澳大利亞穆特博爾德壩地震危險性復核

澳大利亞穆特博爾德壩地震危險性復核

澳大利亞穆特博爾德壩始建之時尚沒有得到廣泛認可的大壩安全標準。從非線性分析、地震危險性評價、強度評估、穩定性評估、大壩鋼筋混凝土破壞預測、混凝土整體評估等方面對該壩安全性能進行了綜合性評價。分析得出，穆特博爾德壩并不滿足100 a超越概率1%的罕遇地震設防要求，為此，已著手對該壩進行升級改造。

水工建筑物監測；危險性復核；穆特博爾德壩；澳大利亞

穆特博爾德(Mt Bold)壩的建成形成了南澳大利亞最大的水庫，混凝土壩共分19個壩段，其中11個構成中央拱壩段，其余8個分別組成左右壩肩的重力壩段。拱壩上游壩面直立，壩頂部向水庫側傾懸。該壩始建于20世紀30年代， 60年代加高4.3 m，壩肩重力壩段使用大體積混凝土加高，拱壩非溢流壩頂使用中空門式鋼筋混凝土框架加高。在溢洪道反弧段頂部安裝防浪墻閘門系統，最大壩高58 m。

大壩的設計施工標準需要進行不斷地復核和改進。20世紀30年代穆特博爾德壩始建之時，尚沒有被廣泛認可的大壩標準。而到了20世紀60年代大壩加高時，基本上完全按照當時大壩標準施工。但是，通過新的研究、技術革新以及大壩性能監測，如今需要更嚴格的標準。作為南澳大利亞水務公司(SA Water)登記的大壩，需要根據最新的大壩安全導則和標準定期對該壩進行安全復核。南澳大利亞水務公司制定了一個動態投資計劃，旨在精準有效地排除大壩安全復核中發現的風險。因此， 2011年以來，穆特博爾德壩一直處于階段性安全復核中。

1 非線性分析的必要性

安全復核的早期階段，穆特博爾德壩線性數值分析結果表明，在最大設計地震(MDE)下可能出現超應力區。

由于線彈性分析存在局限性，無法確定壩體內的超應力區是否一定會演變為威脅壩體結構安全的破壞模式，因此穆特博爾德壩的非線性時程分析目的至少部分為地震作用下混凝土壩體中觀測到的非線性特性(如縱向伸縮縫的開閉、壩體與壩基結合帶裂縫等)分析。

在強震作用下，拱壩通常表現為非線性特性，包括壩體與壩基結合面這樣的弱面張開(假定抗拉強度為零)、縱向伸縮縫和無粘性結構縫的張開以及混凝土的開裂等。不穩定混凝土壩段的滑動傳遞到相鄰壩段，不管是在靜力荷載下或是動力荷載下都是非線性的。

采用DIANA軟件建立的穆特博爾德壩有限元模型，能夠模擬上述大部分非線性行為，但模型僅限于模擬壩體內部界面和不連續面等邊界的非線性，而材料仍是線彈性體。

采用庫侖摩擦接觸單元模擬壩體與壩基結合面以及壩體與上下游和兩壩肩開挖面。此外，庫侖摩擦單元還用于模擬剔除剪切鍵的縱向伸縮縫(例如加高的溢洪道、閘墩和門式框架)，以及原始壩體與加高部分壩體間的無粘結縫。

采用非連續縫單元模擬各壩段間具有剪切鍵的縱向伸縮縫，由于裂面上存在混凝土骨料的咬合作用，這種可以張開和閉合的不連續結構面可以提供抗拉強度。

2 地震環境

作為安全評價的一部分，地震危險性評價包括不同重現期和5%結構阻尼反應譜，構建代表穆特博爾德壩址地質構造環境的加速度時程曲線。

根據全球地震數據庫資料，選出與穆特博爾德壩場地反應譜相匹配的3個100 a超越概率1%的最大設計地震，并將其與場地的預期加速度值匹配，列于表1。

表1 所選地震波

3 強度評估

強度評估包括地震荷載作用下壩體內壓應力和拉應力同混凝土允許應力的對比，內容如下。

(1)豎向應力同混凝土橫向分縫允許拉應力對比，評估橫向分縫脫粘和裂縫擴展的可能性。

(2)拱向應力和主拉應力與混凝土允許拉應力對比，評估混凝土由拱向應力產生豎向裂縫和主拉應力產生其他方向裂縫的可能性。

(3)主壓應力與允許壓應力對比，評估混凝土壓碎的可能性。

4 穩定性評估

拱壩通常有兩種類型的滑動失穩。一類是沿壩基接觸帶滑動(如壩基交界面、壩基不連續結構面或第一、二層混凝土接縫)，另一類是壩基尤其是壩肩巖體的滑動。

壩體沿壩基接觸帶滑動只考慮向下游沿壩拱徑向的滑動。組成拱壩的19個壩段均進行了抗滑穩定性評估。

由于對大壩的安全評估考慮了水庫滿蓄條件下、地震荷載作用下的穩定性，庫水提供了巨大的抗滑荷載阻止壩體向上游側滑動，因此不考慮大壩向上游方向的滑動模式。

由于兩壩肩壩段嵌入在兩岸巖體中(兩岸壩肩分別高24 m和28 m)，并且兩岸壩段嵌入壩肩邊坡的角度適中，因此也無需考慮拱向滑動的失穩模式。

5 混凝土壩體破壞

豎向應力的最大垂直應力集中在壩拱的“咽喉”位置，介于高程228.31～231.81 m。在這一高程范圍內，壩體在地震作用下會形成上、下游貫通的水平裂縫，所形成的獨立混凝土塊體會發生搖擺而倒向庫內。

計算結果表明，在無粘結混凝土加高塊體與原壩體間會產生相對錯動，在最大設計地震條件下新老壩體結合面會產生研磨，盡管混凝土加高塊在底部徑向上相對較長，但仍存在向上游側水庫傾倒的可能性。

在壩體或壩基結合面沒有像預期的那樣出現破壞，無論是靜力荷載還是地震荷載條件下壩體均沒有發生滑移，下游巖體也沒有發生剪切變形。

受壩肩壩段所產生的推擠作用，壩肩潛在不穩定塊體的穩定性綜合分析也是穆特博爾德壩安全評價的一部分。

6 大壩鋼筋混凝土破壞預測

壩體加高的鋼筋混凝土單元(門式框架、反弧段和閘墩)并不符合最新的設計標準。

門式框架結構在強度(抗剪)、穩定性(滑動)以及撓度方面要求很高。上述任何一種破壞模式均會導致大的位移，引起閘室溢流和門式框架結構倒塌。

反弧段可能產生超應力集中，導致反弧部分的鋼筋混凝土與原壩體分離、反弧加高段鋼筋混凝土破壞和混凝土的散裂。

閘墩也可能發生雙向彎曲和剪切破壞，導致閘墩產生永久變形，堵塞溢洪道閘門，原壩體以上加高的閘墩(238.84 m高程以上)也可能完全倒塌。

7 混凝土整體評估

根據國際大壩委員會對大型水壩在地震荷載下的性能要求，目前穆特博爾德壩并不滿足100 a超越概率1%的罕遇地震設防要求。因此，已經著手對該壩進行升級改造，使之符合當前標準。

李妍賈宇峰馬貴生譯

(編輯：朱曉紅)

2017-04-12

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