基于新抗震規范的楊房溝高拱壩抗震安全分析與評價

黃熠輝，徐建軍，殷 亮，魏海寧，李德玉，張伯艷，葉 甜

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州311122；2.中國水利水電科學研究院，北京100048)

0 引 言

楊房溝水電站是我國首個以EPC模式建設的百萬千瓦級大型水電工程，水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內的雅礱江中游河段上，是規劃中該河段的第6級水電站，工程的開發任務為發電。水庫總庫容為5.125億m3，總裝機容量為1 500 MW，楊房溝水電站為一等大(1)型工程。樞紐主要建筑物由擋水建筑物、泄洪消能建筑物及引水發電系統等組成，主要水工建筑物為1級建筑物。主體工程已于2016年1月1日正式開工，計劃2021年11月首臺機組發電。工程靜態投資約149億元，總投資約200億元。

擋水建筑物采用拋物線型混凝土雙曲變厚拱壩[1]，最大壩高155 m，河床建基面高程1 947 m，壩頂高程2 102 m。拱冠梁頂厚9 m、底厚32 m，厚高比0.206，壩頂中心線弧長362.17 m，弧高比2.34。結合招標設計報告咨詢意見，施工圖階段拱壩體形在招標設計體形基礎上進行了建基面、拱圈中心角和拱端厚度的優化調整，優化后最大拱端厚34.90 m，最大中心角86.84°，壩體基本體形混凝土約75.81萬m3，柔度系數為13.2。

根據新頒布的NB 35047—2015《水電工程水工建筑物抗震設計規范》(以下簡稱“現行抗震規范”)的相關規定，對施工圖階段優化調整后的拱壩體形進行抗震復核分析，揭示大壩的動力特性、地震反應及壩肩的動力抗滑穩定性，對楊房溝拱壩及壩肩的抗震安全進行綜合評價。

1 設定地震場地相關反應譜及人工地震波

DL 5073—2000《水工建筑物抗震設計規范》(以下簡稱“原抗震規范”)給出的標準設計反應譜適用于所有水工建筑物的抗震設計，各類建筑物分別按照其場地類別和建筑物類型確定其采用的反應譜特征周期和反應譜最大值。而在現行抗震規范中，根據工程重要性的不同，其設計反應譜采用了不同的確定方式：對于應作專門的地震安全性評價的工程抗震設防類別為甲類的工程，應依據工程場址的具體地震地質條件，采用基于設定地震方法確定其場地相關反應譜作為設計反應譜。

楊房溝大壩的工程抗震設防類別為甲類，其設計地震動參數應依據專門的地震安全性評價成果確定。根據中國地震局地震預測研究所于2006年3月提交的《四川省雅礱江楊房溝水電站工程場地地震安全性評價報告》[2]，楊房溝大壩設計地震相應的100年2%超越概率水平的基巖水平向地震動峰值加速度為0.309g。根據2009年4月提交的《楊房溝水電站壩址設計地震動參數補充工作報告》[3]，大壩校核地震(最大可信地震)相應的100年1%超越概率水平的壩址基巖水平向峰值加速度為0.386g。據新頒布的GB18306—2015《中國地震動參數區劃圖》，楊房溝水電站壩址區處在0.15g區內，反應譜特征周期為0.45 s，根據現行抗震規范特征周期調整表，楊房溝壩址標準反應譜的特征周期調整為0.3 s。

楊房溝拱壩設計反應譜應根據設定地震方法研究確定，為大壩抗震設計奠定基礎。

1.1 確定設定地震及場地相關設計反應譜

根據各潛在震源區對壩址地震危險性貢獻值，對楊房溝壩址地震危險性的100年超越概率2%和1%貢獻最大的是均為10號7.0級前波北潛在震源區。遵循發生概率最大的原則，根據確定設定地震的主要步驟，考慮10號7.0級前波北潛在震源區對壩址的影響，得到楊房溝壩址設定地震的震級和震中距見表1。

