guān)聯(lián)，重點(diǎn)研究了距壩址2.5km的圣埃斯皮里圖斷層區(qū)段4。對圣埃斯皮里圖斷層進(jìn)行的各種地震研究都表明，該斷層引發(fā)的地震震級可取里氏6.5～7.0級。

計(jì)算所得運(yùn)行基準(zhǔn)地震和余震的地面加速度分別為0.19 g和0.37 g，采用確定性方法計(jì)算出的最大可信地震地面加速度在0.56 g和0.63 g之間，與采用概率法計(jì)算的10000 a重現(xiàn)期地面加速度0.59 g相似，最終定為該值(見表1)。

表1 地震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與參數(shù)

3 擬定方案

在預(yù)可行性研究階段，考慮了2種壩型，即柔性的土石壩和剛性的碾壓混凝土壩。由于土石壩的溢洪道必須建在河岸上，大約1100萬m3的開挖棄料需轉(zhuǎn)移到40km以外的地方，增加了不必要的投資，因此排除了土石壩方案。根據(jù)峽谷特點(diǎn)選擇碾壓混凝土壩。

考慮到地震危害，溢洪道不采用弧形閘門方案，因?yàn)楦鶕?jù)洪水量，弧形閘門需要15 m寬和25 m高，而溢流式溢洪道不需要設(shè)置任何可能遭受地震損壞的設(shè)施。

根據(jù)工程結(jié)構(gòu)和水力特征，大壩設(shè)計(jì)最大高度93 m，壩體斷面為梯形，壩頂寬7 m，上、下游壩坡坡度分別為0.2∶1 和0.8∶1，壩總長325 m(見圖1 和圖2)。

大壩為弧形碾壓混凝土重力壩，弧形半徑244 m(見圖3)，洪水全部排放入河。

圖1 大壩典型斷面

圖2 大壩高程

圖3 建筑物平面布置

采用專門為混凝土重力壩開發(fā)的軟件EAGD84建立多個有限元模型，對大壩進(jìn)行了抗滑穩(wěn)定分析，并對大壩在優(yōu)勢地震作用下的反應(yīng)進(jìn)行了校核。結(jié)構(gòu)分析考慮不同荷載情況，包括正常、非正常、極端(荷載)和余震。采用平面應(yīng)變有限元模型以及均質(zhì)線性和各向同性材料，對大壩與其基巖、大壩與水庫的相互作用進(jìn)行了分析，同時考慮庫水對地震波的壓縮和反射效應(yīng)。地震力與水平和垂直分量作為時間域自由場加速度記錄在案。對2個近代大地震，即哥倫比亞亞美尼亞地震(1999年)和克塔梅地震(2008年)進(jìn)行了量化，以代表工程的地震危害(見圖4)。

圖4 大壩的三維模型

為校核弧形重力壩的結(jié)構(gòu)特性，采用SAP2000軟件建立了大壩3D模型，模型包括壩基150 m厚的巖層，相當(dāng)于1.5倍壩高(見圖4)。采用這一3D模型，分析了地震分量組合，評價了壩體特殊動力響應(yīng)造成的最極端后果，模擬得到的基本周期為0.27 s，符合該工程壩型和壩高條件。

根據(jù)結(jié)構(gòu)分析，就該工程的規(guī)模和地震特點(diǎn)而言，應(yīng)力和變形值在可接受范圍內(nèi)，并且符合有關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)。盡管這只是可研階段的初步分析，但結(jié)果是精準(zhǔn)的，可作為今后設(shè)計(jì)階段開展深入研究的基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

可行性研究結(jié)果表明，選擇塞維利亞壩址建弧形碾壓混凝土重力壩是合適的，壩址極好的地質(zhì)條件加上設(shè)計(jì)的弧形壩體，可以確保大壩在最極端不利情況下的穩(wěn)定性，如在萬年重現(xiàn)期地震情況下。

經(jīng)分析得出，大壩在所有荷載情況下都具有結(jié)構(gòu)可靠性，甚至還留有安全裕度，這表明選擇的壩型不僅具有足夠的安全性，而且在后續(xù)的設(shè)計(jì)階段考慮使用熱效應(yīng)和非線性材料也是可行的。