表1 楊房溝水電站工程設定地震

從安全考慮，取逆斷上盤形式的放大系數譜β(T)為設定地震確定的楊房溝壩址的場地相關設計反應譜(圖1)。將β(T)譜值乘以地震危險性概率計算不確定校正后的相應概率水準的地震動峰值加速度，得到楊房溝壩址的加速度反應譜，見圖2。

圖1 楊房溝壩址設定地震放大系數

圖2 楊房溝壩址設定地震加速度反應譜

1.2 基于場地相關設計反應譜的人工地震波

根據確定的楊房溝大壩設計地震和最大可信(校核)地震場地相關反應譜為目標譜，采用人工地震動生成技術，按照現行抗震規范要求，分別生成了相應于設計地震和最大可信(校核)地震的各3組3個分量的地震動時程。

2 大壩靜動力分析

2.1 基于拱梁分載法和線彈性有限元法的大壩整體動力分析

通過對拱壩進行拱梁分載法和整體三維線彈性有限元法分析，可知：

(1)拱梁分載法與有限元法得出兩種壩前水位的大壩自振頻率吻合良好，相當接近。大壩基本振型呈反對稱(橫河向)，反映了一般雙曲高拱壩的特點。

(2)正常蓄水位靜態組合下，大壩最大徑向位移4～5 cm，發生位置位于中上部高程2 060～2 080 m拱冠部位；設計地震作用下，最大徑向位移分別為7.81(拱梁分載法)、7.21 cm(有限元)，出現在壩頂拱冠處。

(3)設計地震標準反應譜法作用下，正常蓄水位溫降工況拱梁分載法靜動綜合上游面最大主拉、壓應力分別為8.16、11.97 MPa，下游面則分別為5.56、8.96 MPa；最大主拉、壓應力發生于上部高程拱冠附近。溫升與溫降相比，靜動綜合主拉應力有所降低而主壓應力略有提高；有限元法結果給出了與拱梁分載法大致相同的應力分布規律，上游面壩頂拱冠附近及下游面上部高程左、右1/4拱圈附近出現超過5 MPa的高拉應力區，上游面上部高程拱冠附近出現大于10 MPa的高壓應力區，此外在壩踵、壩趾區域出現范圍不大的高拉、壓應力集中區域。

2.2 計入地基輻射阻尼和橫縫張開影響的大壩非線性動力分析

常規分析表明大壩中上部動力放大效應明顯，借鑒類似工程經驗以粘彈性邊界吸收散射波以考慮無限地基幅射阻尼的作用，以LDDA動接觸理論模擬橫縫非線性張開，進行大壩結構動力有限元模擬分析[4]，所建模型如圖3所示，大壩橫縫布置及編號如圖4所示。

圖3 楊房溝大壩壩體—地基體系有限元網格模型

圖4 大壩橫縫布置及編號示意

靜荷載作用下，分縫壩主拉主壓應力均不大，最大主拉應力1.18 MPa，只出現在1 955 m高程左岸上游拱端局部區域，最大主壓應力7.15 MPa，出現在下游面1 953 m高程拱冠右側；最大順河向位移為4.86 cm，與試載法計算結果接近。

設計地震作用下，考慮輻射阻尼和分縫，多種工況和地震波下，上游面靜動綜合最大主拉應力4.35 MPa(與類似拱壩工程相比相對較小)，發生于1 955 m高程左拱端(見圖5a)，超過拉應力控制標準2.6 MPa的范圍為壩基1 980 m高程以下壩踵附近10 m厚度范圍，接近大壩帷幕灌漿線位置，但由于壩基交接面處，存在有限元應力集中效應，其應力值難以作為抗震設計的依據，考慮混凝土材料非線性及損傷分析后，根據類似拱壩工程經驗，拉應力數值和分布范圍可減小，不會對壩基防滲帷幕產生不利的影響。下游面靜動綜合最大主壓應力為9.41 MPa，發生在2 013 m高程左拱端(見圖5b)，小于應力控制標準。

圖5 設計地震作用下大壩靜動綜合主應力等值線(正常蓄水位溫降工況)

設計地震作用下，橫縫最大張開度約為8.7 mm，見圖6，橫縫張開范圍上游面在2 020 m高程以上，下游面在2 060 m高程以上；地震作用下的橫縫張開度處于類似拱壩工程中等水平，橫縫的開合不會破壞橫縫止水設施。

圖6 設計地震作用下各工況橫縫張開度沿頂拱分布

校核地震作用下，壩體橫縫張開度、壩體應力反應均有所增大，橫縫最大張開度為13 mm，不會破壞橫縫止水設施，壩體最大主拉應力為5.85 MPa，發生于1 955 m高程上游面左拱端，超過大壩混凝土的動態抗拉強度的范圍均較小；壩體最大主壓應力10.36 MPa，小于大壩混凝土的動態抗壓強度，發生在2 013 m高程下游面左拱端。

3 壩肩動力抗滑穩定分析

3.1 基于振型分解反應譜的剛體極限平衡法分析

采用基于振型分解反應譜法的三維剛體極限平衡法，對拱壩壩肩左、右岸各潛在滑動塊體在正常蓄水位情況下進行抗滑穩定分析，成果表明：

(1)靜力工況壩肩抗滑穩定安全系數均較大，大于拱壩設計規范[5]規定的3.5(按剛體極限平衡的剪摩公式)。

(2)設計地震作用下，在各種遇合系數組合情況下，右岸各滑塊的動態抗滑穩定安全系數均大于現行抗震規范規定的1.31。左岸滑塊1、滑塊3和滑塊6的動態抗滑穩定安全系數最小值分別為1.14、1.27和1.20，小于1.31，左岸其余滑塊的動態穩定安全系數大于1.31。施工圖階段按照現行抗震規范規定采用的設定地震場地相關反應譜較原規范的標準設計反應譜，在大壩主振周期范圍內有較大增加，致使拱端動態推力增加較為顯著，導致各滑塊的動態穩定安全系數均有所降低。

3.2 基于時程分析的時域剛體極限平衡法分析

由上述采用基于振型分解反應譜法的拱梁分載法的拱推力進行壩肩穩定分析結果可見，設計地震下左岸部分滑塊的動力抗滑穩定安全系數偏低。因此，遵循現行抗震規范8.1.10的規定，采用基于時程分析法的時域剛體極限平衡法對左岸滑塊1、滑塊3和滑塊6進行分析，根據穩定指標超標的持續時間和程度，綜合評判拱座潛在滑動巖塊的抗滑穩定性及其對大壩整體安全性的影響。在時程分析法中，拱端推力的時程系采用有限單元法時程分析得到，巖體慣性力時程為3組人工地震加速度波與滑動塊體質量的乘積。

表2為對左岸滑塊1、滑塊3和滑塊6進行的基于時程分析法的時域剛體極限平衡法計算成果，可知，3個塊體穩定安全系數小于1.31的時間總和與地震總持時的比例很小，最大不超過0.7%，且在每個超標段內的持時更短，如此短暫的瞬間滑動所累積的殘余變形尚不至導致壩肩失去穩定。通過國內類似拱壩工程壩肩塊體時域剛體極限平衡法分析成果類比可看出，楊房溝拱壩壩肩塊體動力穩定安全系數小于1.31占時比例處在類似工程中間水平。

表2 設計地震下塊體最小安全系數以及超標持時占地震總持時的比例

4 結 語

根據現行抗震規范要求，采用基于設定地震方法確定的場地相關反應譜及人工地震波，考慮壩體橫縫張開和地基輻射阻尼效應影響后，楊房溝拱壩的地震動力響應明顯降低，常規線彈性分析在大壩中上部拱冠附近出現的大范圍高拉應力區不復存在，拱壩在地震作用下的應力狀態可以滿足設計要求；大壩橫縫張開度不大，在橫縫止水可允許的變形范圍之內；在設計地震作用下，拱壩壩肩動力抗滑穩定性滿足規范要求。因此，在設計地震作用下，施工圖階段楊房溝拱壩優化體形的抗震安全是可以保證的。